2016 atual aulas 25 26 27 - progressao ext noite - radioatividade

RADIOATIVIDADEConceitos Básicos

AULA 25, 26 e 27 CAD IV – pág 202

Radioatividade

• Atividade que certos átomos possuem de emitir radiações eletromagnéticas e partículas de seus núcleos instáveis com o propósito de adquirir estabilidade.

• Relação n/p estabilidade nuclear– Do 4

2 He ao 40

20Ca a relação n/p = 1. Átomos bastante estáveis.

– O 209 83Bi é o último elemento da tabela periódica que possui isótopo

estável.

• Todos os elementos apresentam isótopos radioativos (naturais e/ou artificiais), porém um elemento só é considerado radioativo se o seu isótopo mais abundante for radioativo.

– Atualmente são conhecidos mais de 40 isótopos naturais radioativos, de número atômico superior a 82.


Início

• Em 1895, Pierre e Marie Curie descobriram um minério de urânio que, ao ser colocado sobre uma chapa fotográfica produzia uma impressão semelhante à de fotografia na presença da luz.

• Através de alguns equipamentos de detecção conseguiram medir tais radiações, descobrindo que o urânio não era o único elemento que apresentava essa propriedade.

• No final de 1898, após isolar de um minério de pechblenda – óxido de urânio – um elemento espontaneamente luminoso e dois milhões de vezes mais radioativo que o urânio, o casal Curie descobria o rádio, importante elemento de valor terapêutico comprovado no tratamento de câncer.


Partículas e emissões radiativas

• Em 1899, Becquerel trabalhando com o elemento rádio verificou que as radiações emitidas por esse elemento podiam ser desviadas por um campo magnético.

• Um ano depois, independente e quase simultaneamente, o físico neozelandês Rutherford e Pierre Curie identificaram dois tipos

distintos de radiações emitidas por elementos radioativos. – Essas radiações (partículas) foram denominadas alfa ) e beta )

• Ainda em 1900, o físico Villard identificou uma espécie de radiação eletromagnética que também era emitida por esses elementos.

– Denominou essa radiação eletromagnética de radiação gama )



Emissão Representação Carga Nº de massa

Velocidade (km/s)

Poder de Penetração

+2 4 20.000 a 30.000

Muito baixo

-1 0 Até 270.000 Médio

0 0 300.000 Alto

neutrino 0 0 ~300.000 Alto

Pósitron +1 0 ~300.000 Alto

Partículas e emissões radiativas


Leis da Radioatividade

• Primeira lei de Soddy

- Quando um átomo emite uma partícula alfa ( ) seu número

atômico (Z) diminui 2 unidades e seu número de massa (A)

diminui de 4 unidades.

42 α

ZA X → 2

4 α + Z−2A−4 Y


Leis da Radioatividade

• Segunda lei de Soddy

- Quando um átomo emite uma partícula beta ( ) seu número

atômico (Z) aumenta 1 unidade e seu número de massa (A)

permanece constante.

ZAQ → −1

0 β + Z+ 1A R

−10 β


Exemplo:Exemplo:

1) Assinale a alternativa que indica o isótopo do elemento X que contempla a reação de fissão nuclear:

92U235

+ 0 n1→ 38 Sr

90+ X + 3 0 n

1

53145 I

51145 Sb

a)

c)

e)

b)

d)

54143 Xe

53143 I

54144 Xe

EXERCÍCIOS

Pág. 202

EXERCÍCIO 1 - Pág. 202

O isótopo radioativo Sr-90 não existe na natureza, sua formação ocorre principalmente em virtude da desintegração do Br-90 resultante do processo de fissão do urânio e do plutônio em reatores nucleares ou em explosões de bombas atômicas. Observe a série radioativa, a partir do Br-90, até a formação do Sr-90:

A análise dos dados exibidos nessa série permite concluir que, nesse processo de desintegração, são emitidas.

a)partículas alfa.

b)partículas alfa e partículas beta.

c)apenas radiações gama.

d)partículas alfa e nêutrons.

e)partículas beta.


Um elemento radioativo M emite, sucessivamente, 7 partículas alfa (a) e 4 partículas beta (b), transformando-se no elemento

83Bi209.

Pergunta-se

a) Quais são os números atômicos e de massa do elemento M

b) Qual o nome desse elemento (consulte Tab. Periódica)


Um isótopo radioativo de Urânio-238, de número atômico 92 e número de massa 238,emite uma partícula alfa, transformando-se num átomo X, o qual emite uma partícula beta, produzindo um átomo Z, que por sua vez emite uma partícula beta, transformando-se num átomo M. Um estudante analisando essas situações faz as seguintes observações:

I – os átomos X e Z são isóbaros;

II – o átomo M é isótopo do Urânio-238

III – o átomo Z possui 143 nêutrons;

IV – o átomo X possui 90 prótons.

Das observações feitas, utilizando os dados acima, estão corretas:

a) apenas I e II

b) apenas I e IV

c) apenas III e IV

d) apenas I, II e IV

e) todas

Tipos de Reações Nucleares

• Transmutação nuclearTransmutação nuclear: São reações nucleares provocadas pelo bombardeamento de nuclídeos.

714 N + 2

4 α → 817O + 1

1 p

RADIOATIVIDADEFenômenos e Aplicações

Tipos de Reações Nucleares – Transmutação do C-14


714 N + 0

1 n → 614C + 1

1 p

• Uma aplicação importante consiste no método de datação baseado no isótopo 14 do carbono.

• O carbono-14 forma-se naturalmente no ar atmosférico quando nêutrons dos raios cósmicos colidem com átomo de nitrogênio.

• O carbono-14 reage então com o oxigênio do ar formando gás carbônico radioativo, *CO2(g), que é absorvido pelos vegetais por meio da

fotossíntese e pelos animais por meio de alimentação.

• Assim a concentração de *CO2 nos tecidos vegetais e animais vivos é

praticamente constante, pois, ao mesmo tempo que carbono-14 é absorvido, ele também decai por emissão de partícula beta.

RADIOATIVIDADEFenômenos e Aplicações(Transmutação nuclear)

614C → −1

0 β + 714 N

• Quando o organismo morre, o C-14 deixa de ser reposto e a quantidade desse elemento no organismo começa a decrescer.

• Com base no conceito de meia-vida do carbono-14 (aproximadamente 5730 anos), os cientistas conseguem determinar a idade do fóssil.


• Fissão nuclearFissão nuclear: É o processo de transmutação nuclear no qual um núcleo grande se quebra em outros menores, com grande liberação de

energia.


• A fissão nuclear explica o funcionamento das usinas nucleares e das bombas atômicas (usada para fins bélicos).

92U235

+ 0 n1→ 38 Sr

90+ 54 Xe

143+ 3 0 n

1


• Fissão nuclearFissão nuclear: Processo de fissão em uma explosão nuclear


Cabeças-de-Guerra Nucleares• As bombas: Little Boy

Little Boy

Lançada em Hiroshima

06/08/1945

Nome: Little Boy

Tipo: Uranium gun-type fission

Peso: 9,700lb (4.400 kg)

Comprimento: 10 ft, 6 in (3.2 m)

Diâmetro: 29 in (0.737 m)

Poder Explosivo: 15.000 tons de TNT

(15 kTON)


Cabeças-de-Guerra Nucleares• As bombas: Little Boy

– Obtendo a detonação (criticalidade = 100 kg urânio)• “Gun-like arrangement”


Cabeças-de-Guerra Nucleares• As bombas: Fat Man

Fat Man

Lançada em Nagasaki

09/08/1945

Nome: Fat Man

Tipo: Plutonium fission

Peso: 10,000lb (4.535 kg)

Comprimento: 10 ft, 8 in (3.25 m)

Diâmetro: 5 ft (1.52 m)

Poder Explosivo: 21.000 tons of TNT

(21 kTON)

Outros dadosEspessura do corpo: 3/8 pol.Massa do corpo: 5.000 lbMassa de explosivo: 5.000 lb


Cabeças-de-Guerra Nucleares• As bombas: Fat Man

– Obtendo a detonação (criticalidade = 10 kg urânio + Po/Be)

• Compressão do material físsil


Ataques Nucleares


Alvo Hiroshima NagasakiTokyo Fire Raid

Mortos 70,000-80,000 35,000-40,000 83,000Feridos 70,000 40,000 102,000Densidade Populacional

35,000 per sq mile 65,000 per sq mile130,000 per sq mile

Total Perdas 140,000-150,000 75,000-80,000 185,000Área Destruida 4.7 sq mile 1.8 sq mile 15.8 sq milePlataforma de

1 B-29 1 B-29 334 B-29s


• Fissão nuclearFissão nuclear:

Usina nuclear



• Fusão nuclearFusão nuclear: É o processo de transmutação nuclear no qual há uma união efetiva de dois núcleos menores para formação de um núcleo

maior, com grande liberação de energia (cerca 10x mais que na fusão).

1 H2 + 1 H

2 → 2 He3 + 0 n

1

1 H2+ 1 H

3→ 2 He

4+ 0 n

1


• A fusão nuclear explica a atividade do Sol e das bombas de hidrogênio (não utilizadas ainda em ataques reais, somente em testes).

Reações Nucleares• Fusão Nuclear

Em 1951, um teste no Atol Eniwetok no Pacífico Sul, demonstrou a liberação de energia da fusão nuclear. Pesando 65 toneladas, o aparato foi um dispositivo experimental, não uma bomba.

Em 1 Nov 1952, uma explosão termonuclear de 10,4 Megaton, apelidada de MIKE, anunciou o inicio do período termonuclear. A ilha de Elugelab no Atol Eniwetok foi completamente vaporizada.


Reações Nucleares• Reator à Fusão Nuclear


1. Combustível - O reator é alimentado por deutério e trítio, elementos produzidos a

partir do hidrogênio contido na água

2. Túnel magnético - A mistura de deutério e trítio forma um plasma que circula

rapidamente no interior do núcleo do reator

3. Revestimento - As paredes revestidas de ímãs aceleram o plasma, que chega a

uma temperatura de 100 milhões de graus Celsius

4. Rejeitos - O resultado da reação nuclear são simples átomos de hélio, um gás

inócuo, normalmente usado para encher balões em festas de criança

5. Estímulos - Injeções de átomos e de ondas de alta freqüência ajudam a manter a

temperatura elevada no núcleo

6. Resfriamento - Um circuito de resfriamento por líquido de alta pressão sai do reator

e gera eletricidade


ExemploExemplo

1) Fissão nuclear e fusão nuclear:

a) Os termos são sinônimos

b) A fusão nuclear é responsável pela produção de luz e calor no Sol e em outras estrelas

c) Apenas a fissão nuclear enfrenta o problema de como dispor o lixo radioativo de forma segura

d) A fusão nuclear é atualmente utilizada para produzir energia comercialmente em muitos países

e) Ambos os métodos ainda estão em fase de pesquisa e não são usados comercialmente.


ExemploExemplo

2) Associe as reações nucleares cujas equações encontram-se listadas na 1ª coluna – reações nucleares (de I a IV) com os nomes dos fenômenos listados na 2ª coluna – nome do fenômeno (de A a D)

I . 4 11 H → 2

4 He + 2 +10 β + 0

0 γ

II . 92235U + 0

1 n → 56140 Ba + 36

94 Kr + 2 01 n

III . 1327 Al + 2 2

4 α → 1530 P + 0

1 n

IV . 90232Th → 88

228 Ra + 24 α

a) Transmutação artificial

b) Desintegração espontânea

c) Fusão nuclear

d) Fissão nuclear

EXERCÍCIOS

Pág. 205


Com relação aos processos de fusão e fissão nuclear, assinale o que for correto.

01. Fusão nuclear consiste na junção de núcleos pequenos formando núcleos maiores e liberando uma grande quantidade de energia.

02 Fissão nuclear é o processo de quebra de núcleos grandes em núcleos menores, liberando grande quantidade de energia.

04. A fusão nuclear exige grande quantidade de energia para ocorrer

08. O processo de fissão nuclear é aproveitado pelo homem para a geração de energia elétrica a partir da energia nuclear em usinas termonucleares.

16. O processo de fusão nuclear ocorre naturalmente no sol, onde a temperatura é suficientemente alta para que ocorra a fusão dos átomos de hidrogênio formando átomos mais pesados.


A bomba

reduz neutros e neutrinos, e abana-se com o leque da reação em cadeia.

ANDRADE, C. D. Poesia completa e prosa. Rio de Janeiro: Aguilar, 1973 (fragmento).

Nesse fragmento de poema, o autor refere-se à bomba atômica de urânio. Essa reação é dita “em cadeia” porque na

a) fissão do 235U ocorre liberação de grande quantidade de calor, que dá continuidade à reação.

b) fissão de 235U ocorre liberação de energia, que vai desintegrando o isótopo 238U, enriquecendo-o em mais 235U.

c) fissão do 235U ocorre uma liberação de nêutrons, que bombardearão outros núcleos.

d) fusão do 235U com 238U ocorre formação de neutrino, que bombardeará outros núcleos radioativos.

e) fusão do 235U com 238U ocorre formação de outros elementos radioativos mais pesados, que desencadeiam novos processos de fusão.


A queima de 1 litro de gasolina fornece 33 kJ de energia. A fissão de somente 1g de

92U235 fornece 8,25 ∙ 107 kJ de energia. A bomba de Hiroshima, utilizada pelos Estados

Unidos contra o Japão no final da Segunda Guerra Mundial, tinha uma quantidade de urânio de aproximadamente 16 kg. Essa é a massa crítica necessária para a obtenção da reação em cadeia de fissão e, consequentemente, a explosão. Uma esfera de urânio de 12 cm de diâmetro tem essa massa de urânio.

a) considerando a gasolina como sendo constituída por octano (C8H

18), escreva a

reação de combustão completa da gasolina devidamente balanceada. Copie a equação de fissão do urânio, analisando a classificação periódica, complete a reação, dando os símbolos e os nomes dos elementos X e Y resultantes da fissão do

92U235.

92U235 + 1

0n1 →

35X90 +

57Y143 + 3

0n1 + energia

b) sabendo que um caminhão-tanque tem capacidade para transportar 40.000L de gasolina, quantos milhões de caminhões-tanque cheios seriam necessários para produzir quantidade de energia similar àquela liberada na explosão da bomba de Hiroshima?

• Cada elemento radioativo se transmuta a uma velocidade que lhe é característica.

• Meia-vida é o tempo necessário para que a sua atividade radioativa seja reduzida à metade da atividade inicial.

RADIOATIVIDADECinética das emissões radioativas

Período de meia-vida (t1/2)

Ou seja, é o intervalo de tempo

necessário para que o número (ou

massa) de radionuclídeos se reduza

pela metade.

• Para determinar o número de períodos de meia vida (n):


Período de meia-vida (t1/2)

m=m02n


ExemploExemplo

1) O decaimento radioativo de uma amostra de Sr-90 está representado no gráfico a seguir. Partindo-se de uma amostra de 40,0g, após quantos anos, aproximadamente, restarão apenas 5,0g de Sr-90:

a) 15

b) 54

c) 90

d) 100

e) 120


ExemploExemplo

m0 = 40,0g

m = 5,0g m=m02n

5 =40

2n

2n = 8n =3

t = n . t 1/2

t = 3 . 30t = 90 anos


Mesmo exemploMesmo exemplo

1) O decaimento radioativo de uma amostra de Sr-90 está representado no gráfico a seguir. Partindo-se de uma amostra de 40,0g, após quantos anos, aproximadamente, restarão apenas 5,0g de Sr-90:

a) 15

b) 54

c) 90

d) 100

e) 12040 g40 g 20g20g 10g10g 5g5g

t1/2=30 anos

t1/2=30 anost1/2=30 anos

EXERCÍCIOS

Pág. 207


A meia vida do radioisótopo cobre-64 (29

Cu64) é de apenas 12,8 horas,

pois ele sofre decaimento β se transformando em zinco, conforme a representação.

Considerando uma amostra inicial de 128 mg de cobre-64, após 76,8 horas, a massa restante desse radioisótopo será de:

a) 2 mg

b) 10 mg

c) 12 mg

d) 28 mg

e) 54 mg


Medidas de radioatividade de uma amostra de tecido vegetal encontrado nas proximidades do Vale dos Reis, no Egito, revelaram que o teor em carbono 14 (a relação 14C/12C) era correspondente a 25% do valor encontrado para um vegetal vivo.

Sabendo que a meia-vida do carbono 14 é 5730 anos, conclui-se que o tecido fossilizado encontrado não pode ter pertencido a uma planta que viveu durante o antigo império egípcio – há cerca de 6000 anos –, pois:

a) a meia-vida do carbono 14 é cerca de 1000 anos menor do que os 6000 anos do império egípcio.

b) para que fosse alcançada essa relação 14C/12C no tecido vegetal, seriam necessários apenas cerca de 3000 anos.

c) a relação 14C/12C de 25%, em comparação com a de um tecido vegetal vivo, corresponde à passagem de, aproximadamente, 1500 anos.

d) ele pertenceu a um vegetal que morreu há cerca de 11500 anos.

e) ele é relativamente recente, tendo pertencido a uma planta que viveu há apenas 240 anos, aproximadamente.


2011 é o Ano Internacional da Química; neste ano, comemoram-se também os 100 anos do recebimento do Prêmio Nobel de Química por Marie Curie, pela descoberta dos elementos químicos rádio e polônio. Ela os obteve purificando enormes quantidades de minério de urânio, pois esses elementos estão presentes na cadeia de decaimento do urânio-238. Vários radionuclídeos dessa cadeia emitem partículas alfa (

24) ou beta negativa (-1)

a) O Po-210 decai por emissão alfa com meia-vida aproximada de 140 dias, gerando um elemento estável. Uma amostra de Po-210 de altíssima pureza foi preparada, guardada e isolada por 280 dias. Após esse período, quais elementos químicos estarão presentes na amostra e em que proporção, em número de átomos?

b) Qual o número de partículas alfa e o número de partículas beta negativa que são emitidas na cadeia de decaimento que leva de um radionuclídeo de Ra-226 até um radionuclídeo de Po-210? Explique

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