In�cio Show
In�cio Vamos come�ar este tema estudando as part�culas Estas part�culas n�o s�o elementares e originam-se no n�cleo at�mico, possuindo caracter�sticas distintas em rela��o �s suas intera��es com a mat�ria. A alfa penetra pouco, enquanto a gama tem um poder maior de penetra��o na mat�ria. Foi com o estudo da radia��o beta que Pauli postulou a exist�ncia de uma part�cula neutrinha. Fermi batizou esta part�cula elementar de neutrino. Em seguida, veremos quais s�o as atuais part�culas elementares. Estas, sim, hoje s�o indivis�veis e constituem as bases para montar toda mat�ria conhecida. Concluiremos a nossa disciplina com a vida e obra do Prof. Cesar Lattes, um dos maiores cientistas brasileiros que, al�m de participar de uma das mais importantes descobertas da f�sica de part�culas, a observa��o do m�son Pi, contribuiu na forma��o da v�rias institui��es cient�ficas brasileiras. Descoberta e diferen�asPara come�ar este t�pico, vamos assistir a dois v�deos que descrevem a descoberta da radia��o de Becquerel e seus diferentes poderes de penetra��o na mat�ria.
Estabilidade nuclearCom a descoberta do pr�ton por Rutherford em 1919 e do n�utron por James Chadwick em 1931, o modelo at�mico ficou descrito por um n�cleo, composto por pr�tons e n�utrons muito pr�ximos, rodeado por el�trons. Os pr�tons possuem carga el�trica positiva e os n�utrons n�o possuem carga. Como o n�cleo pode existir com a for�a el�trica repulsiva entre os pr�tons? Por que ocorre a emiss�o de part�culas pelo n�cleo? A forma simb�lica de representar um n�cleo com N n�utrons e Z pr�tons � , onde A=Z+N � o n�mero de massa e X � o s�mbolo qu�mico do elemento. Os nucl�deos podem ser organizados em uma carta de nucl�deos. Carta de nucl�deos
Para os nucl�deos est�veis,o n�mero de pr�tons at� Z=20 � igual ao n�mero de n�utrons. Para Z maiores, � necess�rio um n�mero de n�utrons maior do que o de pr�tons, para manter a estabilidade do n�cleo. No interior do n�cleo, atua a for�a nuclear forte, que faz com que os n�cleons exer�am uma enorme for�a atrativa entre eles. Esta for�a � de curto alcance, alguns fent�metros, 10-15m, atuando somente dentro do n�cleo. A for�a nuclear forte � aproximadamente a mesma entre dois n�utrons e entre dois pr�tons ou entre um pr�ton e um n�utron. Para Z elevados, a for�a eletrost�tica repulsiva cresce, fazendo com que os nucl�deos est�veis precisem de uma maior quantidade de n�utrons, que somente aumentam a for�a atrativa nuclear. Taxa de decaimentoRutherford descobriu que a taxa de emiss�o das part�culas radioativas diminui exponencialmente, indicando que a desintegra��o radioativa � um processo estat�stico. Se N for o n�mero de nucl�deos radioativos presentes num certo instante na amostra, a taxa de varia��o temporal de N �
onde λ � a constante de desintegra��o. Podemos reescrever esta equa��o e integr�-la, para obter a equa��o do n�mero N de nucl�deos restantes ap�s um intervalo de tempo t.
No � o n�mero de nucl�deos no instante t=0. Se derivarmos a �ltima equa��o, obtemos a taxa de decaimento, tamb�m denominada de atividade R.
A meia-vida de uma subst�ncia radioativa � o intervalo de tempo necess�rio para que o n�mero inicial de nucl�deos seja reduzido � metade do valor inicial.
Resolvendo, em Meia-vida ou vida m�dia?
O decaimento alfa � a emiss�o do n�cleo do �tomo h�lio, 4He. Existem muitos n�clideos, nos quais ocorre o decaimento alfa. Vamos estudar o caso do 211Po
Observe que o n�cleo filho tem quatro unidades a menos no A que o n�cleo pai. Este decaimento pode ocorrer espontaneamente, porque a soma das massas dos produtos da desintegra��o ( ) � menor do que a massa do nucl�deo pai ( ). No decaimento radioativo, a diferen�a entre as energias de repouso inicial e final � denominada de energia de desintegra��o Q do n�cleo, e aparece na forma de energia cin�tica dos produtos da decomposi��o nuclear. Aplica��o de E=mc2Temos aqui uma aplica��o da equa��o E=moc2 e da Lei de Conserva��o da Energia para a rea��o de desintegra��o do 211Po.
Voc� pode obter o valor da massa at�mica de todos os nucl�deos no site do NIST, clique aqui. onde u � a Unidade de massa at�mica. O valor de Q convertido para MeV, para esta desintegra��o, �:
Esta energia aparece na forma de energia cin�tica e quase na totalidade vai para a part�cula alfa, pois esta possui uma massa muito menor do que o 207Pb. Alfa e o t�nel
Agora, veremos uma aplica��o da equa��o de Schr�dinger para explicar a meia-vida do decaimento alfa. Consideramos que uma part�cula alfa j� existe dentro do n�cleo e est� submetida a um potencial V(r), que � originado pela for�a atrativa nuclear e pela for�a repulsiva el�trica. Veja o esbo�o deste potencial na figura ao lado. At� r=R, atua a for�a nuclear forte, e para r > R atua a for�a el�trica que cria uma barreira. A part�cula alfa fica oscilando neste po�o com uma energia aproximadamente igual a Q. Classicamente, com uma energia menor do que o m�ximo de V(r), ela nunca conseguiria sair do po�o. Mas a fun��o de onda da part�cula alfa, obtida pela solu��o da equa��o de Schr�dinger com o potencial V(r), tem amplitude n�o nula fora do po�o. Note que, para as duas fun��es de onda representadas na figura, a amplitude da onda � maior dentro do po�o; no t�nel, esta diminui exponencialmente, e fora do po�o tem uma amplitude menor. A probabilidade de a part�cula estar num determinado local � |Ψ|2. Logo, existe uma chance n�o nula de a part�cula atravessar a barreira e ficar livre fora do po�o. M�gica? N�o, realidade comprovada experimentalmente! O decaimento alfa se deve exclusivamente ao efeito t�nel. Simula��o de alfaA meia-vida da desintegra��o � muito sens�vel ao valor da energia de desintegra��o Q. Nesta tabela, pode-se ver o quanto a meia-vida varia para dois radionucl�deos do Ur�nio. Note que, neste caso, o potencial da barreira � praticamente o mesmo, pois o Th de ambas as desintegra��es tem Z=90. Agora, brinque com a simula��o do decaimento alfa.
Usando o 211Po na janela '�nico �tomo', voc� pode 'medir' os tempos de decaimento, fazer um gr�fico, verificar o comportamento estat�stico do decaimento e obter a meia-vida deste radionucl�deo. Mas um bom resultado s� � obtido analisando-se muitos (pelo menos algumas centenas) decaimentos. Bom divertimento! Beta
O el�tron ou o p�sitron n�o existem dentro do n�cleo, eles s�o criados no momento do decaimento, a partir da convers�o da energia em massa. Logo, n�o temos tunelamento qu�ntico. No caso do decaimento β-, um dos n�utrons do n�cleo emite um el�tron e um antineutrino, e se transforma em um pr�ton:
J� no decaimento β+, um dos pr�tons do n�cleo emite um p�sitron e um neutrino:
As representa��es gerais do decaimento β- e β+ s�o escritas como:
Os processos de decaimento beta s�o uma prova de que os pr�tons e n�utrons n�o s�o part�culas elementares. Simula��o de beta
A detec��o do neutrino � muito dif�cil, pois, al�m de n�o possuir carga el�trica, a sua massa � quase zero e ele interage muito pouco com a mat�ria. Isto fez com que a previs�o de Pauli fosse observada experimentalmente somente 26 anos depois. Os el�trons e neutrinos n�o est�o sujeitos � intera��o nuclear forte, que mant�m os pr�tons e n�utrons unidos no n�cleo, e a intera��o eletromagn�tica tamb�m n�o pode ser a respons�vel pelo processo de decaimento do n�utron, visto que este n�o possui carga el�trica. Para explicar os decaimentos beta, foi descoberta a intera��o nuclear fraca.
Gama
Frequentemente, um decaimento alfa ou beta � seguido por um decaimento gama. O radionucl�deo decai para um estado excitado, emitindo um el�tron ou alfa, e logo depois o n�cleo pode ir para o estado fundamental, emitindo a radia��o gama. Alguns poucos estados excitados apresentam tempos longos e s�o denominados de estados metaest�veis. A ordem de grandeza do comprimento de onda da radia��o gama �:
Devido � quantiza��o dos estados de energia do n�cleo, as energias dos raios gama s�o bem determinadas. A energia da radia��o gama � utilizada como energia de calibra��o para detectores de part�culas na regi�o de MeV. C�sio-137
O C�sio-137, 55Cs137, , � um radionucl�deo produzido por fiss�o nuclear, que decai por emiss�o beta menos para o 56Ba137. Em 5,4% das vezes, emite um el�tron com energia m�xima de 1,174 MeV, e em 94,6% emite um el�tron com energia m�xima de 0,5120 MeV. Nesta segunda possibilidade, o nucl�deo resultante � o 56Ba137m, um metaestado do B�rio, que ap�s 2,55 minutos emite um raio gama com 0,6617MeV. O diagrama de energia destes processos de decaimento � mostrado na figura ao lado.
A sua meia-vida � de 30,08 anos. Veja na figura o gr�fico de N(t) para 1 grama de 55Cs137, num per�odo de cem anos. Benef�cios e perigos da radia��o - As radia��es s�o utilizadas na medicina, na ind�stria, particularmente a farmac�utica, e na agricultura. Manuseio, transporte, armazenamento e utiliza��o de fontes radioativas necessitam de cuidados especiais, visto que estas normalmente n�o s�o percept�veis. (Clique nas imagens para ampli�-las) Em 1987, a falta de prote��o e controle de uma c�psula contendo Cs-137, aliada � ignor�ncia geral sobre o tema e ao fasc�nio da luz azulada produzida pelo C�sio, levou ao maior acidente radioativo do Brasil. Veja o v�deo sobre este triste epis�dio da nossa hist�ria. Aprofundando o conhecimentoInternet
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Livros/Artigos
O que acontece com um elemento radioativo ao emitir uma radiação beta mais?Assim, quando um elemento radioativo emite uma partícula beta, ele se transforma em um isóbaro, isto é, elemento com mesmo número de massa (pois ele perdeu um nêutron, mas ganhou um próton) e com número atômico (número de prótons) maior 1 unidade.
O que acontece quando um elemento pai decai emitindo radiação beta menos?Na equação de decaimento beta (pósitron), um átomo pai (P) transmuta para um átomo filho (F) mais radiação beta (e = pósitron e um neutrino (ν).
O que e radiação beta negativa?A radiação beta é a que possui carga negativa, por isso se assemelha aos elétrons. Os raios beta são mais penetrantes e menos energéticos que as partículas alfa, conseguem atravessar o papel alumínio, mas são facilmente barrados por pedaços de madeira.
Quando um elemento químico emite um raio beta β PodeA emissão β corresponde à perda de uma carga negativa por parte do núcleo, o que causa o aumento no número atômico em uma unidade.
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O que acontece com um elemento radioativo ao emitir uma radiação beta menos?
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