Tipos de decaimento radioativo: Alfa, Beta, Gama

​Radioativoé uma palavra que não é bem compreendida. Imerso no medo e parecendo inerentemente estranho e perigoso, a natureza da decomposição radioativa é algo que vale a pena aprender, seja você um estudante de física ou apenas um leigo interessado

A realidade é que a radioatividade descreve essencialmente reações nucleares que levam a uma mudança no número atômico de um elemento e / ou a uma liberação de radiação gama. É perigoso em grandes quantidades porque a radiação liberada é "ionizante" (ou seja, tem energia suficiente para retirar elétrons dos átomos) mas é um fenômeno físico interessante e, na prática, a maioria das pessoas nunca estará perto de materiais radioativos o suficiente para estar em risco.

Os núcleos podem atingir um estado de menor energia por fusão - que é quando dois núcleos se fundem para criar um mais pesado núcleo, liberando energia no processo - ou por fissão, que é a divisão de elementos pesados ​​em mais leves uns. A fissão é a fonte de energia em reatores nucleares e também em armas nucleares, e isso em particular é o que a maioria das pessoas imagina quando pensa sobre radioatividade. Mas na maioria das vezes, quando os núcleos mudam para um estado de energia mais baixa na natureza, é devido ao decaimento radioativo.

Existem três tipos de decaimento radioativo: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama, embora o decaimento beta em si venha em três tipos diferentes. Aprender sobre essas formas de decadência nuclear é uma parte crucial de qualquer curso de física nuclear.

O decaimento alfa ocorre quando um núcleo emite o que é chamado de "partícula alfa" (partícula α). Uma partícula alfa é uma combinação de dois prótons e dois nêutrons, que se você conhecer sua tabela periódica, reconhecerá como um núcleo de hélio.

O processo é bastante fácil de entender em termos de massa e propriedades do átomo resultante: ele perde quatro de seu número de massa (dois dos prótons e dois dos elétrons) e dois de seu número atômico (dos dois prótons perdido). Isso significa que o átomo original (ou seja, o núcleo "pai") se torna um elemento diferente (com base no núcleo "filho") após sofrer decaimento alfa.

Ao calcular a energia liberada no decaimento alfa, você precisa subtrair a massa do núcleo de hélio e o átomo filho da massa do átomo pai, e converta isso em um valor de energia usando o famoso equaçãoE​ = ​mc​². Geralmente é mais fácil realizar este cálculo se você trabalhar em unidades de massa atômica (amu) e multiplicar a massa ausente pelo fatorc​² = 931,494 MeV / amu. Isso retorna um valor de energia em MeV (ou seja, megeletronvolts), com um elétronvolt sendo igual a 1,602 × 10⁻⁹ joules e geralmente uma unidade mais conveniente para trabalhar em energias na escala atômica.

Uma vez que o decaimento beta tem três variedades diferentes, é útil aprender sobre cada uma delas, embora haja muitas semelhanças entre elas. O decaimento beta-mais é quando um próton se transforma em nêutron, com a liberação de uma partícula beta-mais (ou seja, uma partícula β +) junto com uma partícula sem carga, quase sem massa, chamada de neutrino. Como resultado desse processo, o átomo filho terá um próton a menos e um nêutron a mais que o átomo pai, mas o mesmo número de massa total.

A partícula beta-plus é, na verdade, chamada de pósitron, que é a partícula de antimatéria que corresponde ao elétron. Ele tem uma carga positiva do mesmo tamanho que a carga negativa do elétron e a mesma massa de um elétron. O neutrino liberado é tecnicamente chamado de neutrino do elétron. Observe que uma partícula de matéria regular e uma partícula de antimatéria são liberadas neste processo.

Calcular a energia liberada neste processo de decaimento é um pouco mais complicado do que para outras formas de decai, porque a massa do átomo pai incluirá a massa de um elétron a mais do que o átomo filho massa. Além disso, você também deve subtrair a massa da partícula β + que é emitida no processo. Essencialmente, você tem que subtrair a massa da partícula filha edoiselétrons da massa da partícula-mãe e, em seguida, convertem-se em energia como antes. O neutrino é tão minúsculo que pode ser negligenciado com segurança.

O decaimento beta-menos é essencialmente o processo oposto do decaimento beta-positivo, onde um nêutron se transforma em um próton, liberando uma partícula beta-menos (uma partícula β-) e um antineutrino de elétron no processar. Por causa desse processo, o átomo filho terá um nêutron a menos e um próton a mais que o átomo pai.

A partícula β- é na verdade um elétron, mas tem um nome diferente neste contexto porque quando a emissão beta para o decaimento foi descoberta pela primeira vez, ninguém sabia o que a partícula realmente era. Além disso, chamá-los de partículas beta é útil porque lembra que vem do processo de decaimento beta e pode ser útil quando você está tentando lembrar o que acontece em cada um - a partícula beta positiva é liberada em decaimento beta-positivo e a partícula beta negativa é liberada em beta-menos decair. Nesse caso, porém, o neutrino é uma partícula de antimatéria, mas, novamente, uma antimatéria e uma partícula de matéria regular são liberadas no processo.

Calcular a energia liberada neste tipo de decaimento beta é um pouco mais simples, porque o elétron extra possuído pelo átomo filho se cancela com o elétron perdido na emissão beta. Isso significa que para calcular ∆m, você simplesmente subtrai a massa do átomo filho daquela do átomo pai e, em seguida, multiplica pela velocidade da luz ao quadrado (c​²), como antes, expresso em megeletronvolts por unidade de massa atômica.

O último tipo de decaimento beta é bastante diferente dos dois primeiros. Na captura de elétrons, um próton “absorve” um elétron e se transforma em um nêutron, com a liberação de um neutrino de elétron. Isso, portanto, reduz o número atômico (ou seja, o número de prótons) em um e aumenta o número de nêutrons em um.

Pode parecer que isso viola o padrão até agora, com uma matéria e uma partícula de antimatéria sendo emitida, mas dá uma dica da verdadeira razão para esse equilíbrio. O "número do leptão" (que você pode pensar como um número da "família do elétron") é conservado, e um elétron ou o neutrino do elétron tem um número leptônico de 1, enquanto o pósitron ou antineutrino do elétron tem um número leptônico de −1.

Você deve ser capaz de ver que todos os outros processos cumprem isso facilmente. Para a captura de elétrons, o número de leptões diminui em 1 quando o elétron é capturado, portanto, para equilibrar isso, uma partícula com número de leptões 1 deve ser emitida.

Calcular a energia liberada na captura de elétrons é muito simples: como o elétron vem do átomo pai, você não precisa se preocupar em contabilizar a diferença no número de elétrons entre o pai e a filha átomos. Você encontra ∆msimplesmente subtraindo a massa do átomo filho daquela do átomo pai. A expressão para o processo geralmente será escrita com o elétron no lado esquerdo, mas a regra simples lembra que ele é, na verdade, parte do átomo pai em termos de massa.

O decaimento gama envolve a emissão de um fóton de alta energia (radiação eletromagnética), mas o número de prótons e nêutrons no átomo não muda como resultado do processo. É análogo à emissão de um fóton quando um elétron faz a transição de um estado de energia superior para um estado de energia inferior, mas a transição, neste caso, ocorre no núcleo do átomo.

Assim como na situação análoga, a transição de um estado de energia superior para um estado de energia inferior é equilibrada pela emissão de um fóton. Estes têm energias acima de 10 keV e são geralmente chamados de raios gama, embora a definição não seja realmente rígida (a faixa de energia se sobrepõe aos raios X, por exemplo).

A emissão alfa ou beta pode deixar um núcleo em um estado excitado de alta energia, e a energia liberada como resultado desses processos é feita na forma de raios gama. No entanto, o núcleo também pode terminar em um estado de alta energia após colidir com outro núcleo ou ser atingido por um nêutron. O resultado em todos os casos é o mesmo: o núcleo cai de seu estado excitado para um estado de energia inferior e libera raios gama no processo.

O urânio-238 decai em tório-234 com a liberação de uma partícula alfa (ou seja, um núcleo de hélio), e este é um dos exemplos mais conhecidos de decaimento radioativo. O processo pode ser representado como:

Para calcular quanta energia é liberada neste processo, você precisará das massas atômicas: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu e ⁴He = 4,00260 amu, com todas as massas expressas em unidades de massa atômica. Agora, para descobrir quanta energia é liberada no processo, tudo o que você precisa fazer é encontrar ∆msubtraindo as massas dos produtos da massa do átomo original e, em seguida, calcule a quantidade de energia que isso representa.

A decadência radioativa geralmente acontece em cadeias, com várias etapas entre o ponto inicial e o ponto final. Essas cadeias de decaimento são longas e exigiriam muitas etapas para calcular quanta energia é liberada em todo o processo, mas pegar um pedaço de uma dessas cadeias ilustra a abordagem.

Se você olhar para a cadeia de decaimento do tório-232, perto do final da cadeia, um núcleo instável (ou seja, um átomo de um isótopo instável, com uma meia-vida curta) do bismuto-212 sofre decaimento beta-menos em polônio-212, que então sofre decaimento alfa em chumbo-208, um isótopo. Você pode calcular a energia liberada neste processo seguindo passo a passo.

Primeiro, o decaimento beta-menos do bismuto-212 (m= 211.99129 amu) em polônio-212 (m= 211,98887 amu) dá:

Lembrando que a mudança no número de elétrons se cancela no decaimento beta-menos. Isso libera:

O próximo estágio é o decaimento alfa de polônio-212 para chumbo-208 (m= 207,97665 amu) e um núcleo de hélio.

E a energia é:

No total, então, há 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV de energia liberada no processo. Claro, se você for cuidadoso (incluindo a partícula alfa e elétrons adicionais se o seu processo incluir um decaimento beta +), pode calcular a diferença de massa em uma única etapa e depois converter, mas esta abordagem informa a energia liberada em cada etapa.