A
radioatividade (AO 1945: radioactividade) (também chamado de
radiatividade (AO 1945: radiactividade)) é um
fenômeno natural ou artificial, pelo qual algumas substâncias ou
elementos químicos, chamados radioativos, são capazes de emitir
radiações,
[1] as quais têm a propriedade de impressionar placas fotográficas, ionizar
gases, produzir
fluorescência e atravessar corpos opacos à
luz. As radiações emitidas pelas substâncias radioativas são principalmente
partículas alfa,
partículas beta e
raios gama. A radioatividade é uma forma de
energia nuclear, usada em
medicina (
radioterapia), e consiste no fato de alguns
átomos como os do
urânio,
rádio e
tório serem “instáveis”, perdendo constantemente partículas alfa, beta e gama (
raios-X). O urânio, por exemplo, tem 92
prótons, porém através dos séculos vai perdendo-os na forma de radiações, até terminar em
chumbo, com 82 prótons estáveis. Foi observada pela primeira vez pelo francês
Henri Becquerel em 1896 enquanto trabalhava em materiais
fosforescentes.
[2]
A radioatividade pode ser:
- Radioatividade natural ou espontânea: É a que se manifesta nos elementos radioativos e nos isótopos que se encontram na natureza e poluem o meio ambiente.
- Radioatividade artificial ou induzida: É aquela que é provocada por transformações nucleares artificiais.
O fenômeno da desintegração espontânea do núcleo de um átomo com a emissão de algumas radiações é chamado de radioatividade. A radioatividade transforma núcleos instáveis fazendo surgir as radiações α, β e γ.
A lei fundamental do decaimento radioativo afirma que a taxa de decaimento é proporcional ao número de núcleos que ainda não decaíram:
Esta é a equação da lei básica para a radioatividade.
A medida da intensidade da radioatividade é feita em duas unidades que são:
- Curie: Definido como a quantidade de material radioativo que
dá

desintegrações por segundo.
- Rutherford (Rd): é definido como a quantidade de substância radioativa que dá
desintegrações por segundo.
Na natureza existem elementos radioativos que exibem transformação sucessiva, isto é, um elemento decai em substância radioativa que também é radioativa. Na transformação radioativa sucessiva, se o número de nuclídeos qualquer membro da cadeia é constante e não muda com o tempo, é chamado em equilíbrio radioativo.
[3] A condição de equilíbrio é portanto:
ou

.
Onde os subscritos P, D e G indicam núcleo-pai (do Inglês parent), núcleo-filha (do Inglês daughter) e núcleo-neta (do Inglês granddaughter) respectivamente.
O estudo da radioatividade e radioisótopos tem várias aplicações na ciência e tecnologia. Algumas delas são:
1. Determinação da idade de materiais antigos com auxílio de elementos radioativos.
2. Análises para obtenção de vestígios de elementos.
3. Aplicações médicas como diagnóstico e tratamento.
Em 1896, Henri Becquerel (1852-1908) estudava, na
École Polytechnique, a possibilidade de que o sol poderia provocar a emissão de raios X pelos cristais. O método por ele utilizado era de que o colocava-se cristais perto de placas fotográficas envoltas em um papel escuro, tendo uma tela composta de fios de cobre entre os dois.
[5]Produz-se a radioatividade induzida quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Se a
energia destas partículas tem um valor adequado, elas penetram no núcleo bombardeado formando um novo núcleo que, no caso de ser instável, se desintegra posteriormente. Foi realizada pela primeira vez pelo físico neozelandês
Ernest Rutherford, ao bombardear
átomos de
nitrogênio, com partículas alfas, obtendo
oxigênio. Sendo estudada pelo casal “Joliot-Curie” (
Frédéric Joliot e
Irène Joliot-Curie), bombardeando núcleos de
boro e
alumínio com
partículas alfa, eles observaram que as substâncias bombardeadas emitiam radiações após retirar o corpo radioativo emissor das partículas alfa. O estudo da radioatividade permitiu um maior conhecimento da estrutura dos núcleos atômicos e das partículas subatômicas. Abriu-se a possibilidade da transmutação dos elementos, ou seja, a transformação de elementos em elementos diferentes. Inclusive o sonho dos
alquimistas de transformar outros elementos em
ouro se tornou realidade, mesmo que o processo economicamente não seja rentável.
[4]
Os raios de sol causando a emissão dos raios X nos cristais , os mesmos deveriam penetrar no papel escuro, mas não penetrando nos fios de cobre da tela e assim o cientista poderia ver a fotografia da tela na placa. Em seguida Becquerel colocou a tela em uma gaveta e deixou o cristal sem nenhuma proteção sobre uma mesa. Retornou , dias depois, e viu que nela havia uma impressão da tela de cobre. Sua conclusão foi a de que a radiação emitida pelo cristal (no caso de urânio) não havia sido provocada pelo Sol , e sim por alguma propriedade do mesmo cristal. Mais tarde Becquerel repetiu a experiência colocando o cristal e a placa fotográfica dentro de uma caixa blindada e obteve o mesmo resultado.
Em 1898,
Marie (1867-1934) e
Pierre Curie (1859-1906) descobriram elementos que produzem os raios catódicos, por exemplo, o rádio. Observando que a radiação deste elemento era maior que a do urânio. Logo a seguir batizou este fenômeno de radioatividade.
Logo após, Ernest Rutherford achou dois tipos de raios, os quais ele batizou de alfa e beta. O raio beta tendo uma característica de alto poder de penetração e o raio alfa, ao contrário, pequeno poder de penetração. Os raios beta são elétrons e os raios alfa são núcleos de
hélio. Logo em seguida descobriu-se que os raios beta, ao serem defletidos em campos elétricos, mostravam ter carga negativa e tinham uma velocidade muito maior do que a dos raios catódicos - os raios beta são elétrons que vêm de dentro do núcleo e com muito mais energia. Rutherford, por outro lado, mostrou que a relação carga-massa do raio alfa era parecida com a do hidrogênio e que sua carga era duas vezes maior do que a do hidrogênio. Descobriu, portanto, o primeiro núcleo mais pesado que o hidrogênio - o hélio.
[5]
O decaimento radioativo é um processo que envolve conceitos de probabilidade. Partículas dentro de um átomo têm certas probabilidades de decair por unidade de tempo de uma maneira espontânea. A probabilidade de decaimento é independente da vida previa da partícula. Por exemplo se N(t) é considerado o número de partículas como função do tempo, então, temos a taxa de decaimento sendo proporcional a N.
[5]
Formulando matematicamente temos:
A constante de proporcionalidade tem dimensão inversalmente proporcial ao tempo.
onde

é o número inicial de partículas. O número de partículas de um dado elemento decai exponencialmente numa taxa diretamente proporcional ao elemento. Define-se a vida média de um elemento como
Tendo um exemplo de muitas partículas, 1/e delas (cerca de 37,8%) não decairão após um tempo

. Na
Física Nuclear trabalha-se com o conceito de vida média, que é o tempo depois do qual a amostra se reduziu à metade.
[5]
Relacionando essas duas quantidades ,assim temos:
Quanto aos tipos de radiação, descobriu-se que um
campo elétrico ou
magnético podia separar as emissões em três tipos de raios. Por falta de melhores termos, os raios foram designados
alfabeticamente como
alfa,
beta e
gama, o que se mantém até hoje. Enquanto que o decaimento alfa foi apenas observado nos elementos mais pesados (número atómico 52,
telúrio, e maiores), os outros dois tipos de decaimento foram observados em todos os elementos.
[6]
Ao analisar-se a natureza dos produtos do decaimento, tornou-se óbvio a partir da direção das
forças eletromagnéticas produzidas sobre as radiações pelos campos magnético e elétrico externos, que os raios alfa tinham carga positiva, os raios beta carga negativa, e que os raios gama eram neutros. A partir da magnitude de defleção, era claro que as partículas alfa eram muito mais maciças do que as partículas beta. Fazer passar partículas alfa através de uma janela de vidro muito fina e encerrá-las numa
lâmpada de néonpermitiu aos investigadores estudarem o
espectro de emissão do gás resultante, e finalmente demonstrarem que as partículas alfa são núcleos de
hélio. Outras experiências mostraram a semelhança entre a radiação beta clássica e os
raios catódicos: são ambos fluxos de eletrões. De igual modo, descobriu-se que a radiação gama e os
raios-X são formas semelhantes de
radiação eletromagnética de alta-energia.
[6]
Embora os decaimentos alfa, beta e gama sejam os mais comuns, outros tipos seriam descobertos. Pouco depois da descoberta do
positrão em produtos de raios cósmicos, percebeu-se que o mesmo processo que opera no
decaimento beta clássico pode também produzir positrões (
emissão positrónica). Num processo análogo, descobriu-se que ao invés de emitirem positrões e neutrinos, alguns nuclídeos ricos em protões capturavam os seus próprios eletrões atómicos (
captura eletrónica), e emitem apenas um neutrino (e geralmente também um raio gama). Cada um destes tipos de decaimento envolve a captura ou emissão de eletrões ou positrões nucleares, e leva o núcleo a aproximar-se da razão entre neutrões e protões que tem a menor energia para um dado número total de
nucleões (neutrões mais protões).
[6]
Pouco tempo após a descoberta do
neutrão em 1932,
Enrico Fermi descobriu que certas reações de decaimento raras produziam neutrões como partícula de decaimento (
emissão de neutrões). A
emissão protónica isolada acabaria por ser observada em alguns elementos. Foi também descoberto que alguns elementos mais pesados podem sofrer
fissão espontânea resultando em produtos de composição variável. Num fenómeno chamado
decaimento aglomerado, observou-se que eram emitidas ocasionalmente pelos átomos
combinações específicas de neutrões e protões (núcleos atómicos), que não as partículas alfa.
Foram descobertos outros tipos de decaimento radioativo que emitiam partículas já conhecidas, mas por meio de mecanismos diferentes. Um exemplo é a
conversão interna, a qual resulta na emissão eletrónica e por vezes emissão de fotões de alta-energia, embora não envolva nem decaimento beta nem decaimento gama. Este tipo de decaimento (como o decaimento gama de transição isomérica) não transmuta um elemento em outro.
[6]
São conhecidos eventos raros que envolvem a combinação de dois eventos de decaimento beta com ocorrência simultânea. É admissível qualquer processo de decaimento que não viole as leis de conservação da energia ou do momento (e talvez outras leis de conservação) , embora nem todos tenham sido detectados.
As radiações gama não alteram o número atômico nem o número de massa do átomo. Quando um átomo emite uma partícula radioativa dizemos que ele sofreu uma desintegração.
1ª Lei da Radioatividade ou
1ª Lei de Soddy (
1ª lei da radiatividade natural ) - Quando um radioisótopo emite uma partícula alfa (α) originará um novo elemento que apresenta redução de duas unidades em seu número atômico (

prótons) e redução de 4 unidades em seu número de
massa (A – 4).
Por exemplo, o plutônio apresenta número de massa igual a 242 e número atômico de 94, ao emitir uma partícula alfa (α), será transmutado a urânio com número de massa igual a 238 e
número atômico, 92.
[8]
2ª Lei da Radioatividade ou
2ª Lei de Soddy (
ainda conhecida por Lei de Fajans e Russel ) - Quando um radioisótopo emite uma
partícula beta (β) o seu número atômico aumenta em uma unidade e o seu número de
massa praticamente não sofre alteração.
[9]
A desintegração de um nêutron no núcleo de um radioisótopo instável gera: um
próton, uma partícula beta (β), um
antineutrino,
radiação gama. Por isso, o
número atômicoaumenta em uma unidade, já que nesse núcleo houve a formação de um novo próton.
Por exemplo, o
tório apresenta
massa atômica igual a 234 e número atômico, 90; ao emitir uma partícula beta (β), será transmutado a protactínio, que apresenta massa atômica igual a 234 e número atômico, 91.
As leis da desintegração radioativa, descritas por
Soddy e
Fajans, são:
[10]
- Quando um átomo radioativo emite uma partícula alfa, o número de massa do átomo resultante diminui em 4 unidades e o número atômico em 2 unidades.
- Quando o átomo radioactivo emite uma partícula beta, o número de massa do átomo resultante não varia e o seu número atômico aumenta em 1 unidade.
- Quando um núcleo "excitado" emite uma radiação gama não ocorre variação no seu número de massa e número atômico, porém ocorre uma perda de uma quantidade de energia "hν".
Desse modo, a emissão de partículas alfa e beta pelos átomos instáveis muda seu número atómico, transformando-os em outros elementos. O processo de desintegração nuclear só termina com a formação de átomos estáveis. O
urânio-238, por exemplo, vai sofrendo decaimento até formar o elemento
chumbo-206.
Decaimento radioativo como um processo estatístico[editar | editar código-fonte]
A lei de decaimento radioativo, foi deduzida a partir da suposição que decaimento radioativo num intervalo de tempo dado

.
[11]
A ideia é que todos os núcleos dum dado elemento químico são indistinguíveis. O melhor que se pode fazer é determinar o número médio de núcleos sofrendo decaimento no intervalo de tempo a partir de

até

.
Assim, o que nós temos é um processo estatístico, isto é, o decaimento dum dado núcleo é um evento aleatório possuindo uma certa probabilidade de ocorrência.
A probabilidade de decaimento por unidade de tempo por núcleo pode ser deduzida como se segue. Se nós temos N núcleos originais e o número que sofre decaimento no intervalo de tempo

é

, então o decrescimento relativo,

no número de núcleos por unidade de tempo, isto é, a quantidade

dá a probabilidade de decaimento por unidade de tempo por núcleo.
Esta definição concorda com o significado da constante de decaimento,

.
Por definição, a constante de decaimento é a probabilidade de decaimento por unidade de tempo por unidade de núcleo.