Estrutura atômica

A radioatividade tem mais de um século, mas ainda trata câncer, alimenta redes e exige regras rigorosas de segurança. Esta referência cobre Física AQA GCSE 8463, tópico 4.4 Estrutura atômica.

Como o exame aborda este tópico:

• Papel 1 (4.1–4.4) aborda este tópico. O suporte da folha de equações depende da série de exames. Pratique notação, equações balanceadas, gráficos e explicações além de cálculos.
• Radiação ambiente, riscos de meia-vida, aplicações e fissão/fusão são apenas física.
• As razões de declínio da rede após várias meias-vidas são Nível Superior.
• Você deve escrever equações nucleares balanceadas para o decaimento alfa e beta simples (balanceie os números atômicos e de massa; a nomenclatura do filho não é necessária).

Um átomo é muito pequeno: raio de aproximadamente $1\times10^{-10}$ m. Sua estrutura:

• Núcleo: carregado positivamente, com prótons e nêutrons; a maior parte da massa do átomo, mas um raio menor que 1/10 000 do átomo.
• Elétrons: negativos, dispostos em níveis de energia. Absorver radiação eletromagnética move um elétron para um nível superior, mais longe do núcleo; emissão o move para um nível inferior, mais perto.

Notação: $\ ^{A}_{Z}X$ onde $Z$ = número atômico (prótons) e $A$ = número de massa (prótons + nêutrons). Em um átomo neutro, elétrons = prótons; átomos não têm carga líquida.

• Isótopos: átomos do mesmo elemento (mesmo $Z$) com diferentes números de nêutrons (diferente $A$).
• Nêutrons no núcleo = $A - Z$.
• Átomos que perdem um ou mais elétrons externos tornam-se íons positivos.

Exemplo resolvido. Carbono-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Prótons = 6; elétrons = 6 (neutro); nêutrons = $14 - 6 = 8$.
• Carbono-12 tem 6 nêutrons — mesmo elemento, diferentes nêutrons: isótopos.

Novas evidências experimentais podem alterar ou substituir um modelo científico:

1. Antes da descoberta do elétron: os átomos eram esferas minúsculas que não podiam ser divididas.
2. Elétron descoberto → o modelo de pudim de passas: uma bola de carga positiva com elétrons negativos embutidos nela.
3. Espalhamento alfa (Rutherford): a maioria das partículas alfa atravessou diretamente, algumas voltaram → a massa e a carga positiva devem estar concentradas em um centro pequeno → o modelo nuclear substituiu o modelo de pudim de passas.
4. Bohr adaptou: elétrons orbitam em distâncias específicas; seus cálculos concordaram com as observações.
5. Trabalhos posteriores mostraram que a carga positiva vem em unidades inteiras — o próton; os experimentos de Chadwick (cerca de 20 anos depois) provaram o nêutron.

Explique a evidência que mudou o modelo: se o pudim estivesse correto, todas as partículas alfa deveriam passar com pequenas deflexões (B1); algumas voltaram quase diretamente para trás (B1), o que só é possível se a massa e a carga positiva estiverem concentradas em um núcleo pequeno, denso e positivo (B1).

Alguns núcleos são instáveis. Emitem radiação ao mudar para se tornarem mais estáveis — um processo aleatório chamado decaimento radioativo.

• Atividade: taxa de decaimento de uma fonte; unidade becquerel (Bq).
• Taxa de contagem: detector conta por segundo, após permitir fundo quando necessário. Um detector geralmente registra apenas algumas emissões; sua taxa de contagem não é automaticamente a atividade da fonte em Bq.

Radiação	Identidade	Poder ionizante	Blindagem
alfa α	núcleo de hélio	forte	papel / pele
beta β	elétron rápido	médio	mm de alumínio
gama γ	Radiação EM	fraco	chumbo espesso reduz

A alfa contém dois prótons e dois nêutrons e percorre apenas alguns centímetros no ar. A beta é emitida quando um nêutron se transforma em um próton; seu alcance no ar é maior. A gama tem o maior alcance desses três e é atenuada, mas não totalmente bloqueada, por chumbo ou concreto espessos. Um núcleo também pode emitir um nêutron; as propriedades detalhadas dos nêutrons não são necessárias aqui.

Escolha uma fonte para uma aplicação correspondendo essas propriedades: alfa para detectores de fumaça (a fumaça reduz a corrente de ionização); beta para controle de espessura (parcialmente absorvida pela chapa); gama para traçadores (escapa do corpo) e esterilização (penetra embalagens e danifica microrganismos). Uma fonte selada reduz o risco de contaminação; isso não justifica ignorar os procedimentos de manipulação.

Atividade a partir de um gráfico. Em um gráfico do número de núcleos não desintegrados contra o tempo, trace uma tangente no tempo especificado. Sua inclinação descendente é a taxa de diminuição do número de núcleos; a atividade é a magnitude positiva, em Bq. Leia dois pontos amplamente separados na tangente, não dois pontos arbitrários na curva.

Exemplo resolvido (escrito pelo professor). A tangente aproximada passa por $(0\ \text{s},68000)$ e $(200\ \text{s},12000)$.

Esta é uma estimativa baseada em uma tangente desenhada. A AQA Junho 2024 8463/1H Q09.5 exige o mesmo método em seu próprio gráfico em 300 s; sua resposta oficial é $7.1\times10^{20}$ Bq. São gráficos e dados diferentes.

Equilibre os números de massa (topo) e os números atômicos (base) em ambos os lados:

• Decaimento alfa: o núcleo perde 4 do topo e 2 da base.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Decaimento beta: um nêutron vira um próton; número de massa inalterado, número atômico +1; a partícula beta é $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Emissão gama: não altera nenhum número.

Exemplo resolvido. O polônio-210 decai por emissão alfa. Escreva a equação.

• A emissão alfa remove 4 e 2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Verifique se ambas as linhas estão equilibradas ✓ (o nome do produto não é necessário).

O decaimento é aleatório: não pode ser previsto para um único núcleo; apenas o comportamento médio de muitos é previsível.

Meia-vida: o tempo para (a) o número de núcleos do isótopo em uma amostra ser reduzido à metade, ou (b) a taxa líquida de contagem / atividade cair para metade do nível inicial. Subtraia primeiro o fundo da radiação das leituras do detector e mantenha a geometria do detector inalterada.

• A partir de um gráfico: leia o tempo para a taxa de contagem cair pela metade — repita várias vezes e faça a média.
• Após $n$ meias-vidas, a fração restante é $1/2^n$ (HT: expresse como uma razão).

Exemplo resolvido. A atividade de uma amostra cai de 800 Bq para 200 Bq em 12 anos.

• Metades: $800 \to 400 \to 200$ equivale a duas metades.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Demanda real da AQA, Junho 2025 8463/1H Q07.4: polônio-210 tem vida média de 138 dias. O número de átomos cai de 256 000 para 16 000: quatro meias-vidas, logo o tempo é $4 \times 138 = 552$ dias. Q07.5 compara números iguais de átomos Po-209 e Po-210: o Po-209 de maior vida útil tem menor atividade. A condição de população igual importa.

• Contaminação: átomos radioativos indesejados em cima ou dentro de um objeto ou pessoa. O perigo persiste enquanto os átomos estiverem lá, decaindo sobre ou no corpo.
• Irradiação: expor um objeto à radiação. O objeto irradiado não se torna radioativo.

A contaminação pode continuar irradiando tecidos enquanto os átomos radioativos permanecerem. A exposição de uma fonte externa termina quando essa fonte é removida ou efetivamente blindada. Compare a atividade da fonte, tipo de radiação, distância, tempo de exposição e se o material está dentro do corpo; a contaminação nem sempre representa a dose maior. A alfa externa tem baixa penetração e é bloqueada pela pele, mas internamente, sua forte ionização pode danificar tecidos vivos próximos.

Precauções: segure fontes com pinças, mantenha-as à distância, limite o tempo próximo a elas, aponte-as para longe das pessoas, armazene em caixas forradas de chumbo. Os estudos sobre efeitos da radiação são publicados e revisados por pares para que possam ser verificados.

Radiação de fundo está ao nosso redor o tempo todo:

• natural: rochas (gás radon), raios cósmicos do espaço, alimentos e isótopos naturalmente ocorrentes no corpo;
• artificial: resíduos de testes de armas, acidentes nucleares, usos médicos.

A dose depende da ocupação e localização (altitude elevada, certas indústrias). Unidade de dose: sieverts (1000 mSv = 1 Sv; recordatório não exigido).

As medições de uma amostra devem subtrair a taxa de fundo primeiro.

Meia-vida e perigo: para números iguais de núcleos instáveis, uma meia-vida mais curta significa maior atividade. A quantidade e as condições de exposição também importam. Uma fonte de longa vida pode exigir armazenamento seguro por muitos anos. Um traçador médico deve permanecer ativo o suficiente para a investigação, depois decair rapidamente para reduzir a dose subsequente. Uma fonte de detector de fumaça deve permanecer útil por anos.

Usos médicos (cada um = exploração ou destruição):

• Exploração: um traçador emissor de gama (ex.: tecnécio-99m) injetado para que órgãos apareçam em uma tomografia; o gama escapa do corpo; uma meia-vida adequada limita a dose após a tomografia.
• Destruição: feixes focados de raios gama ou fontes implantadas matam células cancerígenas (radioterapia); beta para condições de pele.

Avaliando riscos: compare a dose e as consequências do procedimento contra o risco da doença — com números da questão.

Fissão: a divisão de um núcleo grande e instável (uranium-235, plutônio-239).

• A fissão espontânea é rara: o núcleo geralmente absorve um nêutron primeiro.
• Ele se divide em dois núcleos menores de tamanho aproximadamente igual, liberando dois ou três nêutrons e raios gama; energia é liberada e todos os produtos carregam energia cinética.
• Os nêutrons liberados podem causar mais fissões — uma reação em cadeia. Um reator a controla (barras de controle absorvem nêutrons); a explosão de uma arma é uma reação em cadeia descontrolada.
• Você deve desenhar ou interpretar o diagrama: nêutron entra → dois fragmentos + nêutrons saem → ramificação em cadeia.

Fusão nuclear: dois núcleos leves se unem para formar um núcleo mais pesado; parte da massa converte-se na energia da radiação. Para se unirem, os núcleos positivos devem aproximar-se apesar de sua repulsão elétrica. Não descreva a fusão como ligação química nem afirme que todo sistema de fusão é livre de resíduos.

• Encontre prótons, nêutrons e elétrons a partir de $A,Z$; identifique isótopos e íons.
• Explique como evidências experimentais alteraram os modelos atômicos.
• Compare propriedades α/β/γ e selecione fontes adequadas para uma aplicação.
• Equacione alfa/beta simples e verifique ambas as linhas.
• Encontrar meia-vida e declínio líquido (HT); determinar atividade a partir de uma tangente.
• Subtrair o fundo; distinguir contagens do detector da atividade da fonte.
• Comparar riscos de irradiação/contaminação e precauções.
• (física apenas) Explicar fundo, usos médicos, escolha de meia-vida e fissão/fusão.

Erros comuns

• Inverter número de massa e atômico. O número superior é prótons + nêutrons; o inferior é prótons; nêutrons = superior − inferior.
• Alterar o número de massa no decaimento beta. Um nêutron vira próton e um elétron sai do núcleo: o número atômico aumenta em 1, o número de massa permanece igual.
• Pensar que dois meias-vidas eliminam toda a amostra. Após duas meias-vidas resta $\tfrac14$; após três, $\tfrac18$.
• Ler meia-vida sem subtrair o fundo. Corrija cada contagem primeiro, senão a atividade parece cair muito lentamente.
• Dizer que um objeto irradiado torna-se radioativo. Apenas contaminação deposita átomos radioativos sobre ou dentro dele.
• Chamar gama a radiação mais perigosa em todos os casos. Gama penetra mais mas ioniza menos; alfa dentro do corpo é o mais nocivo.
• Confundir fissão e fusão. Fissão divide um núcleo grande (urânio, plutônio); fusão une núcleos leves (hidrogênio em estrelas).