Química Integral

Cinética das emissões radioativas

Tempo de meia-vida

Quando um radionuclídeo emite partículas alfa ou beta, ele se transforma, como sabemos, em outro nuclídeo diferente. Assim, à medida que o tempo passa, a quantidade de radionuclídeo vai diminuindo.

Tempo de meia-vida ou período de semidesintegração (representado por t_1/2 ou P) é o tempo necessário para que metade da quantidade de um radionuclídeo presente em uma amostra sofra decaimento radioativo.

Quando a massa de um radioisótopo se reduz à metade, também se reduzem à metade o número de átomos, a quantidade em mols e a atividade radioativa (desintegrações por segundo) desse radioisótopo.

O tempo de meia-vida é uma característica de cada radionuclídeo e não depende da quantidade inicial do radionuclídeo nem de fatores como pressão, temperatura e composição química do material (lembre-se de que radioatividade é um fenômeno nuclear, e não químico).

Graficamente, podemos representar o processo de decaimento radioativo através da chamada curva exponencial de decaimento:

Aplicação da radioatividade

Método da datação com carbono-14

Na natureza existem três isótopos do carbono: o C12, com abundância de 98,9%, o C13, com abundância de 1,1%, e o C14, com abundância de 0,000001%.

O menos abundante deles, o carbono-14, é radioativo; ele emite partículas beta. Dizer que o teor de carbono-14 é 0,000001% equivale a dizer que em cada bilhão (IO⁹) de átomos de carbono, dez são de carbono-14. Isso é o mesmo que dizer que há 10 ppb (ou seja, 10 partes por bilhão) de carbono-14.

Esse isótopo forma-se na alta atmosfera, onde continuamente está ocorrendo uma transmutação nuclear causada pela colisão de nêutrons cósmicos (vindos do espaço) com átomos de nitrogênio do ar:

O carbono-14 formado incorpora-se à atmosfera na forma de C02. Por meio da fotossíntese, processo que utiliza C02 da atmosfera, esses átomos de carbono-14 passam a fazer parte dos seres vivos fotossintetizantes e, através das cadeias alimentares, também dos demais seres vivos.

Os cientistas descobriram que, com a mesma velocidade com que o carbono-14 se forma na alta atmosfera, ele se desintegra por meio de decaimento beta:

Desse modo, como ele se forma e se desintegra com a mesma velocidade, sua porcentagem no planeta permanece constante, sendo exatamente a mesma na atmosfera e em todos os seres vivos (10 ppb).

Ao examinar múmias, fósseis, ossos, pergaminhos e outros achados arqueológicos compostos por restos de antigos seres vivos, os cientistas encontraram neles teores de carbono-14 inferiores a 10 ppb, o que se deve ao decaimento p ocorrido durante os anos que se passaram desde a morte do ser vivo.

Isso torna possível, uma vez determinada a porcentagem de carbono-14 na amostra, calcular a sua idade, consultando a curva de decaimento radioativo. Esse processo é o método da datação pelo carbono-14.

Fissão nuclear

O que é fissão nucelar?

Alguns anos antes da Segunda Guerra Mundial, vários grupos de pes-quisadores tentavam obter novos elementos químicos, com Z>92, bom-bardeando o urânio com nêutrons. Em janeiro de 1939, os alemães Otto Hahn e Fritz Strassman anunciaram a presença de bário, lantânio e criptônio numa amostra de urânio bombardeada com nêutrons. Nos meses que se seguiram, esse processo passou a ser mais bem compreendido e chamado de fissão nuclear.

Representação esquemática da fissão nuclear, na qual cada núcleo fissionado libera nêutrons que poderão provocar a fissão de outros núcleos. (Cores e formas fantasiosas.)

Fissão nuclear é o processo de quebra de núcleos grandes em núcleos menores, liberando uma grande quantidade de energia.

O nêutron, ao atingir um núcleo de urânio, provoca sua quebra em dois núcleos menores e a liberação de mais nêutrons que, por sua vez, irão atingir outros núcleos e provocar novas quebras. E uma reação em cadeia, análoga ao início de uma epidemia de gripe: uma pessoa transmite o vírus para duas, que o transmitem para quatro, daí para oito, e assim por diante.

Quando um átomo de urânio-235 sofre fissão, vários produtos podem se formar. Alguns exemplos são:

A energia liberada na reação de fissão do urânio-235 é muito grande, muito maior do que aquela envolvida em reações químicas como, por exemplo, uma combustão.

Pelos dados da tabela 4 é possível calcular que 1 g de urânio-235 equivale, sob o ponto de vista energético, a cerca de trinta toneladas do explosivo TNT!

O reator nuclear

Antes mesmo de se construir a primeira bomba atômica, o italiano Enrico Fermi e sua equipe já haviam construído, em 1942, na Universidade de Chicago, o primeiro reator nuclear. Esse reator tinha a finalidade de executar em laboratório a fissão nuclear para que se pudesse compreendê-la melhor, a fim de aproveitá-la como fonte de energia.

A versão moderna do reator de Fermi são as usinas nucleares, ou termonucleares, onde a fissão nuclear ocorre de modo controlado e a energia liberada é aproveitada para a produção de energia elétrica.

Os principais componentes de um reator nuclear são:

material físsil, que pode ser urânio-235 (natural), urânio-233 ou plutônio-239 (artificiais);

fluido trocador de calor;

moderador (grafite ou água), que serve para diminuir a velocidade dos nêutrons, o que torna a reação possível (neutrons rápidos não são eficientes para provocar a fissão);

barras de controle (cádmio ou boro), que absorvem nêutrons e servem para evitar que a reação saia de controle, superaquecendo o reator.

No chamado reator de água pressurizada, ou PWR (pressurized water reactor), como o da usina Angra I (em Angra dos Reis, RJ), o calor liberado na fissão aquece a água (mantida a alta pressão) que está em contato com o material físsil. Esta, por sua vez, aquece uma outra porção de água que entra em ebulição. O vapor produzido gira uma turbina, cujo eixo se liga a um gerador elétrico, o qual, por sua vez, transforma a energia do movimento em energia elétrica. Nesse tipo de reator, ilustrado a seguir, a água funciona como fluido trocador de calor e também como moderador dos nêutrons. Já no chamado reator de água fervente, ou BWR (boiling water reactor), vapor de água formado pelo aquecimento direto da água em contato com o material físsil é usado para girar a turbina.

O lixo nuclear

Nos produtos da fissão do urânio-235 já foram identificados mais de duzentos isótopos pertencentes a 35 elementos diferentes. Muitos deles emitem α, β e γ, representando um risco à população e necessitando, portanto, ser armazenados em recipientes de chumbo e/ou concreto e guardados em locais seguros por tempo suficiente para que a radiação caia a níveis não-prejudiciais.

Dentre os muitos nuclídeos presentes no lixo nuclear podemos destacar três bastante perigosos para o ser humano, estrôncio-90, iodo-131 e césio-137.

Fussão nuclear

Muitas pessoas dizem que o Sol é uma bola de fogo. 0 que estará queimando lá, então? Na verdade nada está queimando. No Sol, bem como em outras estrelas, está ocorrendo um processo denominado "fusão nuclear".

Fusão nuclear é a junção de núcleos pequenos formando núcleos maiores e liberando uma quantidade muito grande de energia.

Para ocorrer fusão nuclear é necessária uma temperatura muito elevada, pelo menos da ordem de 10 milhões de graus Celsius. O Sol é uma imensa bola de hidrogênio onde a temperatura é suficiente para que ocorra a fusão dos átomos de hidrogênio, formando átomos mais pesados e liberando a energia que chega até nós na forma de luz e calor. Uma das reações que acontecem no Sol é:

A energia liberada na reação de fusão é bem maior do que na fissão nuclear (veja a tabela 4, na página 306). Aproveitar a energia da fusão nuclear em usinas seria extremamente vantajoso, pois o hidrogênio pode ser obtido a partir da água do mar a baixo custo, o rendimento energético da fusão é alto e o lixo resultante é bem menos perigoso que o lixo da fissão, contendo apenas um nuclídeo radioativo, o trítio H. No entanto, ainda não foi desenvolvida tecnologia para o aproveitamento controlado da energia liberada na fusão.

Fusão nuclear é a reação que ocorre quando uma bomba de hidrogênio (bomba H) explode. No entanto, para que a fusão ocorra, é necessária uma altíssima temperatura, que é conseguida através da explosão de uma bomba atômica, que funciona como detonador da bomba H.

Estima-se que mais de duzentas explosões nucleares já aconteceram por todo o planeta, como parte dos chamados testes nucleares. O lixo atômico produzido num desses eventos é espalhado pelo vento, pela água e pelos seres vivos (através das cadeias alimentares). A arma mais potente já detonada tinha 58 megatons e foi testada pela União Soviética em 30 de outubro de 1961 (um megaton equivale em poder destrutivo a um milhão de toneladas de TNT.)

A poeira e as cinzas lançadas na atmosfera sob a forma de "cogumelo atômico" podem subir além da camada das nuvens e, dessa maneira, permanecer meses em suspensão antes de descer sob a ação do próprio peso. Essas partículas obstruem a passagem dos raios solares.

Peruzzo, F. M., & Canto, E. L. (2003). Radioatividade: fenômeno de origem nuclear. In: F. M. Peruzzo, & E. L. Canto, QUÍMICA na Abrodagem do Cotidiano (3ª ed., Vol. 2, p. 344). São Paulo: Moderna.