O núcleo em ação
Alguns núcleos são instáveis: emitem radiação aleatoriamente, decaem por meias-vidas e — em reatores e estrelas — liberam energia dividindo-se ou fundindo-se. Esta seção cobre notação atômica, as três radiações ionizantes com seus poderes de penetração, cálculos de meia-vida, a reação em cadeia de fissão e por que a fusão ilumina as estrelas, mas não nossas usinas.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Seção 7 (enunciados 7.1–7.26). Unidades: becquerel (Bq), com tempo em s, min ou h.
Radioatividade
Um átomo mantém prótons e nêutrons em um núcleo; a notação $^{A}_{Z}X$ indica número de massa (nucleônico) A e número atômico (de prótons) Z. Isótopos compartilham Z, mas diferem em nêutrons.
Núcleos instáveis emitem — aleatoriamente — alfa α (núcleo de hélio, $^4_2$He), beta-minus β⁻ (um elétron, criado quando um nêutron se transforma em próton) e gama γ (onda eletromagnética de alta energia, sem partículas). Balanceamento: tanto o número de massa quanto a carga são conservados.
Verificação resolvida. Carbono-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A permanece 14; carga 6 = 7 + (−1) ✓. Radon: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
| Radiação | Natureza | Ionizante | Alcance no ar |
|---|---|---|---|
| alfa | 2 p + 2 n | mais forte | alguns cm |
| beta | elétron rápido | médio | dezenas de cm |
| gama | onda EM | mais fraco | metros |
Detecção: filme fotográfico (crachá) ou um tubo Geiger–Müller. A radiação de fundo provém de rochas e raios cósmicos (espaço), alimentos, usos médicos e resíduos nucleares.
Atividade (em becquerels; 1 Bq = 1 desintegração/s) diminui gradualmente: a meia-vida é o tempo para metade dos núcleos indesejados decair. Exemplo resolvido. 800 Bq com meia-vida 6 h: após 24 h (4 meias-vidas) a atividade é $= 800/2^4 = 50$ Bq.
Usos: traçadores médicos (meia-vida curta, gama), tratamento do câncer, esterilização, controle de espessura (beta através do papel). Contaminação (material radioativo sobre você — deve ser removido) difere de irradiação (exposição à radiação — cessa quando a fonte se afasta). Perigos: mutação do DNA, dano celular e tecidual; resíduos radioativos devem ser armazenados com segurança por suas longas meias-vidas.
Fissão e fusão
Dividir um núcleo grande ou unir dois pequenos — ambos liberam energia e alimentam máquinas diferentes.
Fissão: um nêutron atinge U-235, dividindo-o em dois núcleos filhos radioativos, 2–3 nêutrons e energia cinética — e se esses nêutrons atingirem mais U-235, uma reação em cadeia ocorre. O moderador desacelera os nêutrons para dividir núcleos eficientemente; as barras de controle absorvem nêutrons para manter a taxa estável; o blindagem protege os trabalhadores. Fusão une núcleos pequenos em um maior, convertendo massa em energia — fonte do Sol. Fusão exige enorme temperatura e pressão porque prótons com carga positiva se repelem eletrostaticamente; os núcleos devem colidir rapidamente para superar essa repulsão.
Verifique você mesmo
- Em $^{19}_{9}F$, indique os números de prótons, nêutrons e elétrons no átomo neutro.
- Nomeie as três radiações ionizantes e suas naturezas.
- Escreva a equação completa para o decaimento alfa de $^{226}_{88}Ra$.
- Qual radiação é bloqueada pelo papel e qual atravessa o alumínio?
- Cite duas fontes de radiação de fundo.
- Defina meia-vida.
- Uma fonte com atividade de 3200 Bq tem período de meia-vida de 8 dias. Encontre sua atividade após 32 dias.
- Explique a diferença entre contaminação e irradiação.
- Cite as funções do moderador, barras de controle e blindagem em um reator.
- Por que a fusão exige temperaturas tão elevadas?
Respostas: 1 9 prótons, 10 nêutrons, 9 elétrons; 2 alfa — núcleo de hélio (2p+2n); beta-negativo — elétron rápido; gama — onda eletromagnética de alta energia; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 alfa detido por papel; gama atravessa alumínio (precisa chumbo espesso); 5 quaisquer dois: rochas/materiais de construção, raios cósmicos, alimentos/bebidas, médico, gás radônio, resíduos nucleares; 6 o tempo necessário para metade dos núcleos não desintegrados (ou da atividade) decair; 7 32 dias = 4 meias-vidas: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 contaminação — material radioativo aderido ao corpo, o risco persiste até ser removido; irradiação — exposição à radiação de uma fonte, cessa quando a fonte é removida; 9 moderador desacelera nêutrons para fissão eficiente; barras de controle absorvem nêutrons para regular a taxa; blindagem absorve radiação emitida para proteger os trabalhadores; 10 os prótons com carga positiva de dois núcleos se repelem eletrostaticamente, portanto os núcleos devem colidir a velocidades enormes — alcançadas apenas em temperatura e pressão muito altas — para se aproximarem o suficiente para fundir.