Os nuclídeos são caracterizados por seu número atômico (número de prótons) e número de massa atômica (número total de prótons e nêutrons). O número de prótons determina qual elemento ele é, e o número total de prótons e nêutrons determina o isótopo.
Radioisótopos (isótopos radioativos) são átomos que possuem um núcleo instável e são propensos a decadência nuclear. Eles estão em um estado de alta energia e desejam saltar para um estado de baixa energia, liberando essa energia, seja na forma de luz ou de outras partículas. A meia-vida de um radioisótopo, ou a quantidade de tempo que a metade dos átomos de um radioisótopo leva para se decompor, é uma medida muito útil de saber.
Os elementos radioativos tendem a estar na última linha da tabela periódica e na última linha dos elementos de terras raras.
Decaimento radioativo
Os isótopos radioativos têm núcleos instáveis, onde a energia de ligação que mantém os prótons e nêutrons firmemente travados não é forte o suficiente para ser mantida permanentemente. Imagine uma bola no topo de uma colina; um leve toque o enviará rolando para baixo, como se a um estado de baixa energia. Os núcleos instáveis podem se tornar mais estáveis ao liberar parte de sua energia, seja na forma de luz ou em outras partículas, como prótons, nêutrons e elétrons. Essa liberação de energia é chamada de decaimento radioativo.
O processo de decaimento pode assumir várias formas, mas os tipos básicos de decaimento radioativo são:alfadecadência (emissão de uma partícula alfa / núcleo de hélio),betadecaimento (emissão de uma partícula beta ou captura de elétrons) egamadecadência (emissão de raios gama ou radiação gama). O decaimento alfa e beta transmuta o radioisótopo em outro nuclídeo, geralmente chamado de nuclídeo filho. Todos os três processos de decaimento criam radiação ionizante, um tipo de radiação de alta energia que pode ser prejudicial ao tecido vivo.
No decaimento alfa, também chamado de emissão alfa, o radioisótopo emite dois prótons e dois nêutrons como um núcleo de hélio-4 (também conhecido como partícula alfa). Isso faz com que o número de massa do radioisótopo diminua em quatro e seu número atômico diminua em dois.
O decaimento beta, também chamado de emissão beta, é a emissão de um elétron de um radioisótopo quando um de seus nêutrons se transforma em próton. Isso não muda o número de massa do nuclídeo, mas aumenta seu número atômico em um. Também existe um tipo de decaimento beta que é quase o inverso do primeiro: o nuclídeo emite um pósitron (o parceiro de antimatéria carregada positivamente de um elétron), e um de seus prótons se transforma em um nêutron. Isso diminui o número atômico do nuclídeo em um. Tanto o pósitron quanto o elétron seriam considerados partículas beta.
Um tipo especial de decaimento beta é chamado decaimento beta de captura de elétrons: um dos elétrons mais internos do nuclídeo é capturado por um próton no núcleo, transformando o próton em nêutron e emitindo uma partícula ultra-minúscula e super rápida chamada elétron neutrino.
A radioatividade é geralmente medida em uma de duas unidades: o becquerel (bq) e o curie. Becquerel são as unidades padrão (SI) de radioatividade e representam uma taxa de um decaimento por segundo. Curies são baseados no número de decaimentos por segundo de um grama de rádio-226, e são nomeados em homenagem à célebre cientista de radioatividade Marie Curie. Sua descoberta da radioatividade do rádio levou ao primeiro uso de raios-x médicos.
O que é meia-vida?
A meia-vida de um isótopo radioativo é o tempo médio que cerca da metade dos átomos em uma amostra de radioisótopo leva para se decompor. Diferentes radioisótopos decaem em taxas diferentes e podem ter meias-vidas totalmente diferentes; essas meias-vidas podem ser tão curtas quanto alguns microssegundos, como no caso do polônio-214, e até alguns bilhões de anos, como o urânio-238.
O conceito importante é que um determinado radioisótopo irásempredecaem na mesma taxa. Sua meia-vida é uma característica inerente.
Pode parecer estranho caracterizar um elemento pelo tempo que leva para a metade dele se decompor; faz pouco sentido falar sobre a meia-vida de um único átomo, por exemplo. Mas essa medida é útil porque não é possível determinar exatamente qual núcleo irá decair e quando - o processo só pode ser entendido estatisticamente, em média, ao longo do tempo.
No caso de um núcleo atômico, a definição comum de meia-vida pode ser invertida: a probabilidade desse núcleo decair em menos tempo do que sua meia-vida é de cerca de 50%.
Equação de decaimento radioativo
Existem três equações equivalentes que fornecem o número de núcleos restantes no tempot. O primeiro é dado por:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Ondet1/2é a meia-vida do isótopo. O segundo envolve uma variávelτ, que é chamado de vida média ou tempo característico:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
O terceiro usa uma variávelλ, conhecido como constante de decaimento:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
As variáveist1/2, τeλestão todos relacionados pela seguinte equação:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Independentemente de qual variável ou versão da equação você usa, a função é uma exponencial negativa, o que significa que nunca chegará a zero. Para cada meia-vida que passa, o número de núcleos é reduzido pela metade, tornando-se cada vez menores, mas nunca desaparecendo totalmente - pelo menos, é o que acontece matematicamente. Na prática, é claro, uma amostra é composta de um número finito de átomos radioativos; assim que a amostra se reduz a um único átomo, esse átomo acabará por decair, não deixando nenhum átomo do isótopo original para trás.
Namoro radioativo
Os cientistas podem usar taxas de decaimento radioativo para determinar a idade de objetos ou artefatos antigos.
Por exemplo, o carbono-14 é constantemente reabastecido nos organismos vivos. Todos os seres vivos têm a mesma proporção de carbono-12 para carbono-14. Essa proporção muda quando o organismo morre porque o carbono-14 se decompõe enquanto o carbono-12 permanece estável. Conhecendo a taxa de decaimento do carbono-14 (tem meia-vida de 5.730 anos) e medindo quanto do carbono-14 na amostra transmutado em outros elementos em relação à quantidade de carbono-12, então é possível determinar as idades dos fósseis e similares objetos.
Radioisótopos com meia-vida mais longa podem ser usados para datar objetos mais antigos, embora deva haver alguma maneira de dizer quanto desse radioisótopo estava na amostra originalmente. A datação por carbono só pode datar objetos com menos de 50.000 anos porque, depois de nove meias-vidas, geralmente há muito pouco do carbono-14 restante para uma medida precisa.
Exemplos
Se a meia-vida do seabórgio-266 for de 30 segundos, começaremos com 6,02 × 1023 átomos, podemos descobrir quanto resta após cinco minutos usando a equação de decaimento radioativo.
Para usar a equação de decaimento radioativo, conectamos 6,02 × 1023 átomos paraN0, 300 segundos parate 30 segundos parat1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
E se tivéssemos apenas o número inicial de átomos, o número final de átomos e a meia-vida? (Isso é o que os cientistas fazem quando usam a decadência radioativa para datar fósseis e artefatos antigos.) Se uma amostra de plutônio-238 começou com 6,02 × 1023 átomos, e agora tem 2,11 × 1015 átomos, quanto tempo se passou considerando que a meia-vida do plutônio-238 é de 87,7 anos?
A equação que temos que resolver é
2,11 \ vezes 10 ^ {15} = (6,02 \ vezes 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
e devemos resolvê-lo parat.
Dividindo ambos os lados por 6,02 × 1023, Nós temos:
3,50 \ vezes 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Podemos então pegar o log de ambos os lados e usar a regra de expoentes nas funções de log para obter:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
Podemos resolver isso algebricamente para obter t = 2463,43 anos.