Radioatividade

Radioatividade

A Descoberta da Radioatividade

Nossa estória começa em 1896 com observações feitas por Becquerel[1], quando este procurava conexões – inexistentes – entre os Raios X, descobertos apenas um ano antes por Röntgen[2], e a fosforescência, um fenômeno que certas substâncias possuem em liberar luz visível por um período curto de tempo após serem expostas por algumas formas de radiação, como a luz ultravioleta.

Becquerel sugeriu de maneira incorreta a hipótese de que a geração de Raios X estaria conectada de alguma maneira com a fosforescência, onde estas substâncias fosforescentes emitiriam os Raios X, bom como luz na região do visível.

Para testar sua hipótese, Becquerel conduziu uma série de experimentos, baseados na observação de cristais de compostos de urânio (₉₂U), que fosforesciam após serem expostos à luz solar (foto fosforescência). Seus experimentos consistiam em colocar cristais desse elemento sobre uma chapa fotográfica bem encapada por papel preto, deixando-os, em seguida, expostos à luz do sol para que o componente ultravioleta dessa luz induzisse a fosforescência. Se o material fosforescente também emitisse Raios X, pensou ele, esses raios poderiam penetrar no papel preto e sensibilizariam a chapa fotográfica.

Quando Becquerel revelou tais chapas, percebeu que havia uma mancha correspondente à posição exata daquela onde estava o cristal do composto de urânio. Como ele já havia colocado outra chapa ao sol na ausência deste cristal, a fim de compará-las, e notado que não tinha ocorrido sensibilização da mesma, concluiu – corretamente – que os cristais de urânio eram os responsáveis por marcar a chapa fotográfica e – incorretamente – que estes cristais haviam emitidos Raios X após fosforescerem sob ação da luz solar.

A verdadeira fonte da imagem fotográfica somente foi revelada quando um período nublado forçou Becquerel a suspender seus experimentos ao ar livre. Sem a luz do sol para induzir a fosforescência das amostras de urânio, ele as guardou numa gaveta em seu escritório, próxima de uma chapa fotográfica bem encapada com papel preto. Alguns dias depois, ao fazer revelações de outras chapas utilizadas em sua pesquisa, Becquerel também revelou aquela que estava guardada em sua gaveta, a qual  ele espera permanecer intacta. Para sua surpresa, esta chapa havia uma distinta mancha que indicava alta exposição. Algo havia penetrado o papel preto e causado uma forte imagem, mesmo sem ter a chapa sido exposta à fosforescência, a Raios X ou qualquer outra forma de radiação. Após uma série de experimentos adicionais, Becquerel logo descobriu que a misteriosa radiação foi originada pelo próprio elemento urânio sem nenhuma conexão com a luz ultravioleta, Raios X ou fosforescência.

Cerca de dois anos depois das descobertas originais, Marie Sklodowska Curie[3], uma estudante de Becquerel, ingressou nos estudos dessa estranha forma de radiação. Além de ter dado o nome de RADIOATIVIDADE, Marie Curie (ou Madame Curie, como era conhecida) descreveu muitas de suas propriedades, mostrou que esta poderia ser emitida por outros elementos químicos além do urânio e também que sua origem estava ligada a mudanças que ocorriam com os próprios átomos, ou seja, a radioatividade era uma propriedade intrínseca dos átomos de alguns elementos.

Leia mais sobre Madame Curie

Em 1903, Marie Curie, nativa da Polônia, se tornou a primeira mulher a receber um prêmio Nobel, sendo este na área de física pela descoberta da radioatividade e dividido entre seu marido, Pierre, e seu professor, Becquerel.

                Oito anos mais tarde, em 1911, madame Curie fez história novamente, dessa vez a se tornar a primeira pessoa a ganhar um prêmio Nobel pela segunda vez, agora na área de química, pela descoberta dos elementos rádio (₈₈Ra) e polônio (₈₄Po) – em homenagem à Polônia, pátria de Madame Curie.

Radioatividade e Decaimento Radioativo

Três anos após as descobertas da radioatividade, em 1899, Ernest Rutherford demonstrou que os raios emitidos por elementos radioativos, consistiam em mais de uma forma de radiação. Ele identificou dois tipos que foram diferenciados por ele através do alfabeto grego.

1. Radiação Alfa – Partículas Alfa (₂α⁴): formada por fluxos de alta energia de núcleos de hélio (₂He⁴) – combinação de dois prótons e dois nêutrons – dados pelo decaimento radioativo, sendo que estes viajam a velocidades entre 5% a 7% da velocidade da luz.

Quando ocorre a emissão de partículas alfa por átomos radioativos, temos uma mudança no número atômico e número de massa do elemento. Como cada elemento químico é caracterizado por seu número atômico, o decaimento pode levar a transformação de átomos de um elemento em átomos de outro elemento diferente. As partículas alfa penetram superficialmente a matéria, sendo bloqueadas facilmente por uma folha de papel ou mesmo na superfície da pele humana.

1. Radiação Beta – Partículas Beta (_-1β⁰): fluxos de elétrons de alta energia viajando a velocidades acima de 90% da velocidade da luz. As partículas beta carregam carga -1 e virtualmente nenhuma massa. Para a radiação beta – e as partículas que a formam – podemos ter a seguinte notação: _-1e⁰, _-1β⁰, β^-1 ou simplesmente β. A emissão de partículas beta (decaimento beta) também leva a uma variação do número atômico do átomo do elemento radioativo (aumento do número atômico), mas não do número de massa.

Estas partículas possuem um maior poder de penetração quando comparada às partículas alfa. São bloqueadas por roupas grossas ou paredes de certas espessuras. Em relação a sistemas biológicos, atravessam facilmente a pele, chegando até os músculos.

Um terceiro componente da radiação, raios gama (γ), foram descobertas por Villard.

1. Radiação Gama (₀γ⁰): assim como a lus visível, ondes de rádio e televisão e Raios X, os raios gama são uma forma de onda eletromagnética que viajam com alta energia e na velocidade da luz. Não possuem massa nem carga. Penetram profundamente a matéria e são barradas por paredes grossas de concreto e também camadas de certa espessura de chumbo. Causam danos biológicos considerados pois atravessam a pele e a musculatura, chegando até os órgãos internos. A radiação gama pode ser utilizada industrialmente para detectar falhas ou rupturas em partes metálicas ou estruturas, assim como os Raios X são utilizados para diagnosticar fraturas em ossos e cavidades dentárias.

Decaimento Radioativo – Exemplos de Ocorrências Naturais

Trítio[4] é o radioisótopo mais simples de todos e pode sofrer decaimento por e missão de partículas β formando ₂He³, um isótopo estável do hélio:

₁H³ → ₂He³ + _-1 β⁰

                Quando um núcleo de trítio perde um elétron, um nêutron do é transformado em um próton. Sua massa permanece inalterada, mas seu número atômico aumente em uma unidade se transmutando no elemento hélio.

O decaimento do carbono-14 também ocorre pela perda de partículas beta:

₆C¹⁴ → ₇N¹⁴ + _-1 β⁰

onde temos a transformação de um átomo radioativo de carbono no isótopo mais comum de nitrogênio. O decaimento de carbono-14 é útil na determinação de artefatos antigos.

O carbono-14 é continuamente formado pela ação da radiação cósmica na atmosfera terrestre. Essa radiação gera nêutrons (₀n¹) que reagem com o nitrogênio atômico existentes na atmosfera e assim produzem o carbono-14:

₀n¹ + ₇N¹⁴ → ₆C¹⁴ + ₁H¹

            Essa nova forma de carbono pode se combinar com o oxigênio atmosférico gerando ¹⁴CO₂ que em seguida migra para regiões mais próximas da superfície terrestre e assim pode ser incorporado pelas plantas fotossintetizantes no processo da fotossíntese. Desta forma, o C-14 se torna parte dos nossos corpos através da cadeia alimentar.

Urânio representa o elemento radioativo de maiores números de massa e atômico, sendo U-238 o mais abundante encontrado na natureza (99%), em sua maior parte no minério conhecido como pechblenda. O U-238 pode decair gerando tório (₉₀Th²³⁴) pela perda de uma partícula alfa e emissão de radiação gama (uma sequencia particular). Como a emissão de radiação gama não alteram o número de massa e atômico, geralmente é omitido na equação:

₉₂U²³⁸ → ₉₀Th²³⁴ + ₂α⁴

 

Tempo ou Período de Meia-Vida (t_1/2 ou p)

O tempo de meia-vida de um isótopo radioativo representa o tempo necessário para que exatamente metade de qualquer quantidade deste isótopo decaia. Cada isótopo possui um tempo específico de meia-vida, por exemplo, o iodo- 131 leva apenas oito dias para decair à metade. Isso significa dizer que se tivermos uma massa inicial de 50 g, passado oito dias, teremos 25 g restantes; mais oito dias e restarão 12,5 g e assim por diante.

Bibliografia

Snyder, Carl H. – The Extraordinary chemistry of ordinary thing, 3^th Edition – Wiley

Brown,T.L. et. al. – Chemistry: The Central Science, 10^th Edition – Pearson

Kotz, et. al. – Chemistry and Chemical Reactivity, 6^th Edition – Thomson

---

[1] Antoine Henri Becquerel (1852 – 1908), físico francês, professor da École Polytechnic – França;

[2] Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923), professor da Universidade de Munique – Alemanha, Prêmio Nobel em Física, 1901;

[3] Marie Sklodowska Curie (1867-1934), professora de física geral na Faculdade de Ciências, Sorbonne – Paris.

[4] Trítio é um dos components chaves da bomba de hidrogênio; a combinação de trítio com deutério (outro isótopo do elemento hidrogênio) em altas temperaturas provê uma força explosiva de uma das formas da bomba de hidrogênio.