Para se ter noção, o processo de combustão de 1 kg carvão é capaz de manter uma lâmpada de 100 W ligada por aproximadamente 8h. Já um processo nuclear específico com o urânio, denominado fissão, é capaz de manter a lâmpada acesa por 30 mil anos.
FISSÃO NUCLEAR
Em linhas gerais, há dois processos característicos para os núcleos: a fissão e a fusão nuclear. O processo de fissão nuclear ocorre com o bombardeamento de partículas como os nêutrons em um núcleo atômico de um átomo instável, sendo o núcleo, então, quebrado em dois núcleos menores, com a possível liberação de outras partículas.
A fissão nuclear pode ser controlada com a ciência desenvolvida até os dias atuais, possibilitando a criação das usinas nucleares que produzem energia elétrica a partir do calor liberado nas reações de fissão
FUSÃO NUCLEAR
O processo de fusão nuclear é quando dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um núcleo maior, sendo necessária uma quantidade enorme de energia para que essa reação ocorra. Apesar de necessitar de muita energia, dependendo do conjunto de núcleos atômicos é possível liberar um valor energético ainda maior do que o consumido na fusão nuclear, sendo, portanto, outro processo de interesse. O problema, no entanto, é que a energia liberada em geral é tão grande que é extremamente difícil controlar a fusão nuclear. Por conta disso, ainda não se sabe uma forma de controlar esse processo, como acontece com a fissão, por exemplo.
A fusão nuclear justifica a alta potência irradiada pelo Sol (cerca de 4 · 1026 W), pois ocorre na sua superfície através da transformação de hidrogênio em hélio, de acordo com uma série de equações, e liberando uma enorme quantidade de energia. As bombas nucleares criadas são baseadas na fissão nuclear, gerando uma reação em cadeia que libera uma enorme quantidade de calor. A bomba de fusão nuclear, por outro lado, nunca foi utilizada em uma guerra, e é considerada a maior força destrutiva já criada pelo homem.
DECAIMENTO RADIOATIVO
A maior parte dos núcleos conhecidos são núcleos radioativos, isto é, emitem espontaneamente uma ou mais partículas, transformandose em outro nuclídeo. Esse efeito, conhecido como decaimento radioativo, foi o primeiro fator a indicar que as leis do mundo subatômico são estatísticas, pois não se pode prever quais núcleos irão decair.
EQUAÇÃO DO DECAIMENTO
Contudo, é possível obter uma formulação matemática para o decaimento radioativo. Experimentalmente, sabe-se que a taxa com que os núcleos são transformados é proporcional à amostra inicial. Em termos de cálculo diferencial, a equação é:
Porém, como a análise por cálculo foge ao objetivo do material, vamos nos ater ao modelo mais simples de equações. A primeira delas é a taxa de decaimento, dada por:
R = λN
Note que o sinal negativo não é necessário, pois já sabemos que se trata do decaimento de núcleos. A solução da equação diferencial mencionada anteriormente é:
Onde o termo N0 representa a quantidade inicial de núcleos, N representa a quantidade final de núcleos, λ é a constante de desintegração/decaimento e ∆t é o intervalo de tempo entre os instantes inicial e final.
TEMPO DE MEIA VIDA E VIDA MÉDIA
Há duas principais medidas que caracterizam o tempo de sobrevivência das partículas. A primeira delas é o tempo de meia vida T1/2 de um nuclídeo, que é o tempo necessário para que N se reduza à metade do seu valor inicial N0. Aplicando N = N0/2 na equação anterior, obtém-se:
A segunda é a vida média τ, a qual trata-se da média aritmética do tempo de vida de todos os átomos de uma determinada massa de um isótopo. Por isso, o seu valor representa o tempo médio que um isótono leva para decair, o resultado é:
DECAIMENTOS ALFA, BETA E GAMA
As partículas presentes em decaimentos radioativos são as partículas α, β e γ. Cada partícula apresenta um número próprio de prótons, nêutrons e elétrons. As emissões de diferentes partículas ocorrem em condições distintas e produzem também efeitos diversos (uma emissão emite mais energia do que a outra, por exemplo).
Os decaimentos acontecem por um balanço de energia. Com isso, o importante é que o conjunto final possua menos energia do que conjunto inicial, pois a estabilidade de um sistema é maior quanto menor o seu nível energético. Assim, o processo só pode ocorrer de duas formas: espontaneamente, nos casos em que a soma das energias do conjunto partícula + novo nuclídeo é menor do que o núcleo inicial, ou através do fornecimento de energia.
DECAIMENTO ALFA
Fonte: Mirion Technologies
A partícula α possui massa atômica 4 , sendo formada por 2 nêutrons, 2 prótons e 0 elétrons. Ela é representada por 42α, e é equivalente ao núcleo de hélio 42He. Repare que é importante compará-la somente ao núcleo do hélio, uma vez que o átomo completo He contém 2 elétrons, o que não é o caso da partícula αα. O decaimento alfa ocorre na condição de núcleos instáveis, em geral os que possuem grande massa e número atômico, como 2380U, liberando energia que é resultado da energia cinética adquirida pela partícula α emitida.
Como as partículas α possuem carga positiva +2, elas apresentam grande poder de ionização. Pela sua grande massa, não apresentam um poder de penetração elevado, se comparado às outras partículas β e γ.
DECAIMENTO BETA
Fonte: Mirion Technologies
A partícula β pode ser positiva ou negativa. A partícula β– possui massa atômica 0, pois é formada por 0 nêutrons, 0 prótons e 1 elétron. Ela geralmente é representada pelo símbolo do elétron, e; embora sejam partículas de energia bem maior do que os elétrons. decaimento beta ocorre com a conversão de um nêutron em um próton, o que é possível pela emissão de uma partícula menor que compõe o nêutron (o neutrino, n). Por isso, esse decaimento é inclusive uma das provas de que os prótons e nêutrons não são partículas elementares.
A partícula β+ possui massa atômica 0 e não é formada por nêutrons, prótons ou elétrons. Na verdade, a emissão da partícula β+ ocorre com a liberação de um neutrino n e um pósitron, representado por e+, que é uma carga positiva de massa desprezível se comparada à massa do próton.
A energia liberada do decaimento beta é dividida entre as duas partículas emitidas. Diferentemente das partículas α, as partículas β possuem menor poder ionizante, devido à menor carga, mas um maior poder de penetração, visto que não possuem massa.
A forma mais comum da partícula β é a sua forma negativa. Inclusive, dependendo do contexto é comum não haver menção ao neutrino, tratando-a como apenas uma emissão de elétrons. Por isso, caso nada seja mencionado, fique atento para interpretar o que o enunciado da questão pede.
DECAIMENTO GAMA
Fonte: Mirion Technologies
Há ainda a partícula γ, que produz emissões de maior energia e poder de penetração do que as partículas α e β. Embora não possua carga, a partícula γ possui o maior poder ionizante devido à alta energia que essa partícula carrega. Em geral, é emitida em processos subatômicos como na aniquilação de um par pósitron + elétron. Os decaimentos gama ocorrem com núcleos instáveis, de alta energia, que precisam se estabilizar, às vezes consecutivamente a outro decaimento que não liberou toda a energia necessária.
