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A decadência nuclear proporcionou uma janela incrível para o reino dos muito pequenos. A decadência nuclear deu a primeira indicação da ligação entre massa e energia, e revelou a existência de duas das quatro forças básicas na natureza. Nesta seção, exploramos os principais modos de decadência nuclear; e, como aqueles que os exploraram pela primeira vez, vamos descobrir evidências de partículas previamente desconhecidas e leis de conservação.

alguns nuclídeos são estáveis, aparentemente vivendo para sempre. Os nuclídeos instáveis decaem (ou seja, são radioativos), acabando por produzir um nuclídeo estável após muitas decadências. Nós chamamos o nuclídeo original de pai e seus produtos de decadência de filhas. Alguns nuclídeos radioativos decaem em um único passo para um núcleo estável. Por exemplo, o 60Co é instável e decai diretamente para o 60Ni, que é estável. Outros, como a 238U, decaem para outro nuclídeo instável, resultando numa série de decaimento em que cada nuclídeo subsequente decai até que um nuclídeo estável seja finalmente produzido.

A série de decaimento que começa na 238U é de particular interesse, uma vez que produz os isótopos radioactivos 226Ra e 210Po, que os Curies descobriram pela primeira vez (ver Figura 1). O gás rádon também é produzido (222Rn na série), um perigo natural cada vez mais reconhecido. Como o rádon é um gás nobre, ele emana de materiais, como o solo, contendo até mesmo quantidades vestigiais de 238U e pode ser inalado. A decomposição do rádon e das suas filhas produz danos internos. A série de decaimento 238U termina com 206Pb, um isótopo estável de chumbo.

Notem que as filhas do α decaimento mostrado na Figura 1 sempre têm dois prótons a menos e dois nêutrons a menos do que o pai. Isto parece razoável, pois sabemos que a decadência de α é a emissão de um núcleo 4He, que tem dois prótons e dois nêutrons. As filhas de β decadência têm menos um nêutron e mais um próton do que o protão do pai. A decadência Beta é um pouco mais sutil, como veremos. No γ decaimento são mostrados na figura, porque elas não produzem uma filha que difere do pai.

Decadência alfa

Na decadência alfa, um núcleo 4He simplesmente se separa do núcleo pai, deixando uma filha com dois prótons a menos e dois nêutrons a menos do que o pai (ver Figura 2). Um exemplo de decadência α é mostrado na Figura 1 para 238U. Outro nuclídeo que sofre a decadência de α é o 239Pu. As equações de decaimento para estes dois nuclídeos são

^{238}{U}{234}}text{^234}{Th}_{92}^{234}+{^4}text{He}

e

{238}{\i1}text{\i}{\i1}text{\i}+{\i4}text{\i}

Se examinar a tabela periódica dos elementos, verá que Th tem Z = 90, dois a menos que U, que tem Z=92. Da mesma forma, na segunda equação de decadência, vemos que U tem dois prótons a menos que Pu, que tem Z = 94. A regra geral para α decadência é melhor escrita no formato _Z^A^text{X}_N. Se um certo nuclídeo é conhecido pela decadência de α (geralmente esta informação deve ser procurada numa tabela de isótopos, tal como no Apêndice B), sua equação de decaimento α é

_Z^A^texto{X}_N{{Z-2}^{A-4}}}text{Y}_{N-2}+{_2^4}text{He2}_2 esquerda(alfa)(decaimento) #9194>

onde Y é o nuclídeo que tem dois prótons a menos que X, como Th ter dois a menos que U. Então, se lhe dissessem que 239Pu α decai e lhe pedissem para escrever a equação de decaimento completa, você primeiro procuraria qual elemento tem dois prótons a menos (um número atômico dois a menos) e descobriria que este é o urânio. Então, como quatro núcleons se separaram do 239 original, sua massa atômica seria 235.

É instrutivo examinar as leis de conservação relacionadas à decadência do α. Você pode ver pela equação _Z^A^texto{X}_N{Z-2}{A-4}{Y}_{N-2}+{_2^4}textos{He}_2} que a carga total é conservada. O momento linear e angular também é conservado. Embora o momento angular conservado não seja de grande consequência neste tipo de decadência, a conservação do momento linear tem consequências interessantes. Se o núcleo está em repouso quando se decompõe, o seu momento é zero. Nesse caso, os fragmentos devem voar em direções opostas com igual momento de magnitude para que o momento total permaneça zero. Isto resulta na partícula α carregando a maior parte da energia, pois uma bala de uma espingarda pesada carrega a maior parte da energia do pó queimado para atirar. A energia total em massa também é conservada: a energia produzida na decomposição vem da conversão de uma fração da massa original. Como discutido em Física Atômica, a relação geral é E = (∆m)c2.

Aqui, E é a energia da reação nuclear (a reação pode ser a decadência nuclear ou qualquer outra reação), e Δm é a diferença de massa entre os produtos iniciais e finais. Quando os produtos finais têm menos massa total, Δm é positivo, e a reação libera energia (é exotérmica). Quando os produtos têm maior massa total, a reação é endotérmica (Δm é negativa) e deve ser induzida com uma entrada de energia. Para que o α decaimento seja espontâneo, os produtos de decaimento devem ter menor massa que o pai.

Beta Decay

Existem na verdade três tipos de decadência beta. O primeiro descoberto foi o decaimento beta “ordinário” e chama-se β- decaimento ou emissão de electrões. O símbolo β- representa um elétron emitido em decaimento beta nuclear. O cobalto-60 é um nuclídeo que β- decai da seguinte forma: 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

O neutrino é uma partícula emitida em decaimento beta que não foi prevista e é de importância fundamental. O neutrino nem sequer foi proposto em teoria até mais de 20 anos após o decaimento beta ser conhecido por envolver a emissão de electrões. Os neutrinos são tão difíceis de detectar que a primeira prova directa dos mesmos só foi obtida em 1953. Os neutrinos são quase sem massa, não têm carga e não interagem com os núcleons através da forte força nuclear. Viajando aproximadamente à velocidade da luz, eles têm pouco tempo para afetar qualquer núcleo que encontrem. Isto é, devido ao fato de que eles não têm carga (e não são ondas EM), eles não interagem através da força EM. Elas interagem através da força nuclear relativamente fraca e de muito curto alcance. Conseqüentemente, os neutrinos escapam de quase qualquer detector e penetram em quase qualquer blindagem. No entanto, os neutrinos carregam energia, momentum angular (são férmions com spin semi-integral) e momentum linear, longe de um decaimento beta. Quando medições precisas do decaimento beta foram feitas, tornou-se evidente que a energia, o momento angular e o momento linear não eram contabilizados apenas pelo núcleo da filha e pelo elétron. Ou uma partícula previamente insuspeita estava a transportá-los, ou três leis de conservação estavam a ser violadas. Wolfgang Pauli fez uma proposta formal para a existência de neutrinos em 1930. O físico americano de origem italiana Enrico Fermi (1901-1954) deu seu nome aos neutrinos, ou seja, aos pequenos neutros, quando desenvolveu uma sofisticada teoria de decadência beta (ver Figura 3). Parte da teoria de Fermi foi a identificação da força nuclear fraca como sendo distinta da força nuclear forte e de fato responsável pelo decaimento beta.

O neutrino também revela uma nova lei de conservação. Há várias famílias de partículas, uma das quais é a família dos electrões. Propomos que o número de membros da família dos electrões seja constante em qualquer processo ou em qualquer sistema fechado. No nosso exemplo de decomposição beta, não há membros da família dos electrões presentes antes da decomposição, mas depois, há um electrão e um neutrino. Assim, os elétrons recebem um número de família de elétrons de +1. O neutrino em β- decaimento é o antineutrino de um elétron, dado o símbolo \bar{\nu}_e, onde ν é a letra grega nu, e o subscrito e significa que este neutrino está relacionado com o elétron. A barra indica que se trata de uma partícula de antimatéria. (Todas as partículas têm contrapartidas de antimatéria que são quase idênticas, exceto que têm a carga oposta. A antimatéria está quase totalmente ausente na Terra, mas é encontrada na decomposição nuclear e outras reacções nucleares e de partículas, bem como no espaço exterior). O antineutrino antineutrino do electrão, sendo antimatéria, tem um número de família de electrões de -1. O total é zero, antes e depois da decadência. A nova lei de conservação, obedecida em todas as circunstâncias, afirma que o número total de família dos elétrons é constante. Um electrão não pode ser criado sem também criar um membro da família da antimatéria. Esta lei é análoga à conservação da carga numa situação em que a carga total é originalmente zero, e quantidades iguais de carga positiva e negativa devem ser criadas numa reacção para manter o zero total.

Se um nuclídeo _Z^A}_texto{X}_N} é conhecido por β- decadência, então sua equação de decadência β- decadência é

>>texto{X}_N-1}+{N-1}+beta^{-}+bar{\i}_e (β- decadência),

onde Y é o nuclídeo tendo mais um próton do que X (ver Figura 4). Então se você sabe que um determinado nuclídeo β- decai, você pode encontrar o núcleo filho procurando primeiro Z para o pai e depois determinando qual elemento tem o número atômico Z + 1. No exemplo do β- decaimento de 60Co dado anteriormente, vemos que Z = 27 para Co e Z = 28 é Ni. É como se um dos nêutrons do núcleo pai se decompusesse em próton, elétron e neutrino. De facto, os neutrões fora dos núcleos fazem isso mesmo – vivem apenas uma média de alguns minutos e β – decaem da seguinte forma:

>texto{n}{n}rightarrow}text{p}++beta^{-}+bar{\i}_e

Vemos que a carga é conservada em β- decadência, já que a carga total é Z antes e depois da decadência. Por exemplo, em 60Co decaimento, a carga total é 27 antes do decaimento, uma vez que o cobalto tem Z = 27. Após o decaimento, o núcleo filho é Ni, que tem Z = 28, e há um elétron, de modo que a carga total também é 28 + (-1) ou 27. O momento angular é conservado, mas não obviamente (é necessário examinar em detalhe os giros e o momento angular dos produtos finais para verificar isso). Também se conserva o momento linear, transmitindo novamente a maior parte da energia de decaimento ao elétron e ao antineutrino, já que são de massa baixa e zero, respectivamente. Outra nova lei de conservação é obedecida aqui e em outros lugares da natureza. O número total de núcleons A é conservado. Em 60Co de decomposição, por exemplo, há 60 núcleons antes e depois da decomposição. Note que o total de A também é conservado em α decadência. Note também que o número total de prótons muda, assim como o número total de nêutrons, de forma que o total Z e o total N não são conservados em β- decadência, assim como em α decadência. A energia liberada em β- decaimento pode ser calculada dadas as massas do pai e produtos.

O segundo tipo de decomposição beta é menos comum do que o primeiro. É β+desintegração. Certos nuclídeos decaem pela emissão de um electrão positivo. Este é o anti-eletron ou decaimento positron (ver Figura 5).

O anti-eletron é frequentemente representado pelo símbolo e+, mas no decaimento beta é escrito como β+ para indicar que o anti-eletron foi emitido em um decaimento nuclear. Os antieletrons são a contraparte antimatéria dos elétrons, sendo quase idênticos, tendo a mesma massa, spin, etc., mas tendo uma carga positiva e um número de família de elétrons de -1. Quando um positron encontra um elétron, há uma aniquilação mútua na qual toda a massa do par anti-eletrônico é convertida em energia fotônica pura. (A reação, e+ + e- → γ + γ, conserva o número de família de elétrons, assim como todas as outras quantidades conservadas). Se um nuclídeo _Z^A\text{X}_N\} é conhecido por β+ decaimento, então a sua equação β+ decaimento é

_Z^A\text{X}_N\text{X}_N\text{Y}_{N+1}+\beta^{+}+v_e\ (β+ decaimento),

onde Y é o nuclídeo com menos um próton que X (para conservar a carga) e νe é o símbolo do neutrino do electrão, que tem um número de família de electrões de +1. Como um membro da família das antimatéria (o β+) é criado na decomposição, um membro da família da matéria (aqui o νe) também deve ser criado. Dado, por exemplo, que o 22Na β+ decai, você pode escrever sua equação de decadência completa descobrindo primeiro que Z = 11 para 22Na, de modo que a filha nuclídeo terá Z = 10, o número atômico para néon. Assim a equação de decaimento de β+ para 22Na é

_{22}^{11}}{11}{11}{11}{11}{11}{10}^{22}}}}text{Ne}_{12}+\beta^{+}+v_e}

Em β+ decaimento, é como se um dos prótons do núcleo pai se decompusesse em um nêutron, um positron e um neutrino. Os prótons não fazem isso fora do núcleo, e assim a decadência é devido às complexidades da força nuclear. Note novamente que o número total de núcleos é constante nesta e em qualquer outra reação. Para encontrar a energia emitida em β+ decaimento, você deve contar novamente o número de elétrons nos átomos neutros, uma vez que são utilizadas massas atômicas. A filha tem menos um elétron que o pai, e uma massa de elétron é criada na decadência. Assim, em β+ decaimento,

Δm = m(parent) – ,

desde que usamos as massas dos átomos neutros.

A captura de electrões é o terceiro tipo de decaimento beta. Aqui, um núcleo captura um elétron de concha interna e sofre uma reação nuclear que tem o mesmo efeito que β+ decaimento. A captura de electrões é por vezes denotada pelas letras EC. Sabemos que os elétrons não podem residir no núcleo, mas esta é uma reação nuclear que consome o elétron e só ocorre espontaneamente quando os produtos têm menos massa que o pai mais o elétron. Se se souber que um nuclídeo _Z^A\text{X}_N é submetido à captura de electrões, então a sua equação de captura de electrões é

_Z^A\text{X}_N+e^{-}{-}{N+1}+v_e^ (captura de electrões, ou EC)

Um nuclídeo que pode β+ decair também pode ser submetido à captura de electrões (e muitas vezes faz ambos). As mesmas leis de conservação são obedecidas para a CE e para a decadência de β+. É uma boa prática confirmá-las por si mesmo.

Todas as formas de decaimento beta ocorrem porque o nuclídeo pai é instável e está fora da região de estabilidade no gráfico de nuclídeos. Os nuclídeos que têm relativamente mais nêutrons do que os da região de estabilidade irão β – decair para produzir uma filha com menos nêutrons, produzindo uma filha mais próxima da região de estabilidade. Da mesma forma, aqueles nuclídeos que têm relativamente mais prótons do que aqueles na região de estabilidade irão β- decair ou sofrer captura de elétrons para produzir uma filha com menos prótons, mais próxima da região de estabilidade.

Decadência Gamma

Decadência Gamma é a forma mais simples de decadência nuclear-é a emissão de fótons energéticos por núcleos deixados em estado excitado por algum processo anterior. Protões e nêutrons em um núcleo excitado estão em orbitais mais altos, e caem para níveis mais baixos por emissão de fótons (análogo aos elétrons em átomos excitados). Os estados excitados nucleares têm durações tipicamente de apenas 10-14 s, uma indicação da grande força das forças que puxam os núcleos para estados mais baixos. A equação de decaimento de γ é simplesmente

_Z^A^texto{X}_N^{*}{*}{{X}_N+gamma_1+gamma_2}dots_esquerda(^gamma_textos_decaimento)

onde o asterisco indica que o núcleo está em estado excitado. Pode haver um ou mais γ s emitidos, dependendo de como o nuclídeo se desexcita. Na decadência radioativa, a emissão de γ é comum e é precedida por γ ou β decadência. Por exemplo, quando o 60Co β- se decompõe, na maior parte das vezes deixa o núcleo filhas em estado excitado, escrito 60Ni*. Então o núcleo de níquel rapidamente γ decai com a emissão de dois penetrantes γs: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Estes são chamados raios de cobalto γ, embora provenham do níquel – eles são utilizados para a terapia do câncer, por exemplo. É mais uma vez construtivo verificar as leis de conservação para a decomposição gama. Finalmente, como γ decaimento não muda o nuclídeo para outra espécie, ele não é destacado nos gráficos das séries de decaimento, como na Figura 1.

Existem outros tipos de decaimento nuclear, mas eles ocorrem menos comumente que α, β, e γ decaimento. A fissão espontânea é a mais importante das outras formas de decaimento nuclear, devido às suas aplicações em energia nuclear e armas. Ela é abordada no próximo capítulo.

Secção Resumo

• Quando um núcleo pai decai, ele produz um núcleo filho seguindo regras e leis de conservação. Existem três tipos principais de decadência nuclear, chamados alfa (α), beta (β), e gama (γ). A equação de decaimento α é _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}}text{Y}_{N-2}+{_2^4}}text{He}_2\\\possui{He}_2\possui}_6680>
• O decaimento nuclear liberta uma quantidade de energia E relacionada com a massa destruída ∆m por E = (∆m)c2.
• Existem três formas de decaimento beta. A equação de decaimento β- é _{Z}^{A}}{X}_{N}{N}}{Xe}_{N+1}{A}}text{Y}_{N – 1}+{\i1}beta ^{-}+{\i}bar{\i}{e}}.
• A equação de decadência de β+ é _{Z}^{A}_texto{X}_{N}_{N}{N – 1}{A}textos{_Z – 1}{Y}_{N+1}+{\i1}beta {\i}{\i}-
• A equação de captura de electrões é _{Z}^{A}text{X}_{N}+{e}^{-}{-}rightarrow{_{_Z – 1}{A}}text{Y}_{N+1}+{\i1}nu {e}.
• β- é um electrão, β+ é um anti-electrão ou positron, {e}_nu representa o neutrino de um electrão, e {e}_overline é o antineutrino de um electrão. Além de todas as leis de conservação anteriormente conhecidas, surgiram duas novas – a conservação do número de famílias de elétrons e a conservação do número total de núcleons. A equação de decaimento γ é
  {Z}^{A}{\i1}{\i1}{X}_{N}^{*}{\i}{\i1}{Z}^{A}{\i1}{\i1}{\i1}+{\i}gamma}_{1}+{\i}{\i}{\i}{\i1}+cdots}
  γ é um fóton de alta energia originário de um núcleo.

Glossary

parent: o estado original do núcleo antes da decomposição

filha: o núcleo obtido quando o núcleo pai se decompõe e produz outro núcleo seguindo as regras e as leis de conservação

positron: a partícula que resulta da decomposição beta positiva; também conhecida como anti-electrão

desintegração: o processo pelo qual um núcleo atómico de um átomo instável perde massa e energia ao emitir partículas ionizantes

desintegração alfa: tipo de decaimento radioativo no qual um núcleo atômico emite uma partícula alfa

decaimento beta: tipo de decaimento radioativo no qual um núcleo atômico emite uma partícula beta

decaimento gama: tipo de decaimento radioactivo em que um núcleo atómico emite uma partícula gama

equação do decaimento: a equação para descobrir quanto material radioactivo resta após um determinado período de tempo

energia de reacção nuclear: a energia criada numa reacção nuclear

>

neutrino: uma partícula subatômica elementar eletricamente neutra e de fraca interação

antineutrino do elétron: antipartícula do neutrino do elétron

decaimento do póssitron: tipo de decaimento beta no qual um próton é convertido em um nêutron, liberando um positron e um neutrino

antieletrônico: outro termo para positron

série de decaimento: processo pelo qual nuclídeos subseqüentes decaem até que um nuclídeo estável seja produzido

nutrino do elétron: uma partícula elementar subatômica que não tem carga elétrica líquida

antimatéria: composta de antipartículas

captura de elétrons: o processo no qual um nuclídeo rico em prótons absorve um elétron atômico interno e simultaneamente emite um neutrino

equação de captura de elétrons: equação representando a captura de electrões