Por que o termo “meia-vida” é usado para medir a radioatividade?

O Termo meia-vida é apropriado devido à natureza exponencial e quântica do decaimento radioativo, o que torna impossível prever exatamente quando um único átomo de material radioativo se desintegrará. A medição da meia-vida refere-se a estatísticas, representando o tempo que leva para que uma determinada quantidade de uma substância seja reduzida pela metade como resultado de decaimento. Quando alguém ouve a frase “meia-vida”, muitas pessoas pensam no popular videogame de mesmo nome, mas quem já leu sobre energia nuclear, armas, armazenamento ou resíduos provavelmente perceberá que está relacionado a elementos radioativos. Os cientistas medem a meia-vida de uma substância porque ela informa sobre a quantidade de radiação que uma determinada substância emitirá. A meia-vida é uma constante fixa para cada substância diferente, permitindo que os especialistas prevejam com precisão a vida útil de um material.

Para materiais radioativos, isso pode determinar quanto tempo levará para que um material não represente mais uma ameaça; para outros materiais, como o carbono 14, a meia-vida pode ajudar na datação radiométrica (datação por carbono), para determinar a idade aproximada dos restos antigos! Embora isso possa parecer um pouco complicado para quem não conhece a química nuclear, é um conceito útil e versátil para entender completamente.

O que é decaimento radioativo?

Como você deve saber, os elementos atômicos podem ter diferentes isótopos, que são versões diferentes de um elemento com o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons contidos no núcleo. Assim, a massa atômica desses isótopos será diferente, assim como algumas de suas propriedades físicas, mas suas propriedades químicas são geralmente as mesmas. Todo elemento químico possui um ou mais isótopos, alguns dos quais são estáveis ​​e outros instáveis. Um núcleo atômico é considerado estável quando as forças que mantêm os prótons e nêutrons unidos são mais fortes do que as forças que tentam separá-los (força atômica forte versus repulsão eletrostática).

O exemplo mais simples disso é o hidrogênio, que possui dois isótopos estáveis ​​- próton (1 próton) e deutério (conhecido como “hidrogênio pesado”, com 1 próton e 1 nêutron). No entanto, o hidrogênio também possui um isótopo instável que ocorre naturalmente, conhecido como trítio, que possui 1 próton e 2 nêutrons. A instabilidade desse radioisótopo  significa que ele deseja se decompor em uma forma diferente e mais estável.

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Como seres humanos que lutam com o romance, os núcleos atômicos estão constantemente buscando estabilidade, e podem conseguir isso através do processo de decaimento radioativo . Se houver muita energia dentro de um núcleo atômico para permanecer junto, então o núcleo se decomporá, perdendo pelo menos algumas das partes (núcleons) que o tornam instável. Os núcleos instáveis ​​originais serão chamados de “pais”, enquanto os núcleos mais estáveis ​​resultantes serão chamados de “filhas”. As filhas ainda podem ser radioativas (instáveis) – embora mais estáveis ​​do que antes – e, portanto, possam sofrer mais decadências. Elementos maiores com mais núcleons – ou seja, qualquer elemento com um número atômico acima de 83 – têm um núcleo instável e, portanto, radioativo. No entanto, a intensidade dessa radioatividade pode variar bastante.

O polônio (Po-210), por exemplo, é um radioisótopo raro e altamente volátil, sem isótopos estáveis. Emite uma forma de radiação incrivelmente alta energia durante o decaimento alfa – e realmente brilha em azul! – tornando-o um dos elementos mais radioativos. Porém, decai relativamente rapidamente e tem uma meia-vida de apenas 140 dias, dividindo-se em chumbo (Pb-206) como produto de decomposição.

O isótopo radioativo polônio 210 (Meggi) S

Po-210: um isótopo radioativo volátil de polônio (Crédito da foto: Meggi / Shutterstock)

Existem três tipos de decaimento radioativo que ocorrem com base no tipo de instabilidade encontrada no núcleo.

Alpha Decay

No caso de decaimento alfa, o núcleo buscará estabilidade emitindo uma partícula alfa (dois prótons e dois nêutrons, essencialmente um átomo de hélio). O número atômico diminuirá em 2 após esse tipo de decaimento. O urânio-238 é o isótopo mais comum de urânio encontrado na natureza e, embora tenha uma meia-vida de 4,5 bilhões de anos, quando o núcleo atômico se decompõe, ele libera uma partícula alfa para se tornar o tório-234. As partículas alfa são incapazes de penetrar em muitas substâncias (e podem ser paradas por um pedaço de papel!), Mas ainda são liberadas em grandes velocidades e podem ser perigosas para as células vivas, pois podem derrubar elétrons dos átomos próximos. Portanto, as partículas alfa são perigosas quando ingeridas ou introduzidas no corpo, mas geralmente são consideradas inofensivas para os seres humanos, pois nem conseguem penetrar na roupa de uma pessoa!

Diagrama de decaimento alfa com um núcleo instável com nêutrons e prótons (OSweetNature) S

Diagrama de decaimento alfa (Crédito da foto: OSweetNature / Shutterstock)

Beta Decay

Quando ocorre o decaimento beta, uma corrente de partículas beta (elétrons) é ejetada do núcleo, fazendo com que um dos nêutrons se transforme em um próton (β-decaimento) ou um próton se transforme em um nêutron (β + decaimento). O número atômico aumentará ou diminuirá em 1, embora a massa atômica permaneça inalterada. Um exemplo comum de decaimento beta é a decomposição atômica do estrôncio-90 em um isótopo de ítrio-90, que libera um elétron durante esse processo de decaimento β. Uma partícula beta é cerca de 8.000 vezes menor que uma partícula alfa e, portanto, é considerada mais perigosa, pois pode penetrar nas roupas e na pele, ao contrário das partículas alfa, embora normalmente seja bloqueada por paredes e viaja apenas alguns metros quando emitida.

Deterioração beta, diagrama de energia nuclear mostrando a liberação de radiação (OSweetNature) s

Diagrama de decaimento beta (Crédito da foto: OSweetNature / Shutterstock)

Decaimento gama

Enquanto as duas formas anteriores de decaimento emitem átomos de hélio e elétrons / pósitrons, o decaimento gama resulta na emissão de fótons de alta energia, permitindo que o núcleo atinja uma forma mais estável, sem alterar o número atômico ou o número de massa. Essa é a forma mais perigosa de radiação, pois a emissão não tem massa e pode passar por quase qualquer substância. São necessários vários centímetros de chumbo ou vários metros de concreto para bloquear efetivamente esses “raios gama”, que passarão diretamente pelo corpo sem pensar duas vezes, afetando tudo, desde a medula óssea até os tecidos dos órgãos mais sensíveis. Os raios gama são essencialmente uma forma de luz, um poderoso tipo de radiação eletromagnética que nasce em estrelas explosivas e como resultado de outras reações nucleares.

O que é meia-vida?

Agora que você entende o decaimento radioativo, a idéia de meia-vida se torna muito mais fácil de conceber. À medida que os isótopos radioativos se decompõem em formas mais estáveis ​​por meio de decaimento alfa, beta e gama, a quantidade do material “original” original é diminuída. Agora, não há como dizer com precisão quando um determinado núcleo sofrerá decaimento radioativo, pois os átomos são incrivelmente pequenos e imprevisíveis. No entanto, quando considerado em grande número (milhões, bilhões ou trilhões de átomos individuais), a probabilidade estatística de decaimento radioativo pode ser medida.

O comportamento quântico de átomos individuais é impossível de avaliar, mas o comportamento de um grande grupo de átomos está sujeito a probabilidade e, portanto, a um nível confiável de certeza estatística. Na física nuclear, a meia-vida é um instrumento útil para medir a rapidez com que um radioisótopo sofrerá decaimento radioativo ou quanto tempo um isótopo estável permanecerá intacto. Talvez seja mais fácil entender a meia-vida com um exemplo. Vamos considerar a meia-vida do radioisótopo níquel-63, que se decompõe em cobre-63 através do decaimento beta.

O níquel-63 tem uma meia-vida de 100 anos, então vamos considerar uma amostra desse elemento radioativo composto por 1.000.000 de átomos. Após 100 anos, aproximadamente 500.000 átomos terão se decomposto em cobre-63, um isótopo estável que não emitirá mais radiação ou se deteriorará ainda mais, enquanto 500.000 átomos radioativos de níquel-63 permanecerão. Vamos extrapolar isso um pouco mais …

100 anos – 500.000 átomos de níquel-63

200 anos – 250.000 átomos de níquel-63

300 anos – 125.000 átomos de níquel-63

400 anos – 62.500 átomos de níquel-63

500 anos – 31.250 átomos de níquel-63

600 anos – 15.625 átomos de níquel-63

Quando um isótopo radioativo se decompõe em um isótopo estável de material “filha”, ele não decai mais ou emite mais radiação. Assim, com o tempo, o mesmo material radioativo se tornará menos perigoso, pois não emitirá tantas partículas alfa, beta ou gama. Após 10 meias-vidas, haverá menos de um milésimo da radioatividade original da amostra e geralmente será considerado completamente inofensivo.

A taxa de quebra radioativa de cada material permanece constante, mas cada isótopo tem uma meia-vida diferente, variando de hidrogênio-7 (1 próton e 6 nêutrons), com meia-vida de 2,3 × 10-23 segundos, até o fim a Tellurium-128 (52 prótons e 76 nêutrons), que possui meia-vida de 2,2 × 10 24 anos – 150 trilhões de vezes mais que a idade do universo!

Uma palavra final

Quando você começa a observar as coisas em escala atômica ou quântica, fica muito mais difícil ser preciso em relação a um único átomo. Ao observar um único átomo de urânio-235, é impossível saber quando ou se ele sofrerá deterioração radioativa e se tornará um único átomo de tório-231. No entanto, ao observar um milhão de átomos de urânio-235, é uma probabilidade estatística precisa dizer que metade dos átomos terá decaimento alfa dentro de 703 milhões de anos!

Embora a meia-vida esteja tipicamente associada à física nuclear, também é um conceito aplicável e útil na tecnologia médica, como na farmacocinética de certos medicamentos, bem como no uso de pesticidas em plantas e na datação radiométrica de carbono de fósseis de dinossauros. ! Os cálculos de meia-vida são uma maneira de entender o domínio quântico imprevisível e poder avaliar o impacto a longo prazo dos materiais radioativos no meio ambiente e na vida neste planeta!

Referências:

  1. Centro de Recursos NDE / NDT
  2. EUROfusion
  3. NRC
  4. Agência internacional de energia atômica

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