Decaimento radioativo

Da Wikipédia, a enciclopédia livre
Ir para navegação Pular para pesquisar

O decaimento alfa é um tipo de decaimento radioativo, no qual um núcleo atômico emite uma partícula alfa e, portanto, se transforma (ou "decai") em um átomo com um número de massa diminuído em 4 e o número atômico diminuído em 2.

A decadência radioativa (também conhecida como decadência nuclear , radioatividade , desintegração radioativa ou desintegração nuclear ) é o processo pelo qual um núcleo atômico instável perde energia por radiação . Um material contendo núcleos instáveis ​​é considerado radioativo . Três dos tipos mais comuns de decaimento são o decaimento alfa ( decaimento 𝛼 ), decaimento beta ( decaimento 𝛽 ) e decaimento gama ( decaimento 𝛾 ), todos envolvendo a emissão de uma ou mais partículas . A força fracaé o mecanismo responsável pelo decaimento beta, enquanto os outros dois são governados pelas forças eletromagnéticas e fortes usuais. [1]

O decaimento radioativo é um processo estocástico (ou seja, aleatório) no nível de átomos individuais. De acordo com a teoria quântica , é impossível prever quando um átomo particular irá decair, independentemente de quanto tempo o átomo existe. [2] [3] [4] No entanto, para um número significativo de átomos idênticos, a taxa de decaimento geral pode ser expressa como uma constante de decaimento ou meia-vida . As meias-vidas dos átomos radioativos têm um grande alcance; de quase instantâneo a muito mais tempo do que a idade do universo .

O núcleo em decomposição é chamado de radionuclídeo pai (ou radioisótopo pai [nota 1] ), e o processo produz pelo menos um nuclídeo filho . Exceto pelo decaimento gama ou conversão interna de um estado de excitação nuclear , o decaimento é uma transmutação nuclear resultando em uma filha contendo um número diferente de prótons ou nêutrons (ou ambos). Quando o número de prótons muda, um átomo de um elemento químico diferente é criado.

  • O decaimento alfa ocorre quando o núcleo ejeta uma partícula alfa (núcleo de hélio).
  • A decadência beta ocorre de duas maneiras;
    • (i) decaimento beta-menos, quando o núcleo emite um elétron e um antineutrino em um processo que transforma um nêutron em um próton.
    • (ii) decaimento beta-plus, quando o núcleo emite um pósitron e um neutrino em um processo que transforma um próton em um nêutron, também conhecido como emissão de pósitron .
  • No decaimento gama, um núcleo radioativo decai primeiro pela emissão de uma partícula alfa ou beta. O núcleo filho resultante geralmente é deixado em um estado excitado e pode decair para um estado de energia inferior ao emitir um fóton de raios gama.
  • Na emissão de nêutrons , núcleos extremamente ricos em nêutrons, formados devido a outros tipos de decaimento ou após muitas capturas sucessivas de nêutrons , ocasionalmente perdem energia por meio da emissão de nêutrons, resultando na mudança de um isótopo para outro do mesmo elemento.
  • Na captura de elétrons , o núcleo pode capturar um elétron em órbita, fazendo com que um próton se converta em um nêutron em um processo denominado captura de elétrons. Um neutrino e um raio gama são subsequentemente emitidos.
  • No decaimento do cluster e na fissão nuclear , um núcleo mais pesado do que uma partícula alfa é emitido.

Em contraste, existem processos de decaimento radioativo que não resultam em uma transmutação nuclear. A energia de um núcleo excitado pode ser emitida como um raio gama em um processo denominado decaimento gama , ou essa energia pode ser perdida quando o núcleo interage com um elétron orbital causando sua ejeção do átomo, em um processo denominado conversão interna . Outro tipo de decaimento radioativo resulta em produtos que variam, aparecendo como dois ou mais "fragmentos" do núcleo original com uma gama de massas possíveis. Esta decadência, chamada de fissão espontânea, acontece quando um grande núcleo instável se divide espontaneamente em dois (ou ocasionalmente três) núcleos filhos menores e geralmente leva à emissão de raios gama, nêutrons ou outras partículas desses produtos. Em contraste, os produtos de decaimento de um núcleo com spin podem ser distribuídos não isotropicamente em relação a essa direção de spin. Por causa de uma influência externa, como um campo eletromagnético , ou porque o núcleo foi produzido em um processo dinâmico que restringiu a direção de seu spin, a anisotropia pode ser detectável. Esse processo original pode ser uma decadência anterior ou uma reação nuclear . [5] [6] [7] [nota 2]

Para obter uma tabela de resumo mostrando o número de nuclídeos estáveis ​​e radioativos em cada categoria, consulte radionuclídeo . Existem 28 elementos químicos naturais na Terra que são radioativos, consistindo em 34 radionuclídeos (6 elementos têm 2 radionuclídeos diferentes) que datam antes da época de formação do Sistema Solar . Esses 34 são conhecidos como nuclídeos primordiais . Exemplos bem conhecidos são o urânio e o tório , mas também estão incluídos os radioisótopos de vida longa que ocorrem naturalmente, como o potássio-40 .

Outros 50 ou mais radionuclídeos de vida mais curta, como o rádio-226 e o radônio-222 , encontrados na Terra, são produtos de cadeias de decaimento que começaram com os nuclídeos primordiais ou são produtos de processos cosmogênicos em andamento , como a produção de carbono-14 de nitrogênio-14 na atmosfera por raios cósmicos . Os radionuclídeos também podem ser produzidos artificialmente em aceleradores de partículas ou reatores nucleares , resultando em 650 deles com meia-vida de mais de uma hora, e vários milhares mais com meia-vida ainda mais curta. (Ver lista de nuclídeos para obter uma lista destes classificados por meia-vida.)

História da descoberta

Pierre e Marie Curie em seu laboratório em Paris, antes de 1907

A radioatividade foi descoberta em 1896 pelos cientistas Henri Becquerel e Marie Curie , enquanto trabalhavam com materiais fosforescentes . [8] [9] [10] [11] [12] Esses materiais brilham no escuro após a exposição à luz, e ele suspeitou que o brilho produzido nos tubos catódicos pelos raios X poderia estar associado à fosforescência. Ele embrulhou uma chapa fotográfica em papel preto e colocou vários sais fosforescentes sobre ela. Todos os resultados foram negativos até que ele usou urâniosais. Os sais de urânio causaram o escurecimento da placa, apesar de a placa ser embrulhada em papel preto. Essas radiações receberam o nome de "Raios de Becquerel".

Logo ficou claro que o escurecimento da placa nada tinha a ver com fosforescência, pois o escurecimento também era produzido por sais não fosforescentes de urânio e por urânio metálico. Tornou-se claro a partir desses experimentos que havia uma forma de radiação invisível que poderia passar pelo papel e estava fazendo com que a placa reagisse como se estivesse exposta à luz.

No início, parecia que a nova radiação era semelhante aos raios-X recentemente descobertos. Pesquisas posteriores de Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie e outros mostraram que essa forma de radioatividade era significativamente mais complicada. Rutherford foi o primeiro a perceber que todos esses elementos decaem de acordo com a mesma fórmula exponencial matemática. Rutherford e seu aluno Frederick Soddy foram os primeiros a perceber que muitos processos de decadência resultaram na transmutação de um elemento para outro. Posteriormente, a lei de deslocamento radioativo de Fajans e Soddyfoi formulado para descrever os produtos do decaimento alfa e beta . [13] [14]

Os primeiros pesquisadores também descobriram que muitos outros elementos químicos , além do urânio, têm isótopos radioativos . Uma busca sistemática pela radioatividade total em minérios de urânio também guiou Pierre e Marie Curie a isolar dois novos elementos: polônio e rádio . Exceto pela radioatividade do rádio, a semelhança química do rádio com o bário tornava esses dois elementos difíceis de distinguir.

O estudo da radioatividade de Marie e Pierre Curie é um fator importante na ciência e na medicina. Depois que suas pesquisas sobre os raios de Becquerel os levaram à descoberta do rádio e do polônio, eles cunharam o termo "radioatividade" [15] para definir a emissão de radiação ionizante por alguns elementos pesados. [16] (Mais tarde, o termo foi generalizado para todos os elementos.) Suas pesquisas sobre os raios penetrantes no urânio e a descoberta do rádio deram início a uma era de uso do rádio para o tratamento do câncer. A exploração do rádio pode ser vista como o primeiro uso pacífico da energia nuclear e o início da medicina nuclear moderna . [15]

Perigos de saúde cedo

Tirando uma imagem de raio-X com os primeiros aparelhos de tubo de Crookes em 1896. O tubo de Crookes é visível no centro. O homem de pé está vendo sua mão com uma tela de fluoroscópio ; esta era uma maneira comum de configurar o tubo. Nenhuma precaução contra a exposição à radiação está sendo tomada; seus perigos não eram conhecidos na época.

Os perigos da radiação ionizante devido à radioatividade e aos raios X não foram imediatamente reconhecidos.

Os raios X

A descoberta dos raios X por Wilhelm Röntgen em 1895 levou a uma ampla experimentação por cientistas, médicos e inventores. Muitas pessoas começaram a contar histórias de queimaduras, queda de cabelo e coisas piores em jornais técnicos já em 1896. Em fevereiro daquele ano, o professor Daniel e o Dr. Dudley, da Universidade de Vanderbilt, realizaram um experimento envolvendo raios-X na cabeça de Duda que resultou em sua queda de cabelo . Um relatório do Dr. HD Hawks, sobre suas graves queimaduras nas mãos e no peito em uma demonstração de raios-X, foi o primeiro de muitos outros relatórios na Electrical Review . [17]

Outros experimentadores, incluindo Elihu Thomson e Nikola Tesla , também relataram queimaduras. Thomson expôs deliberadamente um dedo a um tubo de raios-X durante um período de tempo e sofreu dor, inchaço e bolhas. [18] Outros efeitos, incluindo raios ultravioleta e ozônio, às vezes eram culpados pelos danos, [19] e muitos médicos ainda afirmavam que não havia nenhum efeito da exposição aos raios-X. [18]

Apesar disso, houve algumas primeiras investigações sistemáticas de risco e, já em 1902, William Herbert Rollins escreveu quase desesperadamente que seus avisos sobre os perigos envolvidos no uso descuidado de raios X não estavam sendo ouvidos, nem pela indústria nem por seus colegas. Por esta altura, Rollins provou que os raios X podem matar animais experimentais, podem fazer com que uma cobaia grávida aborte e que podem matar um feto. [20] [ fonte autopublicada? ] Ele salientou também que "os animais variar na susceptibilidade para a acção externa de X-luz" e avisado que estas diferenças ser considerado quando os pacientes foram tratados por meio de raios-X.

Substâncias radioactivas

A radioatividade é característica de elementos com grandes números atômicos. Elementos com pelo menos um isótopo estável são mostrados em azul claro. O verde mostra elementos cujo isótopo mais estável tem meia-vida medida em milhões de anos. Amarelo e laranja são progressivamente menos estáveis, com meia-vida em milhares ou centenas de anos, chegando a um dia. O vermelho e o roxo mostram elementos altamente e extremamente radioativos, onde os isótopos mais estáveis ​​exibem meias-vidas medidas na ordem de um dia e muito menos.

No entanto, os efeitos biológicos da radiação devido a substâncias radioativas eram menos fáceis de avaliar. Isso deu a oportunidade para muitos médicos e empresas comercializarem substâncias radioativas como medicamentos patenteados . Os exemplos eram tratamentos com enema de rádio e águas contendo rádio para serem bebidas como tônicas. Marie Curie protestou contra esse tipo de tratamento, alertando que os efeitos da radiação no corpo humano não eram bem compreendidos. [ carece de fontes? ] Curie morreu mais tarde de anemia aplástica, provavelmente causado pela exposição à radiação ionizante. Na década de 1930, após uma série de casos de necrose óssea e morte de entusiastas do tratamento com rádio, os medicamentos contendo rádio foram em grande parte retirados do mercado ( charlatanismo radioativo ).

Protecção contra as radiações

Apenas um ano após a descoberta de Röntgen dos raios X, o engenheiro americano Wolfram Fuchs (1896) deu o que é provavelmente o primeiro conselho de proteção, mas não foi até 1925 que o primeiro Congresso Internacional de Radiologia (ICR) foi realizado e considerado estabelecer padrões internacionais de proteção. Os efeitos da radiação nos genes, incluindo o efeito do risco de câncer, foram reconhecidos muito mais tarde. Em 1927, Hermann Joseph Muller publicou pesquisas mostrando efeitos genéticos e, em 1946, recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina por suas descobertas.

O segundo ICR foi realizado em Estocolmo em 1928 e propôs a adoção da unidade röntgen , e o Comitê Internacional de Raios-X e Proteção de Rádio (IXRPC) foi formado. Rolf Sievert foi nomeado presidente, mas a força motriz foi George Kaye, do British National Physical Laboratory . O comitê se reuniu em 1931, 1934 e 1937.

Após a Segunda Guerra Mundial , o aumento do alcance e da quantidade de substâncias radioativas manipuladas como resultado de programas nucleares militares e civis levou a que grandes grupos de trabalhadores ocupacionais e o público fossem potencialmente expostos a níveis prejudiciais de radiação ionizante. Isso foi considerado no primeiro ICR pós-guerra convocado em Londres em 1950, quando a atual Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) nasceu. [21] Desde então, a ICRP desenvolveu o atual sistema internacional de proteção contra radiação, cobrindo todos os aspectos do risco de radiação.

Em 2020, Hauptmann e outros 15 pesquisadores internacionais de oito nações, entre os quais: Institutos de Bioestatística, Registro de Pesquisa, Centros de Epidemiologia do Câncer, Epidemiologia da Radiação e também o Instituto Nacional do Câncer dos EUA (NCI), Agência Internacional de Pesquisa do Câncer (IARC ) e a Radiation Effects Research Foundation de Hiroshima estudaram definitivamente por meio de meta-análise os danos resultantes das "baixas doses" que afligiram as populações de sobreviventes das explosões das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki e também em inúmeros acidentes de usinas nucleares que ocorreram no mundo. Esses cientistas relataram, em Monografias JNCI: Estudos Epidemiológicos de Radiação Ionizante de Baixa Dose e Risco de Câncer,que os novos estudos epidemiológicos apóiam diretamente os riscos excessivos de câncer da radiação ionizante de baixa dosagem.[22] Em 2021, o pesquisador italiano Venturi relatou as primeiras correlações entre o rádio-césio e o câncer pancreático com o papel do césio na biologia e na pancreatite e no diabetes de origem pancreática. [23]

Unidades

Gráfico mostrando as relações entre a radioatividade e a radiação ionizante detectada

A unidade de atividade radioativa do Sistema Internacional de Unidades (SI) é o becquerel (Bq), batizado em homenagem ao cientista Henri Becquerel . Um Bq é definido como uma transformação (ou decadência ou desintegração) por segundo.

Uma unidade mais antiga de radioatividade é o curie , Ci, que foi originalmente definida como "a quantidade ou massa da emanação de rádio em equilíbrio com um grama de rádio (elemento)". [24] Hoje, o curie é definido como3,7 × 10 10 desintegrações por segundo, de modo que 1  curie (Ci) =3,7 × 10 10  Bq . Para fins de proteção radiológica, embora a Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos permita o uso da unidade curie junto com as unidades SI, [25] as unidades de unidades de medida da União Européia exigem que seu uso para "fins de saúde pública ..." seja eliminado gradualmente em 31 de dezembro de 1985. [26]

Os efeitos da radiação ionizante são freqüentemente medidos em unidades de cinza para mecânica ou peneirada para danos ao tecido.

Tipos

Partículas alfa podem ser completamente interrompidas por uma folha de papel, partículas beta por blindagem de alumínio. Os raios gama só podem ser reduzidos por uma massa muito mais substancial, como uma camada muito espessa de chumbo .
Esquema de decaimento de 137 Cs mostrando meias-vidas, nuclídeos filhos e tipos e proporção de radiação emitida

Os primeiros pesquisadores descobriram que um campo elétrico ou magnético poderia dividir as emissões radioativas em três tipos de feixes. Os raios receberam os nomes alfa , beta e gama , em ordem crescente de sua capacidade de penetrar na matéria. A decadência alfa é observada apenas em elementos mais pesados ​​de número atômico 52 ( telúrio ) e maiores, com exceção do berílio-8 (que decai em duas partículas alfa). Os outros dois tipos de decadência são observados em todos os elementos. Chumbo, número atômico82, é o elemento mais pesado para ter qualquer isótopo estável (até o limite da medição) ao decaimento radioativo. O decaimento radioativo é visto em todos os isótopos de todos os elementos de número atômico 83 ( bismuto ) ou maior. O bismuto-209 , entretanto, é apenas ligeiramente radioativo, com meia-vida maior que a idade do universo; radioisótopos com meias-vidas extremamente longas são considerados efetivamente estáveis ​​para fins práticos.

Diagrama de transição para os modos de decaimento de um radionuclídeo , com número de nêutrons N e número atômico Z (mostrado são emissões α , β ± , p + e n 0 , EC denota captura de elétrons ).
Tipos de decaimento radioativo relacionados aos números de nêutrons e prótons

Ao analisar a natureza dos produtos de decaimento, era óbvio, pela direção das forças eletromagnéticas aplicadas às radiações por campos magnéticos e elétricos externos, que as partículas alfa carregavam uma carga positiva, as partículas beta carregavam uma carga negativa e os raios gama eram neutros. Pela magnitude da deflexão, ficou claro que as partículas alfa eram muito mais massivas do que as partículas beta . Passar partículas alfa por uma janela de vidro muito fina e prendê-las em um tubo de descarga permitiu aos pesquisadores estudar o espectro de emissão das partículas capturadas e, finalmente, provar que as partículas alfa sãonúcleos de hélio . Outros experimentos mostraram que a radiação beta, resultante do decaimento e dos raios catódicos , eram elétrons de alta velocidade . Da mesma forma, a radiação gama e os raios X foram considerados radiação eletromagnética de alta energia .

A relação entre os tipos de decaimento também começou a ser examinada: por exemplo, o decaimento gama quase sempre estava associado a outros tipos de decaimento e ocorria quase ao mesmo tempo ou depois. O decaimento gama como um fenômeno separado, com sua própria meia-vida (agora denominado transição isomérica ), foi encontrado na radioatividade natural como um resultado do decaimento gama de isômeros nucleares metaestáveis ​​excitados , que por sua vez foram criados a partir de outros tipos de decaimento.

Embora as radiações alfa, beta e gama fossem mais comumente encontradas, outros tipos de emissão foram eventualmente descobertos. Logo após a descoberta do pósitron em produtos de raios cósmicos, percebeu-se que o mesmo processo que opera no decaimento beta clássico também pode produzir pósitrons ( emissão de pósitrons ), junto com os neutrinos (o decaimento beta clássico produz antineutrinos). Em um processo análogo mais comum, chamado de captura de elétrons , alguns nuclídeos ricos em prótons capturaram seus próprios elétrons atômicos em vez de emitir pósitrons e, subsequentemente, esses nuclídeos emitem apenas um neutrino e um raio gama do núcleo excitado (e muitas vezes também Elétrons Auger eraios X característicos , como resultado da reordenação dos elétrons para preencher o lugar do elétron capturado ausente). Esses tipos de decaimento envolvem a captura nuclear de elétrons ou a emissão de elétrons ou pósitrons e, portanto, atuam para mover um núcleo em direção à proporção de nêutrons para prótons que tem a menor energia para um determinado número total de núcleons . Consequentemente, isso produz um núcleo mais estável (energia mais baixa).

(Um processo teórico de captura de pósitrons , análogo à captura de elétrons, é possível em átomos de antimatéria, mas não foi observado, já que átomos de antimatéria complexos além do anti - hélio não estão experimentalmente disponíveis. [27] Tal decaimento exigiria átomos de antimatéria pelo menos tão complexos como berílio-7 , que é o isótopo mais leve conhecido da matéria normal a sofrer decaimento por captura de elétrons.)

Pouco depois da descoberta do nêutron em 1932, Enrico Fermi percebeu que certas reações raras de decaimento beta imediatamente produzem nêutrons como uma partícula de decaimento ( emissão de nêutrons ). A emissão isolada de prótons foi eventualmente observada em alguns elementos. Também foi descoberto que alguns elementos pesados ​​podem sofrer fissão espontânea em produtos que variam em composição. Em um fenômeno chamado decaimento do cluster , combinações específicas de nêutrons e prótons, além das partículas alfa (núcleos de hélio), foram emitidas espontaneamente pelos átomos.

Outros tipos de decaimento radioativo foram encontrados para emitir partículas vistas anteriormente, mas por meio de mecanismos diferentes. Um exemplo é a conversão interna , que resulta em uma emissão inicial de elétrons e, em seguida, geralmente mais raios X característicos e emissões de elétrons Auger , embora o processo de conversão interna não envolva decaimento beta nem gama. Não é emitido um neutrino, e nenhum dos elétrons e fótons emitidos se origina no núcleo, embora a energia para emitir todos eles se origine lá. O decaimento da conversão interna, como o decaimento gama da transição isomérica e a emissão de nêutrons, envolve a liberação de energia por um nuclídeo excitado, sem a transmutação de um elemento em outro.

São conhecidos eventos raros que envolvem uma combinação de dois eventos do tipo decaimento beta ocorrendo simultaneamente (veja abaixo). Qualquer processo de degradação que não viole as leis de conservação de energia ou momento (e talvez outras leis de conservação de partículas) pode acontecer, embora nem todos tenham sido detectados. Um exemplo interessante discutido em uma seção final é o decaimento beta de estado ligado do rênio-187 . Neste processo, o decaimento de elétrons beta do nuclídeo pai não é acompanhado pela emissão de elétrons beta, porque a partícula beta foi capturada na camada K do átomo emissor. Um antineutrino é emitido, como em todos os decaimentos beta negativos.

Os radionuclídeos podem sofrer várias reações diferentes. Eles estão resumidos na tabela a seguir. Um núcleo com número de massa A e número atômico Z é representado como ( A , Z ). A coluna "Núcleo filha" indica a diferença entre o novo núcleo e o núcleo original. Assim, ( A  - 1, Z ) significa que o número de massa é um a menos do que antes, mas o número atômico é o mesmo que antes.

Se as circunstâncias de energia forem favoráveis, um determinado radionuclídeo pode sofrer muitos tipos concorrentes de decadência, com alguns átomos decaindo por uma rota e outros decaindo por outra. Um exemplo é o cobre-64 , que tem 29 prótons e 35 nêutrons, que decai com meia-vida de cerca de 12,7 horas. Este isótopo tem um próton desemparelhado e um nêutron desemparelhado, então o próton ou o nêutron podem decair para a outra partícula, que tem isospin oposta . Este nuclídeo em particular (embora nem todos os nuclídeos nesta situação) tem quase a mesma probabilidade de decair através da emissão de pósitrons (18%), ou através da captura de elétrons(43%), como ocorre por meio da emissão de elétrons (39%). Os estados de energia excitados resultantes desses decaimentos que falham em terminar em um estado de energia fundamental, também produzem conversão interna posterior e decaimento gama em quase 0,5% do tempo.

Mais comum em nuclídeos pesados ​​é a competição entre o decaimento alfa e beta. Os nuclídeos filhos irão então decair normalmente através de beta ou alfa, respectivamente, para terminar no mesmo lugar.

O decaimento radioativo resulta em uma redução da massa de repouso somada , uma vez que a energia liberada (a energia de desintegração ) escapou de alguma forma. Embora a energia de decaimento às vezes seja definida como associada à diferença entre a massa dos produtos do nuclídeo original e a massa dos produtos de decaimento, isso é verdadeiro apenas para medições de massa em repouso, onde alguma energia foi removida do sistema de produto. Isso é verdade porque a energia de decaimento deve sempre carregar massa com ela, onde quer que apareça (ver massa na relatividade especial ) de acordo com a fórmula E  =  mc 2. A energia de decaimento é inicialmente liberada como a energia dos fótons emitidos mais a energia cinética de partículas massivas emitidas (ou seja, partículas que têm massa em repouso). Se essas partículas chegam ao equilíbrio térmico com seus arredores e os fótons são absorvidos, a energia de decaimento é transformada em energia térmica, que retém sua massa.

A energia de decaimento, portanto, permanece associada a uma certa medida da massa do sistema de decaimento, chamada massa invariante , que não muda durante o decaimento, embora a energia de decaimento seja distribuída entre as partículas de decaimento. A energia dos fótons, a energia cinética das partículas emitidas e, mais tarde, a energia térmica da matéria circundante, todas contribuem para a massa invariante do sistema. Assim, enquanto a soma das massas restantes das partículas não é conservada no decaimento radioativo, a massa do sistema e a massa invariante do sistema (e também a energia total do sistema) é conservada ao longo de qualquer processo de decaimento. Esta é uma reafirmação das leis equivalentes de conservação de energia econservação de massa .

Modos

Modo de decadência Partículas participantes Núcleo Filha
Decai com emissão de núcleons
α Decadência alfa Uma partícula alfa ( A  = 4, Z  = 2) emitida pelo núcleo ( A  - 4, Z  - 2)
p Emissão de prótons Um próton ejetado do núcleo ( A  - 1, Z  - 1)
2p Emissão dupla de prótons Dois prótons ejetados do núcleo simultaneamente ( A  - 2, Z  - 2)
n Emissão de nêutrons Um nêutron ejetado do núcleo ( A  - 1, Z )
2n Emissão de nêutron duplo Dois nêutrons ejetados do núcleo simultaneamente ( A  - 2, Z )
SF Fissão espontânea O núcleo se desintegra em dois ou mais núcleos menores e outras partículas -
CD Deterioração do cluster O núcleo emite um tipo específico de núcleo menor ( A 1 , Z 1 ) que é maior do que uma partícula alfa ( A  -  A 1 , Z  -  Z 1 ) + ( A 1 , Z 1 )
Diferentes modos de decaimento beta
β - Beta menos decadência Um núcleo emite um elétron e um elétron antineutrino ( A , Z  + 1)
β + Beta mais decadência Um núcleo emite um pósitron e um neutrino de elétron ( A , Z  - 1)
ε (EC) Captura de elétrons Um núcleo captura um elétron em órbita e emite um neutrino; o núcleo filho é deixado em um estado instável de excitação ( A , Z  - 1)
Decaimento beta de estado limitado Um nêutron livre ou núcleo beta decai em elétron e antineutrino, mas o elétron não é emitido, pois é capturado em uma camada K vazia; o núcleo filho é deixado em um estado excitado e instável. Este processo é uma minoria de decaimentos de nêutrons livres (0,0004%) devido à baixa energia de ionização de hidrogênio, e é suprimido, exceto em átomos ionizados que têm vacâncias de camada K. ( A , Z  + 1)
β - β - Queda beta dupla Um núcleo emite dois elétrons e dois antineutrinos ( A , Z  + 2)
εε Captura de elétron duplo Um núcleo absorve dois elétrons orbitais e emite dois neutrinos - o núcleo filho é deixado em um estado excitado e instável ( A , Z  - 2)
Captura de elétrons com emissão de pósitrons Um núcleo absorve um elétron orbital, emite um pósitron e dois neutrinos ( A , Z  - 2)
β + β + Decaimento de pósitron duplo Um núcleo emite dois pósitrons e dois neutrinos ( A , Z  - 2)
Transições entre estados do mesmo núcleo
ISTO Transição isomérica O núcleo excitado libera um fóton de alta energia ( raios gama ) ( A , Z )
Conversão interna O núcleo excitado transfere energia para um elétron orbital, que é posteriormente ejetado do átomo ( A , Z )

Taxas

A taxa de decaimento , ou atividade , de uma substância radioativa é caracterizada por:

Quantidades constantes :

  • A meia-vida - t 1/2 , é o tempo que leva para que a atividade de uma determinada quantidade de uma substância radioativa decaia à metade de seu valor inicial; veja Lista de nuclídeos .
  • A constante de decaimento - λ , " lambda " o recíproco do tempo de vida médio (em s −1 ), às vezes referida como simplesmente taxa de decaimento .
  • O tempo de vida médio - τ , " tau " o tempo de vida médio (1 / e vida) de uma partícula radioativa antes do decaimento.

Embora sejam constantes, estão associadas ao comportamento estatístico das populações de átomos. Em consequência, as previsões usando essas constantes são menos precisas para amostras minúsculas de átomos.

Em princípio, uma meia-vida, uma terceira vida, ou mesmo uma (1 / 2 ) -vida, pode ser usada exatamente da mesma maneira que a meia-vida; mas a vida média e a meia-vida t 1/2 foram adotadas como tempos padrão associados ao declínio exponencial.

Quantidades variáveis ​​de tempo :

  • Atividade total - A , é o número de decaimentos por unidade de tempo de uma amostra radioativa.
  • Número de partículas - N , é o número total de partículas na amostra.
  • Atividade específica - S A , número de decaimentos por unidade de tempo por quantidade de substância da amostra no tempo definido como zero ( t = 0). "Quantidade de substância" pode ser a massa, volume ou moles da amostra inicial.

Eles estão relacionados da seguinte forma:

onde N 0 é a quantidade inicial de substância ativa - substância que apresenta a mesma porcentagem de partículas instáveis ​​de quando a substância foi formada.

Matemática

Lei universal

A matemática do decaimento radioativo depende da suposição básica de que o núcleo de um radionuclídeo não tem "memória" ou maneira de traduzir sua história em seu comportamento atual. Um núcleo não "envelhece" com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de sua decomposição não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa há quanto tempo o núcleo existe. Esta probabilidade constante pode diferir muito entre um tipo de núcleo e outro, levando a muitas taxas diferentes de decaimento observadas. No entanto, seja qual for a probabilidade, ela não muda com o tempo. Isso contrasta fortemente com objetos complexos que apresentam envelhecimento, como automóveis e humanos. Esses sistemas antigos têm uma chance de quebrar por unidade de tempo que aumenta a partir do momento em que começam sua existência.

Processos agregados, como o decaimento radioativo de um bloco de átomos, para os quais a probabilidade de realização de um único evento é muito pequena, mas em que o número de fatias de tempo é tão grande que há, no entanto, uma taxa razoável de eventos, são modelados pelo Distribuição de Poisson , que é discreta. O decaimento radioativo e as reações de partículas nucleares são dois exemplos de tais processos agregados. [28] A matemática dos processos de Poisson se reduz à lei da decadência exponencial , que descreve o comportamento estatístico de um grande número de núcleos, ao invés de um núcleo individual. No formalismo a seguir, o número de núcleos ou a população de núcleos N , é, naturalmente, uma variável discreta (anúmero natural ) - mas para qualquer amostra física N é tão grande que pode ser tratado como uma variável contínua. O cálculo diferencial é usado para modelar o comportamento da decadência nuclear.

Processo de uma decadência

Considere o caso de um nuclídeo A que decai em outro B por algum processo A → B (emissão de outras partículas, como neutrinos de elétrons
ν
e
e elétrons e - como no decaimento beta , são irrelevantes no que segue). A decadência de um núcleo instável é inteiramente aleatória no tempo, por isso é impossível prever quando um átomo particular irá decair. No entanto, é igualmente provável que apodreça a qualquer momento. Portanto, dada uma amostra de um radioisótopo particular, o número de eventos de decaimento −d N que se espera que ocorram em um pequeno intervalo de tempo d t é proporcional ao número de átomos presentes N , ou seja [29]

Radionuclídeos particulares decaem em taxas diferentes, então cada um tem sua própria constante de decaimento λ . A queda esperada −d N / N é proporcional a um incremento de tempo, d t :

O sinal negativo indica que N diminui à medida que o tempo aumenta, à medida que os eventos de decaimento ocorrem um após o outro. A solução para esta equação diferencial de primeira ordem é a função :

onde N 0 é o valor de N no tempo t = 0, com a constante de decaimento expressa como λ [29]

Temos para sempre t :

onde N total é o número constante de partículas ao longo do processo de decaimento, que é igual ao número inicial de nuclídeos A, uma vez que esta é a substância inicial.

Se o número de núcleos A não decaídos for:

então o número de núcleos de B , ou seja, o número de núcleos A decaídos , é

O número de decaimentos observados em um determinado intervalo obedece às estatísticas de Poisson . Se o número médio de decaimentos é N , a probabilidade de um determinado número de decaimentos N é [29]

Processos de cadeia de decaimento

Cadeia de duas decadências

Agora, considere o caso de uma cadeia de dois decaimentos: um nuclídeo Um decaindo em outro B por um processo, em seguida, B decaindo em outro C por um segundo processo, ou seja, A → B → C . A equação anterior não pode ser aplicada à cadeia de decaimento, mas pode ser generalizada como segue. Uma vez que A decai em B , então B decai em C , a atividade de A é adicionada ao número total de nuclídeos B na presente amostra, antes daqueles Bos nuclídeos decaem e reduzem o número de nuclídeos que levam à amostra posterior. Em outras palavras, o número de núcleos de segunda geração B aumenta como resultado do decaimento dos núcleos de primeira geração de A e diminui como resultado de seu próprio decaimento nos núcleos C de terceira geração . [30] A soma desses dois termos fornece a lei para uma cadeia de decaimento para dois nuclídeos:

A taxa de variação de N B , que é d N B / d t , está relacionada com as alterações nas quantidades de A e B , N B pode aumentar à medida que B é produzida a partir de um e diminuem à medida que B produz C .

Reescrevendo usando os resultados anteriores:

Os subscritos referem-se simplesmente aos respectivos nuclídeos, ou seja, N A é o número de nuclídeos do tipo A ; N A 0 é o número inicial de nuclídeos de tipo A ; λ Uma é a constante de decaimento para uma - e de forma semelhante para nuclídeo B . Resolver esta equação para N B dá:

No caso em que B é um nuclídeo estável ( λ B = 0), esta equação se reduz à solução anterior:

como mostrado acima para um decaimento. A solução pode ser encontrada pelo método do fator de integração , onde o fator de integração é e λ B t . Este caso é talvez o mais útil, pois pode derivar a equação de um decaimento (acima) e a equação para cadeias de decaimento (abaixo) mais diretamente.

Cadeia de qualquer número de decaimentos

Para o caso geral de qualquer número de decaimentos consecutivos em uma cadeia de decaimento, ou seja, A 1 → A 2 ··· → A i ··· → A D , onde D é o número de decaimentos ei é um índice dummy ( i = 1, 2, 3, ... D ), cada população de nuclídeo pode ser encontrada em termos da população anterior. Neste caso, N 2 = 0 , N 3 = 0 , ..., N D = 0 . Usando o resultado acima de forma recursiva:

A solução geral para o problema recursivo é dada pelas equações de Bateman : [31]

Equações de Bateman

Modos alternativos

Em todos os exemplos acima, o nuclídeo inicial decai em apenas um produto. [32] Considere o caso de um nuclídeo inicial que pode decair em qualquer um dos dois produtos, que é A → B e A → C em paralelo. Por exemplo, em uma amostra de potássio-40 , 89,3% dos núcleos decaem para cálcio-40 e 10,7% para argônio-40 . Temos para sempre t :

que é constante, uma vez que o número total de nuclídeos permanece constante. Diferenciando com relação ao tempo:

definir a constante de decaimento total λ em termos da soma das constantes de decaimento parcial λ B e λ C :

Resolvendo esta equação para N A :

onde N A 0 é o número inicial do nuclídeo A. Ao medir a produção de um nuclídeo, pode-se apenas observar a constante de decaimento total λ . As constantes de decaimento λ B e λ C determinam a probabilidade de o decaimento resultar nos produtos B ou C da seguinte forma:

porque a fracção λ B / λ de decaimento núcleos em B enquanto que a fracção λ C / λ de decaimento núcleos em C .

Corolários de leis

As equações acima também podem ser escritas usando quantidades relacionadas ao número de partículas de nuclídeo N em uma amostra;

onde L =6,022 140 76 × 10 23  mol −1 [33] é a constante de Avogadro , M é a massa molar da substância em kg / mol, e a quantidade da substância n está em moles .

Decay tempo: definições e relações

Constante de tempo e média-vida

Para a solução de um decaimento A → B :

a equação indica que a constante de decaimento λ possui unidades de t −1 , e pode, portanto, também ser representada como 1 / τ , onde τ é um tempo característico do processo denominado constante de tempo .

Em um processo de decaimento radioativo, essa constante de tempo também é o tempo de vida médio para átomos em decomposição. Cada átomo "vive" por uma quantidade finita de tempo antes de decair, e pode ser mostrado que este tempo de vida médio é a média aritmética de todos os tempos de vida dos átomos, e que é τ , que novamente está relacionado à constante de decaimento como segue:

Esta forma também é verdadeira para dois processos de decaimento simultaneamente A → B + C , inserindo os valores equivalentes das constantes de decaimento (conforme dado acima)

na solução de decadência leva a:

Simulação de muitos átomos idênticos passando por decaimento radioativo, começando com 4 átomos (à esquerda) ou 400 (à direita). O número na parte superior indica quantas meias-vidas decorreram.

Meia-vida

Um parâmetro mais comumente usado é a meia-vida T 1/2 . Dada uma amostra de um determinado radionuclídeo, a meia-vida é o tempo necessário para a decomposição de metade dos átomos do radionuclídeo. Para o caso de reações nucleares de um decaimento:

a meia-vida está relacionada com a constante de decaimento como segue: Conjunto N = N 0 /2 e t = t 1/2 para se obter

Essa relação entre a meia-vida e a constante de decaimento mostra que as substâncias altamente radioativas são gastas rapidamente, enquanto as que irradiam fracamente duram mais. As meias-vidas de radionuclídeos conhecidos variar amplamente, de mais de 10 24 de anos para a nuclido muito estável quase 128 Te , a 8,6 x 10 -23 segundos para nuclídeos altamente instáveis, tais como 5 H . [34]

O fator de ln (2) nas relações acima resulta do fato de que o conceito de "meia-vida" é meramente uma maneira de selecionar uma base diferente que não a base natural e para a expressão de vida. A constante de tempo τ é a e -1   -vida, o tempo até que apenas 1 / e permaneça, cerca de 36,8%, ao invés dos 50% na meia-vida de um radionuclídeo. Assim, τ é maior do que t 1/2 . A seguinte equação pode ser considerada válida:

Uma vez que o decaimento radioativo é exponencial com uma probabilidade constante, cada processo poderia ser facilmente descrito com um período de tempo constante diferente que (por exemplo) deu sua "(1/3) -vida" (quanto tempo até restar apenas 1/3) ou "(1/10) -vida" (um período de tempo até que restem apenas 10%), e assim por diante. Assim, a escolha de τ e t 1/2 para tempos marcadores são apenas por conveniência e por convenção. Eles refletem um princípio fundamental apenas na medida em que mostram que a mesma proporção de uma dada substância radioativa irá se decompor, durante qualquer período de tempo que alguém escolher.

Matematicamente, o n th vida para a situação acima seria encontrada na mesma maneira como acima, definindo- N = N 0 / N , T = T 1 / n e substituindo para a solução de decaimento para se obter

Exemplo para o carbono-14

O carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos e uma taxa de decomposição de 14 desintegrações por minuto (dpm) por grama de carbono natural.

Se for descoberto que um artefato tem radioatividade de 4 dpm por grama de seu C atual, podemos encontrar a idade aproximada do objeto usando a equação acima:

Onde:

anos,
anos.

Mudando as taxas

Os modos de decaimento radioativo de captura de elétrons e conversão interna são conhecidos por serem ligeiramente sensíveis aos efeitos químicos e ambientais que alteram a estrutura eletrônica do átomo, que por sua vez afeta a presença de elétrons 1s e 2s que participam do processo de decaimento. Um pequeno número de nuclídeos principalmente leves são afetados. Por exemplo, ligações químicas podem afetar a taxa de captura de elétrons em um pequeno grau (em geral, menos de 1%), dependendo da proximidade dos elétrons ao núcleo. No 7 Be, foi observada uma diferença de 0,9% entre as meias-vidas em ambientes metálicos e isolantes. [35]Esse efeito relativamente grande ocorre porque o berílio é um pequeno átomo cujos elétrons de valência estão em orbitais atômicos 2s , que estão sujeitos à captura de elétrons em 7 Be porque (como todos os orbitais atômicos s em todos os átomos) eles penetram naturalmente no núcleo.

Em 1992, Jung et al. do grupo Darmstadt de iões pesados Research observada uma β acelerado -  decaimento de 163 Dy 66+ . Embora neutro 163 Dy é um isótopo estável, o totalmente ionizado 163 Dy 66+ sofre β -  deterioração nas conchas K e L para 163 Ho 66+ com uma meia-vida de 47 dias. [36]

O rênio-187 é outro exemplo espetacular. 187 Re normalmente emissão beta a 187 OS com uma meia-vida de 41,6 x 10 9  anos [37] , mas estudos utilizando totalmente ionizados 187 Re átomos (núcleos nus) descobriram que este pode diminuir para apenas 32,9 anos. [38] Isso é atribuído ao " estado ligado β - decadência " do átomo totalmente ionizado - o elétron é emitido para a "camada K" ( orbital atômico 1s ), o que não pode ocorrer para átomos neutros em que todos os níveis baixos os estados vinculados estão ocupados. [39]

Exemplo de variações diurnas e sazonais na resposta do detector de raios gama.

Uma série de experimentos descobriram que as taxas de decaimento de outros modos de radioisótopos artificiais e naturais não são, com um alto grau de precisão, afetadas por condições externas, como temperatura, pressão, ambiente químico e campos elétricos, magnéticos ou gravitacionais. [40] Comparação de experimentos de laboratório ao longo do século passado, estudos do reator nuclear natural de Oklo(que exemplificou os efeitos dos nêutrons térmicos na decadência nuclear), e observações astrofísicas da decadência de luminosidade de supernovas distantes (que ocorreram muito longe, então a luz levou muito tempo para chegar até nós), por exemplo, indicam fortemente que imperturbável as taxas de decaimento também têm sido constantes (pelo menos dentro das limitações de pequenos erros experimentais) em função do tempo. [ citação necessária ]

Resultados recentes sugerem a possibilidade de que as taxas de decomposição possam ter uma dependência fraca de fatores ambientais. Foi sugerido que as medições das taxas de decomposição do silício-32 , manganês-54 e rádio-226 exibem pequenas variações sazonais (da ordem de 0,1%). [41] [42] [43] No entanto, tais medições são altamente suscetíveis a erros sistemáticos, e um artigo subsequente [44] não encontrou evidências de tais correlações em sete outros isótopos ( 22 Na, 44 Ti, 108 Ag, 121 Sn , 133 Ba, 241 Am, 238Pu) e define limites superiores para o tamanho de tais efeitos. A decadência do radônio-222 foi relatada uma vez como exibindo grandes variações sazonais de pico a pico de 4% (ver gráfico), [45] que foram propostas para estar relacionadas à atividade da explosão solar ou à distância do Sol, mas uma análise detalhada das falhas de projeto do experimento, junto com comparações com outros experimentos muito mais rigorosos e sistematicamente controlados, refutam essa afirmação. [46]

GSI anomalia

Uma série inesperada de resultados experimentais para a taxa de decadência de íons radioativos pesados altamente carregados que circulam em um anel de armazenamento provocou atividade teórica em um esforço para encontrar uma explicação convincente. As taxas de decaimento fraco de duas espécies radioativas com meia-vida de cerca de 40 se 200 s apresentam uma modulação oscilatória significativa , com um período de cerca de 7 s. [47] O fenômeno observado é conhecido como anomalia GSI , pois o anel de armazenamento é uma instalação do Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados em Darmstadt , Alemanha.. Como o processo de decaimento produz um neutrino de elétron , algumas das explicações propostas para a taxa de oscilação observada invocam as propriedades do neutrino. As ideias iniciais relacionadas à oscilação do sabor foram recebidas com ceticismo. [48] Uma proposta mais recente envolve diferenças de massa entre os auto- estados de massa do neutrino . [49]

Base teórica

Os nêutrons e prótons que constituem os núcleos, assim como outras partículas que se aproximam o suficiente deles, são governados por várias interações. A força nuclear forte , não observada na escala macroscópica familiar , é a força mais poderosa em distâncias subatômicas. A força eletrostática é quase sempre significativa e, no caso do decaimento beta , a força nuclear fraca também está envolvida.

Os efeitos combinados dessas forças produzem uma série de fenômenos diferentes nos quais a energia pode ser liberada pelo rearranjo das partículas no núcleo, ou então pela mudança de um tipo de partícula em outro. Esses rearranjos e transformações podem ser impedidos energeticamente para que não ocorram imediatamente. Em certos casos, as flutuações quânticas aleatórias do vácuo são teorizadas para promover o relaxamento a um estado de energia inferior (o "decaimento") em um fenômeno conhecido como tunelamento quântico . A meia-vida de decaimento radioativo dos nuclídeos foi medida em escalas de tempo de 54 ordens de magnitude, de 8,6 × 10 −23 segundos (para hidrogênio-5 ) a 7,1 × 10 31 segundos (para telúrio-128) [34] Os limites dessas escalas de tempo são definidos pela sensibilidade da instrumentação apenas, e não há limites naturais conhecidos para quão breve [ carece de fontes? ] Ou longa uma meia-vida de decaimento para decaimento radioativo de um radionuclídeo pode ser.

O processo de decadência, como todas as transformações de energia impedidas, pode ser comparado a um campo de neve em uma montanha. Embora o atrito entre os cristais de gelo possa estar suportando o peso da neve, o sistema é inerentemente instável em relação a um estado de menor energia potencial. Uma perturbação facilitaria assim o caminho para um estado de maior entropia ; o sistema se moverá em direção ao estado fundamental, produzindo calor, e a energia total será distribuída por um número maior de estados quânticos , resultando em uma avalanche . A energia total não muda neste processo, mas, por causa da segunda lei da termodinâmica, avalanches só foram observadas em uma direção, que é em direção ao " estado fundamental " - o estado com o maior número de maneiras pelas quais a energia disponível poderia ser distribuída.

Tal colapso (um evento de decaimento de raios gama ) requer uma energia de ativação específica . Para uma avalanche de neve, essa energia surge como uma perturbação de fora do sistema, embora tais perturbações possam ser arbitrariamente pequenas. No caso de um núcleo atômico excitado decaindo por radiação gama em uma emissão espontânea de radiação eletromagnética, a perturbação arbitrariamente pequena vem das flutuações quânticas do vácuo . [50]

Um núcleo radioativo (ou qualquer sistema excitado na mecânica quântica) é instável e pode, assim, se estabilizar espontaneamente em um sistema menos excitado. A transformação resultante altera a estrutura do núcleo e resulta na emissão de um fóton ou de uma partícula de alta velocidade com massa (como um elétron, partícula alfa ou outro tipo). [51]

Ocorrência e aplicações

De acordo com a teoria do Big Bang , isótopos estáveis ​​dos cinco elementos mais leves ( H , He e traços de Li , Be e B ) foram produzidos logo após o surgimento do universo, em um processo denominado nucleossíntese do Big Bang . Esses nuclídeos estáveis ​​mais leves (incluindo o deutério ) sobrevivem até hoje, mas quaisquer isótopos radioativos dos elementos leves produzidos no Big Bang (como o trítio) há muito decaíram. Isótopos de elementos mais pesados ​​que o boro não foram produzidos no Big Bang, e esses cinco primeiros elementos não têm nenhum radioisótopo de vida longa. Assim, todos os núcleos radioativos são, portanto, relativamente jovens no que diz respeito ao nascimento do universo, tendo-se formado posteriormente em vários outros tipos de nucleossíntese em estrelas (em particular, supernovas ), e também durante as interações em curso entre isótopos estáveis ​​e partículas energéticas. Por exemplo, o carbono-14 , um nuclídeo radioativo com meia-vida de apenas 5.730 anos, é constantemente produzido na alta atmosfera da Terra devido às interações entre os raios cósmicos e o nitrogênio.

Os nuclídeos produzidos por decaimento radioativo são chamados de nuclídeos radiogênicos , sejam eles próprios estáveis ou não. Existem nuclídeos radiogênicos estáveis ​​que foram formados a partir de radionuclídeos extintos de vida curta no início do Sistema Solar. [52] [53] A presença extra desses nuclídeos radiogênicos estáveis ​​(como o xenônio-129 do iodo-129 extinto ) contra o fundo de nuclídeos estáveis primordiais pode ser inferida por vários meios.

O decaimento radioativo tem sido usado na técnica de marcação radioisotópica , que é usada para rastrear a passagem de uma substância química por um sistema complexo (como um organismo vivo ). Uma amostra da substância é sintetizada com alta concentração de átomos instáveis. A presença da substância em uma ou outra parte do sistema é determinada pela detecção dos locais dos eventos de decomposição.

Com base na premissa de que o decaimento radioativo é verdadeiramente aleatório (ao invés de meramente caótico ), ele tem sido usado em geradores de números aleatórios de hardware. Como não se pensa que o processo varie significativamente no mecanismo ao longo do tempo, também é uma ferramenta valiosa para estimar as idades absolutas de certos materiais. Para materiais geológicos, os radioisótopos e alguns de seus produtos de decomposição ficam presos quando uma rocha se solidifica e podem então ser usados ​​(sujeito a muitas qualificações conhecidas) para estimar a data da solidificação. Isso inclui a verificação dos resultados de vários processos simultâneos e seus produtos entre si, na mesma amostra. De forma semelhante, e também sujeita a qualificação, a taxa de formação de carbono-14 em várias eras, a data de formação da matéria orgânica dentro de um determinado período relacionado à meia-vida do isótopo pode ser estimada,porque o carbono-14 fica preso quando a matéria orgânica cresce e incorpora o novo carbono-14 do ar. Depois disso, a quantidade de carbono-14 na matéria orgânica diminui de acordo com processos de decomposição que também podem ser verificados independentemente por outros meios (como verificar o carbono-14 em anéis de árvores individuais, por exemplo).

Efeito Szilard-Chalmers

O efeito Szilard-Chalmers é a quebra de uma ligação química como resultado de uma energia cinética transmitida pela decadência radioativa. Ele opera pela absorção de nêutrons por um átomo e subsequente emissão de raios gama , freqüentemente com quantidades significativas de energia cinética. Essa energia cinética, pela terceira lei de Newton , empurra de volta o átomo em decomposição, o que faz com que ele se mova com velocidade suficiente para quebrar uma ligação química. [54] Este efeito pode ser usado para separar isótopos por meios químicos.

O efeito Szilard – Chalmers foi descoberto em 1934 por Leó Szilárd e Thomas A. Chalmers. [55] Eles observaram que após o bombardeio por nêutrons, a quebra de uma ligação em iodeto de etila líquido permitiu que o iodo radioativo fosse removido. [56]

Origens de nuclidos radioactivos

Nuclídeos primordiais radioativos encontrados na Terra são resíduos de antigas explosões de supernovas que ocorreram antes da formação do Sistema Solar . São a fração de radionuclídeos que sobreviveu desde aquela época, através da formação da nebulosa solar primordial , do acúmulo de planetas e até os dias atuais. Os radionuclídeos radiogênicos de vida curta que ocorrem naturalmente, encontrados nas rochas de hoje , são as filhas desses nuclídeos primordiais radioativos . Outra fonte secundária de nuclídeos radioativos de ocorrência natural são os nuclídeos cosmogênicos, que são formados pelo bombardeio de raios cósmicos de material na atmosfera ou crosta terrestre . A decomposição dos radionuclídeos nas rochas do manto e da crosta terrestre contribui significativamente para o orçamento interno de calor da Terra .

Cadeias de desintegração e vários modos

O nuclídeo filho de um evento de decaimento também pode ser instável (radioativo). Nesse caso, ele também se deteriorará, produzindo radiação. O segundo nuclídeo filho resultante também pode ser radioativo. Isso pode levar a uma sequência de vários eventos de decaimento chamados de cadeia de decaimento (consulte este artigo para obter detalhes específicos de cadeias de decaimento naturais importantes). Eventualmente, um nuclídeo estável é produzido. Quaisquer filhas em decadência que sejam o resultado de um decaimento alfa também resultarão na criação de átomos de hélio.

Espectro de energia de raios gama do minério de urânio (detalhe). Os raios gama são emitidos por nuclídeos em decadência , e a energia dos raios gama pode ser usada para caracterizar o decaimento (para qual nuclídeo está decaindo). Aqui, usando o espectro de raios gama, vários nuclídeos que são típicos da cadeia de decaimento de 238 U foram identificados: 226 Ra, 214 Pb, 214 Bi.

Um exemplo é a cadeia de decaimento natural de 238 U:

  • O urânio-238 decai, por emissão alfa, com meia-vida de 4,5 bilhões de anos para o tório-234
  • que decai, por emissão de beta, com meia-vida de 24 dias para o protactínio-234
  • que se decompõe, por meio de emissão beta, com meia-vida de 1,2 minutos para o urânio-234
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 240 mil anos em tório-230
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 77 mil anos para o rádio-226
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 1,6 mil anos para radônio-222
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 3,8 dias para polônio-218
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 3,1 minutos para levar-214
  • que decai, por emissão beta, com meia-vida de 27 minutos para o bismuto-214
  • que decai, por emissão beta, com meia-vida de 20 minutos para polônio-214
  • que decai, por meio de emissão alfa, com meia-vida de 160 microssegundos em chumbo-210
  • que decai, por emissão beta, com meia-vida de 22 anos para o bismuto-210
  • que decai, por emissão beta, com meia-vida de 5 dias para polônio-210
  • que decai, por emissão alfa, com meia-vida de 140 dias, em chumbo-206 , que é um nuclídeo estável.

Alguns radionuclídeos podem ter vários caminhos diferentes de decomposição. Por exemplo, aproximadamente 36% do bismuto-212 decai, através da emissão alfa, para tálio-208, enquanto aproximadamente 64% do bismuto-212 decai, através da emissão beta, para polônio-212 . Tanto o tálio-208 quanto o polônio-212 são produtos filhos radioativos do bismuto-212 e ambos decaem diretamente para o chumbo-208 estável .

Sinais de aviso de perigo

Veja também

Radioactive.svg Portal de tecnologia nuclear portal de físicaÁtomo estilizado com três órbitas do modelo Bohr e núcleo estilizado.svg 

Notas

  1. ^ Radionuclídeo é o termo mais correto, mas o radioisótopo também é usado. A diferença entre isótopo e nuclídeo é explicada em Isótopo § Isótopo vs. nuclídeo .
  2. ^ Veja o experimento de Wu entre outros contra-exemplos, quando o átomo em decomposição é influenciado por fatores externos.

Referências

Inline

  1. ^ "Radioatividade: Forças fracas" . Radioatividade . EDP ​​Sciences . Retirado em 4 de março de 2020 .
  2. ^ Stabin, Michael G. (2007). "3" . Em Stabin, Michael G (ed.). Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics . Springer . doi : 10.1007 / 978-0-387-49983-3 . ISBN 978-0-387-49982-6.
  3. ^ Atenciosamente, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram (2013). "1.3". Radiation Oncology Primer and Review . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1-62070-004-4.
  4. ^ Loveland, W .; Morrissey, D .; Seaborg, GT (2006). Química Nuclear Moderna . Wiley-Interscience. p. 57. bibcode : 2005mnc..book ..... L . ISBN 978-0-471-11532-8.
  5. ^ Litherland, AE; Ferguson, AJ (1961). "Correlações angulares de raios gama de núcleos alinhados produzidos por reações nucleares". Canadian Journal of Physics . 39 (6): 788–824. Bibcode : 1961CaJPh..39..788L . doi : 10.1139 / p61-089 . ISSN 0008-4204 . 
  6. ^ "3. Nuclear and Atomic Spectroscopy". Espectroscopia . Métodos em Física Experimental. 13 . 1976. pp. 115–346. Bibcode : 1976MExP ... 13..115. . doi : 10.1016 / S0076-695X (08) 60643-2 . ISBN 9780124759138.
  7. ^ Martin, BR (31 de agosto de 2011). Física nuclear e de partículas: uma introdução (2ª ed.). John Wiley & Sons. p. 240. ISBN 978-1-1199-6511-4.
  8. ^ Mold, Richard F. (1995). Um século de raios-X e radioatividade na medicina: com ênfase em registros fotográficos dos primeiros anos (Reimpressão. Com menor corred.). Bristol: Inst. of Physics Publ. p. 12. ISBN 978-0-7503-0224-1.
  9. ^ Henri Becquerel (1896). "Sur les radiations émises par phosphorescence" . Comptes Rendus . 122 : 420–421.
  10. ^ Comptes Rendus 122 : 420 (1896), traduzido por Carmen Giunta . Acessado em 12 de abril de 2021.
  11. ^ Henri Becquerel (1896). "Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents" . Comptes Rendus . 122 : 501–503.
  12. ^ Comptes Rendus 122 : 501–503 (1896), traduzido por Carmen Giunta . Acessado em 12 de abril de 2021.
  13. ^ Kasimir Fajans, "Transformações radioativas e o sistema periódico dos elementos". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft , Nr. 46, 1913, pp. 422-439
  14. ^ Frederick Soddy, "The Radio Elements and the Periodic Law", Chem. Notícias, Nr. 107, 1913, pp. 97-99
  15. ^ a b L'Annunziata, Michael F. (2007). Radioatividade: Introdução e História . Amsterdã, Holanda: Elsevier Science. p. 2. ISBN 9780080548883.
  16. ^ Petrucci, Ralph H .; Harwood, William S .; Herring, F. Geoffrey (2002). Química geral (8ª ed.). Prentice Hall. p. 1025. ISBN 0-13-014329-4.
  17. ^ Sansare, K .; Khanna, V .; Karjodkar, F. (2011). “Primeiras vítimas dos raios X: uma homenagem e percepção atual” . Radiologia Dentomaxilofacial . 40 (2): 123–125. doi : 10.1259 / dmfr / 73488299 . ISSN 0250-832X . PMC 3520298 . PMID 21239576 .   
  18. ^ a b Ronald L. Kathern e Paul L. Ziemer, ele primeiros cinquenta anos de proteção contra radiação, physics.isu.edu
  19. ^ Hrabak, M .; Padovan, RS; Kralik, M .; Ozretic, D .; Potocki, K. (julho de 2008). "Nikola Tesla e a descoberta dos raios X" . RadioGraphics . 28 (4): 1189–92. doi : 10.1148 / rg.284075206 . PMID 18635636 . 
  20. ^ Geoff Meggitt (2008), Domando os raios - uma história da radiação e da proteção. , Lulu.com , ISBN 978-1-4092-4667-1[ fonte autopublicada ]
  21. ^ Clarke, RH; J. Valentin (2009). "A História da ICRP e a evolução de suas políticas" (PDF) . Anais da ICRP . Publicação ICRP 109. 39 (1): 75-110. doi : 10.1016 / j.icrp.2009.07.009 . S2CID 71278114 . Página visitada em 12 de maio de 2012 .  
  22. ^ Daniels, M .; et al. (2020). "Estudos epidemiológicos de radiação ionizante de baixa dosagem e câncer: avaliação de polarização resumida e meta-análise" . J Natl Cancer Inst Monogr . 56 (1 ° de julho): 188–200. doi : 10.1093 / jncimonographs / lgaa010 . ISSN 1434-6001 . PMC 8454205 .  
  23. ^ Venturi, Sebastiano (janeiro de 2021). "Césio em Biologia, Câncer de Pâncreas e Controvérsia em Danos de Exposição à Radiação Alta e Baixa - Aspectos Científicos, Ambientais, Geopolíticos e Econômicos" . Jornal Internacional de Pesquisa Ambiental e Saúde Pública . 18 (17): 8934. doi : 10.3390 / ijerph18178934 . Retirado em 4 de setembro de 2021 . CC-BY icon.svg O texto foi copiado desta fonte, que está disponível sob uma Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional .
  24. ^ Rutherford, Ernest (6 de outubro de 1910). "Radium Standards and Nomenclature" . Nature . 84 (2136): 430–431. Bibcode : 1910Natur..84..430R . doi : 10.1038 / 084430a0 .
  25. ^ 10 CFR 20.1005 . Comissão Reguladora Nuclear dos EUA. 2009
  26. ^ O Conselho das Comunidades Européias (21 de dezembro de 1979). "Directiva 80/181 / CEE do Conselho, de 20 de Dezembro de 1979, relativa à aproximação das legislações dos Estados-Membros respeitantes às unidades de medida e à revogação da Directiva 71/354 / CEE" . Página visitada em 19 de maio de 2012 .
  27. ^ Decaimento radioativo
  28. ^ Leo, William R. (1992). "Ch. 4". ESTATÍSTICA E O TRATAMENTO DE DADOS EXPERIMENTAIS (Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments ed.). Springer-Verlag.
  29. ^ a b c Patel, SB (2000). Física nuclear: uma introdução . Nova Delhi: New Age International. pp. 62–72. ISBN 978-81-224-0125-7.
  30. ^ Introductory Nuclear Physics, KS Krane, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3 
  31. ^ Cetnar, Jerzy (maio de 2006). "Solução geral das equações de Bateman para transmutações nucleares". Annals of Nuclear Energy . 33 (7): 640–645. doi : 10.1016 / j.anucene.2006.02.004 .
  32. ^ KS Krane (1988). Física Nuclear Introdutória . John Wiley & Sons Inc. p. 164. ISBN 978-0-471-80553-3.
  33. ^ "2018 CODATA Value: Avogadro constant" . A referência do NIST sobre constantes, unidades e incerteza . NIST . 20 de maio de 2019 . Retirado em 20 de maio de 2019 .
  34. ^ a b Kondev, FG; Wang, M .; Huang, WJ; Naimi, S .; Audi, G. (março de 2021). "A avaliação NUBASE2020 das propriedades da física nuclear \ ast" . Chinese Física C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088 / 1674-1137 / abddae . ISSN 1674-1137 . 
  35. ^ Wang, B .; et al. (2006). "Mudança da meia-vida de captura de elétrons 7Be em ambientes metálicos". European Journal Physical A . 28 (3): 375–377. Bibcode : 2006EPJA ... 28..375W . doi : 10.1140 / epja / i2006-10068-x . ISSN 1434-6001 . S2CID 121883028 .  
  36. ^ Jung, M .; et al. (1992). "Primeira observação do estado ligado β - decaimento". Cartas de revisão física . 69 (15): 2164–2167. Bibcode : 1992PhRvL..69.2164J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.69.2164 . ISSN 0031-9007 . PMID 10046415 .  
  37. ^ Smoliar, MI; Walker, RJ; Morgan, JW (1996). "Idades Re-Os dos meteoritos de ferro do grupo IIA, IIIA, IVA e IVB". Ciência . 271 (5252): 1099–1102. Bibcode : 1996Sci ... 271.1099S . doi : 10.1126 / science.271.5252.1099 . S2CID 96376008 . 
  38. ^ Bosch, F .; et al. (1996). "Observação do estado ligado beta menos decadência de 187 Re: 187 Re- 187 Os cosmocronometria totalmente ionizado ". Cartas de revisão física . 77 (26): 5190–5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .  
  39. ^ Bosch, F .; et al. (1996). "Observação do estado ligado β - decaimento de 187 Re: 187 Re- 187 Os cosmocronometria totalmente ionizado ". Cartas de revisão física . 77 (26): 5190–5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 . 
  40. ^ Emery, GT (1972). “Perturbação das Taxas de Decaimento Nuclear” . Revisão Anual da Ciência Nuclear . 22 : 165–202. Bibcode : 1972ARNPS..22..165E . doi : 10.1146 / annurev.ns.22.120172.001121 .
  41. ^ "O mistério da decadência nuclear variável" . Physics World . 2 de outubro de 2008.
  42. ^ Jenkins, Jere H .; Fischbach, Ephraim (2009). "Perturbação das taxas de degradação nuclear durante a erupção solar de 13 de dezembro de 2006". Astroparticle Physics . 31 (6): 407–411. arXiv : 0808.3156 . Bibcode : 2009APh .... 31..407J . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2009.04.005 . S2CID 118863334 . 
  43. ^ Jenkins, JH; Fischbach, Ephraim; Buncher, John B .; Gruenwald, John T .; Krause, Dennis E .; Mattes, Joshua J. (2009). "Evidência de correlações entre taxas de decaimento nuclear e distância Terra-Sol". Astroparticle Physics . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Bibcode : 2009APh .... 32 ... 42J . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2009.05.004 . S2CID 119113836 . 
  44. ^ Norman, EB; Browne, Edgardo; Shugart, Howard A .; Joshi, Tenzing H .; Firestone, Richard B. (2009). "Evidência contra correlações entre taxas de decaimento nuclear e distância Terra-Sol" (PDF) . Astroparticle Physics . 31 (2): 135–137. arXiv : 0810.3265 . Bibcode : 2009APh .... 31..135N . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2008.12.004 . S2CID 7051382 . Arquivado do original (PDF) em 29 de junho de 2010 . Página visitada em 23 de setembro de 2009 .  
  45. ^ Sturrock, PA; Steinitz, G .; Fischbach, E .; Javorsek, D .; Jenkins, JH (2012). "Análise da radiação gama de uma fonte de radônio: indicações de uma influência solar". Astroparticle Physics . 36 (1): 18–25. arXiv : 1205.0205 . Bibcode : 2012APh .... 36 ... 18S . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2012.04.009 . ISSN 0927-6505 . S2CID 119163371 .  
  46. ^ Pommé, S .; Lutter, G .; Marouli, M .; Kossert, K ​​.; Nähle, O. (1 de janeiro de 2018). “Sobre a reivindicação das modulações no decaimento do radônio e sua associação com a rotação solar” . Astroparticle Physics . 97 : 38–45. Bibcode : 2018APh .... 97 ... 38P . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2017.10.011 . ISSN 0927-6505 . 
  47. ^ Kienle P, Bosch F, Bühler P, Faestermanna T, Litvinov Yu.A., Winckler N, e outros. (2013). "Medição de alta resolução da captura de elétrons orbital modulada no tempo e do decaimento β + de íons 142 Pm 60 + semelhantes ao hidrogênio ". Physics Letters B . 726 (4–5): 638–645. arXiv : 1309.7294 . Bibcode : 2013PhLB..726..638K . doi : 10.1016 / j.physletb.2013.09.033 . ISSN 0370-2693 . S2CID 55085840 .  
  48. ^ Giunti, Carlo (2009). "A anomalia do tempo GSI: fatos e ficção". Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 188 : 43–45. arXiv : 0812.1887 . Bibcode : 2009NuPhS.188 ... 43G . doi : 10.1016 / j.nuclphysbps.2009.02.009 . ISSN 0920-5632 . S2CID 10196271 .  
  49. ^ Gal, Avraham (2016). "Neutrino Signals in Electron-Capture Storage-Ring Experiments" . Simetria . 8 (6): 49. arXiv : 1407,1789 . Bibcode : 2016Symm .... 8 ... 49G . doi : 10.3390 / sym8060049 . ISSN 2073-8994 . S2CID 14287612 .  
  50. ^ Discussão dos fundamentos quânticos da emissão espontânea, conforme postulado pela primeira vez por Dirac em 1927
  51. ^ Noboru Takigawa e Kouhei Washiyama (2017) Fundamentos de Física Nuclear Springer
  52. ^ Clayton, Donald D. (1983). Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis (2ª ed.). University of Chicago Press. p. 75 . ISBN 978-0-226-10953-4.
  53. ^ Bolt, BA; Packard, RE; Price, PB (2007). "John H. Reynolds, Physics: Berkeley" . Universidade da Califórnia, Berkeley . Página visitada em 1 de outubro de 2007 .
  54. ^ "Efeito Szilard-Chalmers - Oxford Reference" . www.oxfordreference.com . Recuperado em 27 de dezembro de 2019 .
  55. ^ Szilard, Leó; Chalmers, Thomas A. (1934). "Separação química do elemento radioativo de seu isótopo bombardeado no efeito Fermi". Nature . 134 (3386): 462. bibcode : 1934Natur.134..462S . doi : 10.1038 / 134462b0 . S2CID 4129460 . 
  56. ^ Harbottle, Garman; Sutin, Norman (1 de janeiro de 1959), Emeléus, HJ; Sharpe, AG (eds.), The Szilard-Chalmers Reaction in Solids , Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry, 1 , Academic Press, pp. 267-314, doi : 10.1016 / S0065-2792 (08) 60256-3 , ISBN 9780120236015, recuperado em 19 de março de 2020
  57. ^ Comunicado à imprensa da IAEA, fevereiro de 2007

Geral

Ligações externas