O decaimento nuclear

2K.1aAs reações nucleares

Em 1896, o cientista francês Henri Becquerel guardou uma amostra de óxido de urânio em uma gaveta que continha algumas placas fotográficas. Ele ficou surpreso ao ver que o composto de urânio havia escurecido as placas, apesar de elas terem sido cobertas com um material opaco. Becquerel percebeu que o composto de urânio deveria estar emitindo algum tipo de radiação. Marie Sklodowska Curie, uma jovem estudante polonesa que preparava seu doutorado, mostrou que a radiação, que ela chamou de radioatividade, era emitida pelo urânio, independentemente do composto em que ele estava. Ela concluiu que os átomos de urânio eram a fonte da radiação. Juntamente com seu marido, Pierre, ela continuou a trabalhar e mostrou que o tório, o rádio e o polônio também eram radioativos.

A origem da radioatividade foi inicialmente um mistério, porque a existência dos núcleos atômicos era desconhecida até então. Porém, em 1898, Ernest Rutherford deu o primeiro passo para a descoberta de sua origem, quando identificou três diferentes tipos de radioatividade ao observar o efeito de campos elétricos sobre as emissões radioativas. Rutherford chamou esses três tipos de radiação de alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) e gama ($\gamma$).

As reações nucleares diferem das reações químicas em alguns aspectos importantes. Nas reações químicas, os átomos preservam sua identidade e apenas redistribuem seus elétrons; nas reações nucleares, o próprio núcleo se transforma. Um átomo com determinado número atômico $Z$ (número de prótons) e número de massa $A$ (número total de núcleons) é chamado de nuclídeo. Quando um núcleo emite uma partícula, em geral muda seu número de prótons e se converte no núcleo de outro elemento — um processo chamado de transmutação nuclear. O núcleo resultante é o núcleo filho.

As variações de energia das reações nucleares são muito maiores do que as das reações químicas. A combustão de $\pu{1 g}$ de metano libera cerca de $\pu{52 kJ}$, enquanto a fissão de $\pu{1 g}$ de urânio-235 libera cerca de $\pu{8,2e7 kJ}$ — mais de um milhão de vezes mais.

A transformação de um núcleo é descrita por uma equação nuclear, na qual o número de massa e o número atômico se conservam. Por exemplo, quando o rádio-226 emite uma partícula $\alpha$, forma-se o radônio-222: $$\ce{ ^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + ^4_2\alpha }$$ A soma dos números de massa ($222 + 4 = 226$) e a dos números atômicos ($86 + 2 = 88$) são as mesmas nos dois lados da equação.

2K.1bOs tipos de decaimento nuclear

A emissão de partículas alfa

Quando Rutherford fez passar a radiação entre dois eletrodos com carga elétrica, ele observou que um dos tipos de radiação era atraído para o eletrodo com carga negativa. Ele propôs que aquele tipo de radiação envolvia partículas com carga positiva, que chamou de partículas $\alpha$. Assim que ele identificou o núcleo atômico em 1908, Rutherford percebeu que a partícula $\alpha$ deveria ser o núcleo do hélio, $\ce{He^{2+}}$. Uma partícula $\alpha$ é representada por $\ce{^4_2\alpha}$, ou, simplesmente, $\alpha$. Você pode imaginá-la como sendo formada por dois prótons e dois nêutrons fortemente ligados.

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A emissão de partículas beta

Rutherford mostrou que um segundo tipo de radiação era atraído pelo eletrodo com carga positiva e propôs que aquele tipo de radiação era formado por um feixe de partículas com carga negativa. A partir da medida da carga e da massa dessas partículas, ele mostrou que elas eram elétrons. Os elétrons de alta velocidade emitidos pelos núcleos foram chamados de partículas $\beta$ e representados por $\beta^-$. Como a partícula $\beta$ não tem prótons ou nêutrons, seu número de massa é zero e ela pode ser escrita como $\ce{^0_{-1}e}$. Na emissão $\beta$, um nêutron do núcleo se converte em um próton, de modo que o número atômico aumenta uma unidade, mas o número de massa permanece o mesmo.

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A emissão de pósitrons

Alguns núcleos emitem antipartículas — partículas com a mesma massa de uma partícula subatômica, mas com carga oposta. O pósitron é a antipartícula do elétron: tem a massa do elétron, mas carga positiva. Ele é representado por $\ce{^0_{+1}e}$ ou $\beta^+$. Na emissão de pósitron, um próton do núcleo se converte em um nêutron. Como resultado, o número atômico diminui uma unidade, mas o número de massa permanece o mesmo. Quando um pósitron encontra um elétron, ambos se aniquilam e sua massa é completamente convertida em energia.

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A emissão de radiação gama

A radiação $\gamma$ não é afetada por campos elétricos. Como a luz, os raios $\gamma$ são uma forma de radiação eletromagnética, mas de frequência muito mais alta. Eles podem ser vistos como um feixe de fótons de energia muito alta, cada fóton sendo emitido por um núcleo que descarrega o excesso de energia. A frequência $\nu$ do raio $\gamma$ está relacionada com a energia liberada pelo núcleo, $\Delta E$, pela relação $\nu = \Delta E/h$. A emissão $\gamma$ frequentemente acompanha as emissões $\alpha$ e $\beta$: o novo núcleo é formado com seus núcleons em um estado de alta energia e libera um fóton $\gamma$ quando eles se reorganizam em um arranjo de energia mais baixa.

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A captura de elétrons

Na captura de elétron, um elétron de um orbital atômico é capturado pelo núcleo, e um próton é convertido em um nêutron. O efeito sobre o núcleo é o mesmo da emissão de pósitron: o número atômico diminui uma unidade, mas o número de massa permanece o mesmo.

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2K.1cA estabilidade nuclear

O padrão da estabilidade nuclear

Os núcleos de alguns elementos são estáveis, mas outros decaem assim que formados. Saber prever a estabilidade permite antecipar os caminhos de decaimento. Uma primeira pista é que os elementos de número atômico par são quase sempre mais abundantes do que os de número atômico ímpar.

Os núcleos com números pares de prótons e de nêutrons são os mais estáveis; os menos estáveis são os que têm números ímpares de ambos. Os núcleos também têm maior probabilidade de ser estáveis quando são formados por certos números de núcleons, chamados de números mágicos: 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126 e 184. Por exemplo, existem dez isótopos estáveis de estanho ($Z = 50$), o máximo que um elemento atinge. Esse padrão lembra a estabilidade especial dos gases nobres, cujos átomos têm 2, 10, 18, 36, 54 ou 86 elétrons. A partícula $\alpha$, com dois prótons e dois nêutrons, é um núcleo duplamente mágico.

Quando se representa o número de nêutrons $N$ em função do número de prótons $Z$, os núcleos estáveis ficam reunidos em uma estreita banda de estabilidade, cercada por um mar de instabilidade — a região dos nuclídeos que decaem por emissão de radiação. Para os elementos leves, o número de prótons e o de nêutrons dos núcleos estáveis são aproximadamente iguais ($A \approx 2Z$). Para os elementos mais pesados, os núcleos estáveis têm mais nêutrons do que prótons ($A > 2Z$).

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O aumento da proporção de nêutrons com o número atômico é explicado pelo papel dos nêutrons. A força intensa que mantém os núcleons unidos só age a distâncias muito curtas, da ordem do diâmetro do núcleo, ao passo que a repulsão elétrica entre os prótons atua a distâncias maiores. Como os nêutrons não têm carga, eles contribuem para a força intensa sem aumentar a repulsão. À medida que o número de prótons cresce, são necessários cada vez mais nêutrons para superar a repulsão — por isso a banda de estabilidade é ascendente.

A previsão do tipo de decaimento nuclear

A posição de um nuclídeo em relação à banda de estabilidade indica o tipo mais provável de decaimento.

Os núcleos ricos em nêutrons — acima da banda de estabilidade — tendem a reduzir o número de nêutrons. Eles decaem por emissão $\beta^-$, na qual um nêutron se converte em um próton, aproximando a razão entre nêutrons e prótons da banda de estabilidade. Por exemplo: $$\ce{ ^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + ^0_{-1}e }$$

Os núcleos ricos em prótons — abaixo da banda — tendem a reduzir o número de prótons, por emissão de pósitron ou por captura de elétron. Por exemplo: $$\ce{ ^{29}_{15}P -> ^{29}_{14}Si + ^0_{+1}e }$$

Poucos nuclídeos com $Z < 60$ emitem partículas $\alpha$. Já praticamente todos os núcleos com $Z > 82$ são instáveis e decaem principalmente por emissão $\alpha$, eliminando prótons e nêutrons de uma vez. Em geral, esses núcleos pesados não atingem a estabilidade em uma única etapa: eles decaem por uma sequência de emissões, formando uma série radioativa, que termina em um isótopo estável do chumbo (de número atômico mágico 82). A série do urânio-238 termina no chumbo-206; a do urânio-235, no chumbo-207; e a do tório-232, no chumbo-208.

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A nucleossíntese

A nucleossíntese é o processo de formação dos elementos. O hidrogênio e o hélio foram produzidos no Big Bang; todos os demais elementos descendem desses dois, formados nas estrelas. Alguns elementos só existem em traços na Terra: embora tenham sido produzidos nas estrelas, seu tempo de vida curto impediu que sobrevivessem em quantidade até a formação do planeta. Muitos desses nuclídeos podem, no entanto, ser produzidos artificialmente.

Para superar a repulsão elétrica e provocar a fusão dos núcleos, as partículas precisam colidir em alta velocidade. A transmutação artificial de um elemento em outro foi obtida pela primeira vez por Rutherford, em 1919, ao bombardear núcleos de nitrogênio-14 com partículas $\alpha$: $$\ce{ ^{14}_{7}N + ^{4}_{2}\alpha{} -> ^{17}_{8}O + ^1_1p }$$ As partículas incidentes podem ser aceleradas em um acelerador de partículas. Por exemplo, o tecnécio foi sintetizado pela reação entre núcleos de molibdênio e dêuterons ($\ce{^2_1H}$): $$\ce{ ^{97}_{42}Mo + ^2_1H -> ^{97}_{43}Tc + 2 ^1_0n }$$ Esses processos costumam ser escritos de forma abreviada como alvo(partícula incidente, partícula ejetada)produto; a reação acima é $\ce{^{97}_{42}Mo}(\ce{d}, 2\ce{n})\ce{^{97}_{43}Tc}$, em que $\ce{d}$ denota o dêuteron.

Os elementos transurânicos são os que seguem o urânio na tabela periódica. Os elementos além do meitnério ($Z = 109$) — os transmeitnérios — recebem nomes sistemáticos provisórios até serem oficialmente reconhecidos. A nomenclatura sistemática usa prefixos para cada algarismo do número atômico ($0 =$ nil, $1 =$ un, $2 =$ bi, $3 =$ tri, e assim por diante), com a terminação -io. Assim, o elemento de $Z = 110$ foi chamado de ununnílio até receber o nome darmstádio (Ds), em 2003.