Radioatividade é a emissão de radiação por núcleos instáveis. Essa radiação pode existir na forma de partículas subatômicas (principalmente partículas alfa e beta) ou na forma de energia (principalmente raios gama).
A radioatividade foi descoberta acidentalmente em 1896 pelo físico francês Henri Becquerel (1852-1908). Nas décadas que se seguiram à descoberta de Becquerel, a investigação sobre radioactividade produziu avanços revolucionários na nossa compreensão da natureza da matéria e levou a uma série de importantes aplicações práticas. Estas aplicações incluem uma série de novos dispositivos e técnicas que vão desde armas nucleares e centrais nucleares até técnicas médicas que podem ser usadas para diagnosticar e tratar doenças graves.
Núcleos estáveis e instáveis
O núcleo de todos os átomos (com excepção do hidrogénio) contém um ou mais prótons e um ou mais neutrões. O núcleo da maioria dos átomos de carbono, por exemplo, contém seis prótons e seis nêutrons. Na maioria dos casos, os núcleos dos átomos são estáveis, ou seja, não sofrem alterações por si mesmos. Um núcleo de carbono parecerá exatamente o mesmo daqui a cem anos (ou daqui a um milhão de anos) que hoje.
Mas alguns núcleos são instáveis. Um núcleo instável é aquele que sofre alguma mudança interna espontaneamente. Nesta mudança, o núcleo emite uma partícula subatômica, ou um estouro de energia, ou ambos. Como exemplo, um isótopo de carbono, o carbono-14, tem um núcleo composto por seis prótons e oito (ao invés de seis) nêutrons. Diz-se que um núcleo que emite uma partícula ou energia sofre um decaimento radioativo, ou apenas decaimento.
Palavras a Conhecer
Partícula Alfa: O núcleo de um átomo de hélio, composto por dois prótons e dois nêutrons.
Partícula Beta: Um electrão emitido por um núcleo atómico.
Raio Gama: Uma forma de radiação electromagnética de alta energia.
Isótopos: Duas ou mais formas de um elemento com o mesmo número de prótons mas diferentes números de neutrões nos seus núcleos atómicos.
Núcleo (atómico): O núcleo de um átomo, geralmente constituído por um ou mais prótons e nêutrons.
Decadência radioactiva: O processo pelo qual um núcleo atômico emite radiação e se transforma em um novo núcleo.
Família radioactiva: Um grupo de isótopos radioactivos em que a decadência de um isótopo leva à formação de outro isótopo radioactivo.
Núcleo estável: Um núcleo atómico que não sofre quaisquer alterações espontâneas.
Partícula subatómica: Unidade básica de matéria e energia (protão, neutron, electrão, neutrino e positron) menor que um átomo.
Núcleo instável: Um núcleo atómico que sofre alguma alteração interna espontaneamente.
Os cientistas não são totalmente claros quanto ao que torna um núcleo instável. Parece que alguns núcleos contêm um número excessivo de prótons ou nêutrons ou uma quantidade excessiva de energia. Estes núcleos restauram o que para eles deve ser um equilíbrio adequado de prótons, nêutrons e energia ao emitir uma partícula subatômica ou um estouro de energia.
Neste processo, o núcleo muda a sua composição e pode na verdade tornar-se um núcleo completamente diferente. Por exemplo, na sua tentativa de alcançar estabilidade, um núcleo de carbono 14 emite uma partícula beta. Após o núcleo do carbono-14 ter perdido a partícula beta, ele consiste em sete prótons e sete nêutrons. Mas um núcleo composto por sete prótons e sete nêutrons não é mais um núcleo de carbono. É agora o núcleo de um átomo de nitrogênio. Ao emitir uma partícula beta, o átomo de carbono 14 transformou-se num átomo de nitrogénio.
Tipos de radiação
As formas de radiação mais comumente emitidas por um núcleo radioativo são chamadas partículas alfa, partículas beta, e raios gama. Uma partícula alfa é o núcleo de um átomo de hélio. Ela consiste de dois prótons e dois nêutrons. Considere o caso de um átomo de rádio-226. O núcleo de um átomo de rádio-226 é composto por 88 prótons e 138 nêutrons. Se esse núcleo emitir uma partícula alfa, ele deve perder os dois prótons e dois nêutrons dos quais a partícula alfa é feita. Após a emissão da partícula alfa, o núcleo restante contém apenas 86 prótons (88 – 2) e 136 nêutrons (138 – 2). Este núcleo é o núcleo de um átomo de rádon, não de um átomo de rádon. Ao emitir uma partícula alfa, o átomo de rádio-226 transformou-se num átomo de rádon.
A emissão de partículas beta dos núcleos foi uma fonte de confusão para os cientistas durante muitos anos. Uma partícula beta é um electrão. O problema é que os elétrons não existem nos núcleos dos átomos. Eles podem ser encontrados fora do núcleo, mas não dentro dele. Como é possível, então, que um núcleo instável dê origem a uma partícula beta (electrão)?
A resposta é que a partícula beta é produzida quando um nêutron dentro do núcleo atômico se rompe para formar um próton e um elétron:
neutrón → protão + electrão
Relembre que um próton transporta uma única carga positiva e o electrão uma única carga negativa. Isso significa que um nêutron, que não carrega nenhuma carga elétrica, pode se separar para formar duas novas partículas (um próton e um elétron) cujas cargas elétricas se somam para fazer zero.
Pense novamente no exemplo do carbono-14, mencionado anteriormente. Um núcleo de carbono-14 se decompõe ao emitir uma partícula beta. Isso significa que um nêutron no núcleo do carbono-14 se rompe para formar um próton e um elétron. O elétron é emitido como um raio beta e o próton permanece para trás no núcleo. O novo núcleo contém sete prótons (seus seis originais mais um novo próton) e sete nêutrons (seus oito originais reduzidos pela quebra de um).
A perda de uma partícula alfa ou de uma partícula beta de um núcleo instável é frequentemente acompanhada pela perda de um raio gama. Um raio gama é uma forma de radiação de alta energia. É semelhante a um raio X, mas de energia um pouco maior. Alguns núcleos instáveis podem decompor-se apenas pela emissão de raios gama. Quando eles perderam a energia levada pelos raios gama, eles se tornam estáveis.
Radioactividade natural e sintética
Muitos elementos radioactivos ocorrem na natureza. Na verdade, todos os elementos mais pesados que o bismuto (número atómico 83) são radioactivos. Eles não possuem isótopos estáveis.
O mais pesado dos elementos radioactivos está envolvido em sequências conhecidas como famílias radioactivas. Uma família radioativa é um grupo de elementos em que a decomposição de um elemento radioativo produz outro elemento que também é radioativo. Como exemplo, o isótopo pai de uma família radioativa é o urânio-238. Quando o urânio-238 se decompõe, ele forma o tório-234. Mas o tório-234 também é radioativo. Quando se decompõe, forma protactínio-234. O protactínio-234, por sua vez, também é radioativo e decai para formar o urânio-234. O processo continua por mais onze passos. Finalmente, o isótopo polônio-210 decai para formar o chumbo-206, que é estável.
Muitos elementos mais leves também têm isótopos radioativos. Alguns exemplos incluem hidrogênio-3, carbono-14, potássio-40, e telúrio-123.
Os isótopos radioativos também podem ser feitos artificialmente. O processo usual é bombardear um núcleo estável com prótons, nêutrons, partículas alfa, ou outras partículas subatômicas. O processo de bombardeamento pode ser realizado com aceleradores de partículas (atom-smashers) ou em reatores nucleares. Quando uma das partículas bombardeadas (balas) atinge um núcleo estável, pode fazer com que esse núcleo se torne instável e, portanto, se torne radioativo.