Radioatividade é uma propriedade exibida por certos tipos de matéria emissora de energia e partículas subatômicas espontaneamente. É, em essência, um atributo dos núcleos atômicos individuais.
Um núcleo instável se decompõe espontaneamente, ou decai, em uma configuração mais estável, mas o fará apenas de algumas maneiras específicas, emitindo certas partículas ou certas formas de energia eletromagnética. Decaimento radioativo é uma propriedade de vários elementos que ocorrem naturalmente, bem como de isótopos produzidos artificialmente dos elementos. A taxa na qual um elemento radioativo decai é expressa em termos de sua meia-vida; isto é, o tempo necessário para metade de qualquer quantidade determinada do isótopo decair. As meias-vidas variam de mais de 1.000.000.000 de anos para alguns núcleos a menos de 10−9 segundos (veja abaixo Taxas de transições radioativas). O produto de um processo de decaimento radioativo – chamado de filha do isótopo pai – pode ser instável e, nesse caso, também decairá. O processo continua até que um nuclídeo estável tenha sido formado.
Radioatividade: A natureza das emissões radioativas
As emissões das formas mais comuns de decaimento radioactivo espontâneo são a partícula alfa (α), a partícula beta (β), o raio gama (γ) e o neutrino. A partícula alfa é, na verdade, o núcleo de um átomo de hélio-4, com duas cargas positivas
Ele. Tais átomos carregados são chamados íons. O átomo de hélio neutro tem dois elétrons fora de seu núcleo, equilibrando essas duas cargas. As partículas beta podem ser negativamente carregadas (beta menos, símbolo e−) ou carregadas positivamente (beta mais, símbolo e +). A partícula beta menos [β−] é na verdade um elétron criado no núcleo durante a decadência beta sem qualquer relação com a nuvem de elétrons orbitais do átomo. A beta mais partícula, também chamada de pósitron, é a antipartícula do elétron; quando reunidas, duas dessas partículas se aniquilarão mutuamente. Os raios gama são radiações eletromagnéticas, como ondas de rádio, luz e raios-X. A radioatividade beta também produz o neutrino e antineutrino, partículas sem carga e com pouca massa, simbolizadas por ν e ν, respectivamente.
Nas formas menos comuns de radioatividade, fragmentos de fissão, nêutrons ou prótons podem ser emitidos. Os próprios fragmentos de fissão são núcleos complexos, geralmente entre um terço e dois terços da carga Z e a massa A do núcleo progenitor. Os nêutrons e prótons são, obviamente, os blocos básicos de construção dos núcleos complexos, tendo aproximadamente massa unitária em escala atômica e tendo carga zero ou carga positiva unitária, respectivamente. O nêutron não pode existir por muito tempo no estado livre. É rapidamente capturado pelos núcleos na matéria; de outra forma, no espaço livre ele sofrerá decaimento beta-minus para um próton, um elétron e um antineutrino com uma meia-vida de 12,8 minutos. O próton é o núcleo do hidrogênio comum e é estável.
Tipos de radioatividade
Os primeiros trabalhos sobre a radioatividade natural associados aos minérios de urânio e tório identificaram dois tipos distintos de radioatividade: o decaimento alfa e beta.
Decaimento alfa
No decaimento alfa, um íon hélio energético (partícula alfa) é ejetado, deixando um núcleo-filha de número atômico dois menor que o parente e de massa atômica número quatro menor que o parente.
Para isso e reações subsequentes, a energia é liberada (Q) em milhões de elétron-volts (MeV) e a meia-vida (t1⁄2). Deve-se notar que em alfa decai as cargas, ou número de prótons, mostrados em subscrito estão em equilíbrio em ambos os lados da seta, como são as massas atômicas, mostradas em sobrescrito.
Decaimento beta-menos
No decaimento beta-menos, um elétron negativo energético é emitido, produzindo um núcleo-filha de um número atômico maior e o mesmo número de massa. Um exemplo é o decaimento do produto filha urânio tório-234 em protactínio-234:
Na reação acima para o decaimento beta, ν representa o antineutrino. Aqui, o número de prótons é aumentado em um na reação, mas a carga total permanece a mesma, porque um elétron, com carga negativa, também é criado.
Decaimento gama
Um terceiro tipo de radiação, a radiação gama, geralmente acompanha o decaimento alfa ou beta. Os raios gama são fótons e não possuem massa ou carga de repouso. O decaimento alfa ou beta pode simplesmente prosseguir diretamente para o estado terrestre (energia mais baixa) do núcleo-filha sem emissão gama, mas o decaimento também pode prosseguir total ou parcialmente para estados de energia mais elevados (estados excitados) da filha. No último caso, a emissão gama pode ocorrer à medida que os estados excitados se transformam em estados de energia mais baixa do mesmo núcleo. (Alternativamente à emissão gama, um núcleo excitado pode se transformar em um estado de energia mais baixa, expulsando um elétron da nuvem que envolve o núcleo. Essa ejeção de elétrons orbitais é conhecida como conversão interna e dá origem a um elétron energético e muitas vezes a um raio X. a nuvem atômica preenche o orbital vazio do elétron ejetado. A razão entre a conversão interna e a emissão gama alternativa é chamada de coeficiente de conversão interna.
Transições isoméricas
Existe uma ampla gama de taxas de meia-vida para o processo de emissão gama. Normalmente, as transições dipolo (veja abaixo a transição Gama), em que o raio gama carrega uma unidade de momento angular, são rápidas, menores que nanossegundos (um nanossegundo é igual a 10−9 segundo). A lei de conservação do momento angular requer que a soma do momento angular da radiação e do núcleo filho seja igual ao momento angular (spin) do pai. Se os spins dos estados inicial e final diferirem em mais de um, a radiação dipolar é proibida, e a emissão gama deve prosseguir mais lentamente por uma transição gama multipolar (quadrupolo, octupole, etc.) mais alta. Se a meia-vida de emissão gama exceder cerca de um nanossegundo, dizemos que o núcleo excitado está em um estado metaestável ou isomérico (os nomes de um estado excitado de vida longa), e é costume classificar o decaimento como outro tipo de radioatividade, uma transição isomérica. Um exemplo de isomerismo é encontrado no núcleo protactínio-234 da cadeia de decaimento do urânio-238: