A Radioatividade desempenhou um papel importante no desenvolvimento da Física Nuclear e Atômica. Não menos importantes são suas aplicações na Medicina, na Agronomia, na Indústria, e em diversas pesquisas científicas.
Irei relatar os principais acidentes e acontecimentos que envolvem esse assunto.
E também um pouco de história da radioatividade
A descoberta dos “raios X” causou um verdadeiro sensacionalismo no meio científico. Alguns meses após sua descoberta, eles já eram empregados em clínicas médicas. Esses raios surgem na região esverdeada da ampola de Crookes, ou seja, de onde se dá a fluorescência no vidro pela colisão dos raios catódicos.
O fenômeno despertou no cientista Becquerel uma correlação entre os “ raios X “ e a fluorescência das substâncias. Em outras palavras, Becquerel achou que as substâncias, quando fluorescentes, emitem “raios X”. Ele se utilizou então de diversas substâncias fluorescentes ao ultra-violeta expondo-as à luz solar. ( A luz solar contém uma dose de radiação ultra-violeta). Estas amostras eram colocadas sobre chapas fotográficas envolvidas por papel negro. Então a chapa fotográfica estava protegida dos raios da luz solar. Se a fluorescência na amostra emitisse “raios X”, então, estes atravessariam o papel negro e iriam impressionar o filme. Após diversas tentativas, Becquerel observou que o sulfato duplo de potássio e uranila K2 UO2 ( SO4 ) 2 era a única substância fluorescente que conseguia impressionar o filme. Ele guardou numa gaveta o sal de urânio sobre uma chapa fotográfica devido às más condições do tempo. Como não havia incidência de ultra-violeta no sal, este não poderia emitir “raios X”.
Alguns dias depois, ao revelar por acaso aquele filme da gaveta, com surpresa notou impressões muito mais intensas que nas suas experiências. Estava provada que não era a fluorescência a causa das emissões estranhas análogas aos “raios X”. Logo foi evidenciado que o K2 UO2 ( SO4 ) 2 tinha a propriedade de, espontaneamente, produzir emissões que atravessavam o papel negro e vinham decompor o sal de prata do filme fotográfico.
Assim, em 1896, Becquerel declarava que o sulfato duplo de potássio e uranila emitiam estranhos raios, que, inicialmente, foram denominados de “raios de Becquerel”.
A nova descoberta causou profundo interesse no casal de cientistas Marie Sklodowska Curie e Pierre Curie, que trabalhavam no laboratório de Becquerel.
Eles acabaram descobrindo que a propriedade de emitir aqueles raios era comum a todos os elementos que possuíam urânio, evidenciando assim que “o elemento urânio era o responsável pelas misteriosas emissões”.
Para o fenômeno foi sugerido o nome de “radioatividade”, que significa: atividade de emitir raios(do latim – radius). Constatou-se logo que a radioatividade tem muita semelhança com os “raios X” descobertos por Roentgen, sendo, por exemplo, capazes de ionizar gases ou ainda, capazes de ser retidos por espessas camadas.
Isto é comprovado utilizando-se um eletroscópio elementar de folhas de ouro. Quando se encosta um bastão carregado (digamos positivamente), as lâminas de ouro se repelem. Se existe no interior do vidro um material radioativo, este ioniza o gás e, rapidamente, descarrega o eletroscópio, fazendo com que as folhas de ouro se reaproximem. Constata-se ainda que, quando maior o teor de urânio na amostra, mais rapidamente se descarrega o eletroscópio. Este aparelho, embora muito simples, foi utilizado pelo casal Curie durante suas experiências. Para extrair o urânio, compravam minérios de diversas procedências. Um deles, a “pechblenda”, da cidade de Joachimsthal (hoje na Tchecoslováquia), apresentava-se muito mais radioativo que outras amostras. Examinando o minério com cuidado, foi observado que uma das frações de impureza extraída da pechblenda apresentava-se muito mais radioativa que o urânio puro.
Este fato fez com que o casal Curie desconfiasse da existência de mais um elemento radioativo até então desconhecido. De fato, em 1898 eles conseguem isolar um novo elemento radioativo, com cerca de 400 vezes mais radioativo que o urânio. Ao novo elemento foi dado o nome de “polônio” em homenagem à pátria de Marie Curie, natural de Varsóvia.
As pesquisas continuaram e logo depois, o casal Curie anunciava a descoberta de outro elemento ainda mais radioativo que o Polônio e que foi denominado de “Rádio”.
O Rádio produz intensas emissões, as quais atravessam até mesmo camadas de chumbo que seriam barreiras para os “raios X”: tornam muito fluorescentes materiais como o “sulfeto de zinco” ou “platino cianureto de bário”. Estas emissões exercem ainda efeito energético na destruição de células vivas.
Logo após a descoberta da radioatividade, os cientistas reconheceram que, no fenômeno, havia emissão de “partículas” e “radiações”.
Um engenhoso dispositivo foi idealizado. Num cilindro de chumbo é perfurado um poço. Aí dentro, coloca-se um material radiativo, por exemplo, polônio ou rádio.
O material vai emitir radiatividade em todas as direções, porém, o chumbo estanca a propagação. Somente na direção do poço escapam as emissões.
Colocando-se placas fortemente eletrizadas, cria-se um campo elétrico capaz de desviar a trajetória das radiações.
No entanto, aparecem trÊs direções de propagação, o que se pode constatar colocando uma placa fotográfica ou um cartão fluorescente no plano (XY) (perpendicular à figura)
A emissão radiativa é constituída de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e radiações, hoje denominadas ondas eletromagnéticas.
As partículas positivas, que foram denominadas de partículas alfa (a), devem possuir massa elevada, já que, o desvio produzido é bem menor em relação às outras partículas.
O famoso cientista Rutherford conseguiu demonstrar que as partículas (a) eram núcleos de átomo de hélio e, portanto, constituídos de 2 prótons + 2 nêutrons.
Num tubo barométrico de vidro espesso foi colocada uma cápsula contendo sal de rádio. O rádio emite partículas (a), que facilmente atravessam a cápsula, mas não atravessam a espessa parede de vidro que forma o tubo.
Após algum tempo, verificou-se que o nível de mercúrio abaixou (?h), informando a presença de gás hélio. O gás formou-se a partir das partículas (a) emitidas pelo rádio.
As partículas negativas foram denominadas de partículas beta (ß) e possuem o mesmo comportamento dos raios catódicos.
Desta forma, não restava dúvida: tratava-se de “elétrons em grande velocidade”.Estas partículas têm maior poder de penetração que as partículas alfa.
As partículas (ß) sofrem “desvio maior e em sentido oposto”, em relação às partículas (a), pois são “partículas leves e de carga negativa”.
Enquanto as partículas (a) só atravessam alguns milímetros de madeira, a partículas (ß) chegam a atravessar alguns milímetros de aço.
A energia dessas partículas depende também do átomo emissor. As partículas emitidas pelos átomos de rádio são muito mais penetrantes que aquelas emitidas pelo polônio.
As emissões que “não eram desviadas” pela ação de campos elétricos ou magnéticos foram denominadas de “raios gama” (?). Hoje sabemos que os raios (?) são ondas eletromagnéticas de (?) curtíssimo, mais curtos que os raios X e grande poder de penetração. Chegam a atravessar dezenas de centímetros de chumbo.
A radiatividade é hoje detectada por um aparelho denominado “contador Geiger” – posteriormente melhorado por Müller. Trata-se de um balão de vidro contendo um gás. Quando as partículas e as radiações penetram no balão de vidro, ocorre uma ionização do gás.
Internamente, o balão cilíndrico de vidro revestido por uma folha metálica. Existe um fio metálico que atravessa longitudinalmente o tubo de vidro.
Quando as emissões radiativas ionizam o gás, os íons produzidos são atraídos para o fio metálico. Então, eles recebem os elétrons provenientes do gerador. Os elétrons que saltam na ionização do gás, são também atraídos pela parede metálica, que os conduz para o gerador.
Simplificando, uma pequena corrente elétrica aparece no circuito. Esta corrente elétrica produz “impulsos” que podem ser transformados em ruídos num amplificador.
Desta forma, pode-se contar os ruídos e deduzir o número de ionizações que ocorrem na amostra. Os contadores comuns são sensíveis às partículas (ß) e raios (?), principalmente. Existem diversos modelos desses aparelhos; fixos e portáteis de maior ou menor sensibilidade. Uma das grandes aplicações é na prospecção de minérios radioativos.
A emissão radioativa é constituída de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e radiações, hoje denominadas “ondas eletromagnéticas”.As partículas positivas ,que foram chamadas de “ partículas alfa ” (a),devem possuir massa elevada, já que, o desvio produzido e bem menor em relação às outras partículas.
O famoso cientista Rutherford conseguiu demonstrar que as partículas (a) eram núcleos de átomo de hélio e,portanto,constituídos de 2 prótons +2 nêutrons.Num tubo barométrico de vidro espesso foi colocada uma cápsula contendo sal de rádio.
O rádio emite partículas “a”,que facilmente atravessam a cápsula,mas não atravessam a espessa parede de vidro que forma o tubo.Após algum tempo verificou-se que o nível de mercúrio abaixou (?h),informando a presença de gás no interior do tubo barométrico.A análise deste gás revelou ser o gás hélio.O gás formou-se a partir das partículas (a) emitidas pelo rádio.
As partículas negativas foram denominadas de partículas negativas foram denominadas de partículas beta (ß) e possuem o mesmo comportamento dos raios catódicos.
Desta forma, não restava dúvida: tratava-se de “elétrons em grande velocidade”.Estas partículas têm maior poder de penetração que as partículas (a).
As partículas (ß) sofrem “desvio maior e em sentido oposto”,em relação ás partículas (a),pois são “partículas leves e de carga negativa”.Enquanto as partículas (a) só atravessam alguns milímetros de madeira,as partículas (ß) chegam a atravessar alguns milímetros de aço.
A energia dessas partículas depende também do átomo emissor.As partículas emitidas pelos átomos de rádio são muito mais penetrantes que aquelas emitidas pelo polônio.As emissões que “não eram desviadas”pela ação de campos elétricos ou magnéticos foram denominadas de “raios gama” (?).Hoje sabemos que “os raios (?) são ondas eletromagnéticas de (?) curtíssimo,mais curtos que os “raios-x” e de grande poder de penetração.Chegam a atravessar dezenas de centímetros de chumbo.
Ao contrário das radiações Alfa e Beta, que são constituídas por partículas, a radiação gama é formada por ondas eletromagnéticas emitidas por núcleos instáveis logo em seguida à emissão de uma partícula Alfa ou Beta.
O Césio-137 ao emitir uma partícula Beta, seus núcleos se transformam em Bário-137. No entanto, pode acontecer de, mesmo com a emissão, o núcleo resultante não eliminar toda a energia de que precisaria para se estabilizar. A emissão de uma onda eletromagnética (radiação gama) ajuda um núcleo instável a se estabilizar.
É importante dizer que, das várias ondas eletromagnéticas (radiação gama, raios-X, microondas, luz visível, etc), apenas os raios gama são emitidos pelos núcleos atômicos.
As radiações Alfa, Beta e Gama possuem diferentes poderes de penetração, isto é, diferentes capacidades para atravessar os materiais.
Assim como os raios-X os raios gama são extremamente penetrantes, sendo detido somente por uma parede de concreto ou metal. Têm altíssima velocidade que se igual à velocidade da luz (300 000 km/s).
O cientista inglês Frederick Soddy partiu da hipótese de que a radiatividade era um fenômeno conseqüente a uma instabilidade nuclear. Assim, um átomo radiativo, após a emissão de uma partícula (a) ou (ß), iria transformar-se em átomo de outro elemento.
Verificou-se que, quando um átomo radiativo emite uma partícula (a), ele se transforma num elemento, cujo átomo recua “2 lugares na tabela periódica” e cuja “massa atômica diminui de 4 unidades”.
Assim Soddy enunciou uma lei conhecida como “1ª Lei da radiatividade” ou “Lei de Soddy”, atualmente interpretada:
“Quando um átomo radiativo emite uma partícula (a) , seu número atômico diminui de 2 unidades e seu número de massa diminui de 4 unidades”.
Com a colaboração de mais dois cientistas, foi descoberto que. Quando um átomo radiativo emite uma partícula (ß), o lugar desse átomo na classificação periódica “avança de uma unidade” e a sua “massa atômica permanece constante”.
Esta foi a observação de onde resultou a “2ª Lei da radiatividade”, conhecida como “lei de Soddy, Fajans e Russel”, assim interpretada:
“Quando um átomo radiativo emita uma partícula (ß), seu número atômico aumenta de uma unidade e seu número de massa permanece constante.”
Evidentemente, os anunciados dessas leis não tinham esses textos, pois, naquela época, nem se admitia o átomo nuclear. Ainda se pensava no átomo “bolinha” como aquela imaginada por Dalton. Então, não se podia falar em número atômico e número de nêutrons.
As leis da radiatividade tornaram-se evidentes após a descoberta da estrutura nuclear do átomo. Como a partícula (a) é constituída de 2 prótons e 2 nêutrons no núcleo e, conseqüentemente, seu número de massa irá diminuir de 4 unidades.
A saída de uma partícula do núcleo provoca simultaneamente a emissão de raios gama pelo núcleo.
Admite-se hoje a existência de nêutrons instáveis no núcleo dos átomos radiativos. O nêutron transforma-se em próton + elétron + neutrino, sendo que apenas o próton permanece no núcleo. O neutrino, por ser uma partícula muito leve e sem carga, não é detectada nos cantadores Geiger comuns. Então preocuparemos apenas com prótons e nêutrons nas emissões (ß).
Sempre que do núcleo sai um elétron, resulta que “um nêutron” transforma-se “num próton”. Então, o número atômico aumenta de uma unidade e o número de massa permanece uma próton, sem alterar então a contagem de “prótons e nêutrons”.
Constata-se experimentalmente que apenas os átomos de número atômico superior a 82 manifestam a radiatividade natural. São aqueles elementos do fim, na Tabela Periódica, incluindo também os artificiais. Os átomos de números atômicos menores podem tornar-se radiativos, mas somente após terem seus núcleos bombardeados por determinadas partículas sub-atômicas.
Fusão nuclear é o processo de formação de um núcleo a partir da colisão e posterior junção de dois núcleos menores. Os núcleos que colidem devem ter, inicialmente, uma energia cinética que lhes permita se aproximar contra a repulsão coulombiana o suficiente para que a interação nuclear forte passe a ser efetiva e mais importante. Como a repulsão coulombiana é tanto mais importante quanto maior a carga elétrica dos núcleos em colisão, a fusão nuclear pode ser provocada com mais facilidade entre núcleos com número pequeno de prótons.
A energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão pode ser estimada supondo que a interação nuclear se torna efetiva para uni-los quando eles entram em contato.
Então, a energia cinética mínima dos núcleos, supostos esféricos, deve ser igual à energia potencial de repulsão coulombiana entre eles:
onde R1 e R2 são os raios e Z1 e Z2, os números atômicos dos núcleos. Com:
e
tem-se que:
Da teoria cinética sabe-se que a energia cinética média por partícula de um gás é da ordem de kBT, onde:
é a constante de Boltzmann e T, a temperatura kelvin.
Um gás dos núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou
um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria
ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões porque, fazendo
,
temos:
Isto significa que um gás formado com os núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões. Esse resultado representa apenas uma estimativa grosseira. Na verdade, para um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, já ocorrem fusões se a temperatura é da ordem de 106 K ou, em termos energéticos, se os prótons ou os núcleos de deutério têm energias cinéticas de aproximadamente 90 eV. É interessante comparar essa energia mínima, que devem ter os prótons ou os núcleos de deutério para iniciar as reações de fusão, com a energia cinética dos nêutrons térmicos que iniciam as reações de fissão, que é de aproximadamente 0,03 eV.
Em temperaturas da ordem de 106 K, as unidades básicas de qualquer substância não são mais seus átomos ou moléculas, mas os núcleos correspondentes e os elétrons, não mais ligados uns aos outros, devido à intensidade das colisões mútuas. O que se tem é um plasma, ou seja, um gás neutro, formado de núcleos com carga positiva e de elétrons livres. Devido às altas temperaturas, um plasma não pode ser confinado por qualquer recipiente, mas pode ser mantido confinado numa certa região do espaço por campos elétricos e magnéticos. As estrelas, em sua grande maioria, são bolas de plasma, confinado pelo campo gravitacional, e as reações de fusão entre seus constituintes são as responsáveis pela produção de energia.
