Universidade Federal de Itajubá

1. Química Nuclear Felipe Annoni Kawai - 15728 Thaís Silva Silvério - 15733 Universidade Federal de Itajubá Prof. Élcio Barrak

2. Radioatividade • Núcleons → prótons e nêutrons • Nº atômico (Z) = Nº de prótons • Nº de massa (A) = Nº total de núcleons • Isótopos → átomos com mesmo Z que diferem em relação à A 234 235 238 U U U 92 92 92

3. As propriedades nucleares dependem de Z e N (nº de nêutrons) • Núcleos radioativos → radionuclídeos • Átomos radioativos → radioisótopos • Equações nucleares → representação da reação de decaimento radioativo, Z e A devem ser balanceados em todas as equações nucleares 238 234 4 U → Th + He 92 90 2

4. Radiação alfa (α) → feixe de núcleos de hélio-4, que são emitidos espontaneamente 226 222 4 Ra → Rn + α 88 86 2 Radiação Beta (β) → feixe de elétrons de alta velocidade emitidos por um núcleo estável. 131 131 0 I → Xe + e 53 54 -1 Tipos de decaimento radioativo

5. Equivalente à conversão do nêutron em um próton, em conseqüência, ocorre o aumento do Z em 1 1 1 0 n → p + e 0 1 -1 • Radiação Gama () → fótons de alta energia, não altera Z e A de um núcleo. Representação: o  • Captura de elétrons → captura pelo núcleo de um e- da nuvem eletrônica ao redor do núcleo. 81 0 81 Rb + e → Kr 37 -1 36

6. Pósitron → possui a massa de um e-, mas carga contrária. O isótopo de carbono-11 decai por emissão de pósitron. 11 11 0 C → B + e 6 5 1 Captura de elétrons, como a emissão de pósitron tem efeito de converter um próton em um nêutron: 1 0 1 p → e → n 1 -1 0

7. Padrões de estabilidade nuclear • Razão nêutron-próton → fator dominante da estabilidade nuclear. Comparando-se a razão nêutron-próton de um nuclídeo com o cinturão de estabilidade, pode-se determinar o modo de decaimento radioativo. Podemos visualizar três situações gerais: • Núcleos acima do cinturão de estabilidade (altas razões nêutron-próton): núcleos ricos em nêutrons e tendem a emitir partículas β.

8. Núcleos abaixo do cinturão de estabilidade (baixas razões nêutron-próton): núcleos ricos em prótons que tendem a emitir pósitron ou capturar elétrons. • Núcleos com números atômicos ≥ 84: núcleos mais pesados que tendem a emitir partícula α.

10. Série de radioatividade ou desintegração nuclear → série de reações nucleares que começa com um núcleo instável e termina com um núcleo estável.

11. Fatores que ajudam a determinar a estabilidade nuclear • Números mágicos: números de núcleons mais estáveis • 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 → prótons • 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 → nêutrons • Núcleos com números pares tanto de prótons quanto de nêutrons geralmente são mais estáveis que os com números ímpares 4 40 98 He e Ca (estáveis) Tc (instável, radioativo) 2 20 43

12. Transmutações nucleares • Transmutações nucleares → conversões induzidas de um núcleo em outro, podendo ser realizadas pelo bombardeamento do núcleo com partículas carregadas ou nêutrons 14 4 17 1 N + He → O + H 7 2 8 1 • Uso de partículas carregadas → partículas carregadas devem se movimentar mais rapidamente para superar a repulsão eletrostática entre elas e o núcleo-alvo. Os aceleradores de partículas permitem que as partículas superem essas repulsões eletrostáticas

13. Uso de nêutrons → muitos isótopos sintéticos são preparados usando nêutrons como projéteis. Os nêutrons necessários são produzidos pelas reações que ocorrem nos reatores nucleares. • Elementos transurânicos → transmutações artificiais têm sido usadas para produzir os elementos com Z acima de 92. São produzidos pelo bombardeamento de urânio-238 com nêutrons.

14. Velocidades de decaimento radioativo • Meia-vida → tempo necessário para que metade de certa quantidade de uma substância radioativa decaia • Cada isótopo tem sua própria meia-vida • Como a meia-vida de qualquer nuclídeo é constante, a meia-vida pode servir como um relógio nuclear para determinar idades de diferentes objetos. A meia-vida do carbono-14 é de 5.715 anos 14 14 0 C → N + e 6 7 -1

15. Decaimento radioativo → processo cinético de 1ª ordem • Velocidade de decaimento (atividade) → diretamente proporcional ao nº de núcleos radioativos N na amostra: • Velocidade = kN • ln( Nt / N0 ) = - kt • k = 0,693 / t1/2 • Bequerel (Bq) → unidade de atividade radioativa. • 1 Bq = desintegração / s

16. Detecção de radioatividade • Bequerel • Lâminas e Filmes Fotográficos → extensão do obscurecimento • Contador Geiger → ionização da matéria e condução de corrente elétrica • Contador de Cintilações → detecção e medição pelos sinais de luz produzidos por uma substância fosforescente • Métodos quantitativos

17. Rastreadores radioativos • Radioisótopos usados para seguir um elemento por suas reações químicas • Aplicações médicas → ferramentas de diagnóstico • Habilidade do composto radioativo de localizar-se e concentra-se no órgão ou tecido sob investigação • Iodo-131 → glândulas tireóides

18. Tomografia por emissão de pósitron → construção de imagem computadorizada do órgão que está emitindo a radiação • Radionuclídeos mais utilizados: 11C, 18F, 15O, 13N

19. Variação de energia nas reações nucleares • Equação de Einstein → E = m.c2 • E = energia (J), m = massa (kg), c = velocidade da luz = 2,9979 x 108 m/s • ΔE = Δm.c2 • Δm = m total dos produtos – m reagentes

20. Perda de massa → perda de energia (ΔE<0) → exotérmica • Reações nucleares espontâneas • Ganho de massa → ganho de energia (ΔE>0) → endotérmica • ΔE e Δm nas reações nucleares são muito maiores que nas reações químicas

21. Energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons E coesão, estabilidade do núcleo Comparação das estabilidades de diferentes combinações de núcleons Energia de coesão dos núcleos

22. m núcleos < m núcleons individuais Perda de massa (m núcleo – m núcleons constituintes) Adição de energia para quebrar o núcleo

23. Núcleos pesados → Núcleos médios + energia Reação em cadeia Fissão Nuclear

24. Bomba Atômica • Massa crítica → massa mínima de material físsil • Massa subcrítica • Massa supercrítica

25. Reatores Nucleares

26. Sol Núcleos leves → Núcleos pesados + energia Maior disponibilidade de isótopos mais leves Altas energias necessárias para superar repulsão entre núcleos Altas energias → Altas temperaturas Reações termonucleares Fusão Nuclear

27. Bomba termonuclear ou de hidrogênio • Uso de bomba atômica para alcançar altas temperaturas • Inadequada para geração controlada de energia • Inexistência de material estrutural que resista às temperaturas necessárias • Pesquisas • Tokamak → campos magnéticos fortes • Laseres poderosos

28. Efeitos biológicos da radiação • Constante exposição à radiação natural e artificial (Ex: luz visível do sol, microondas, raios X) • Diferentes energias para diferentes espécies de radiação • Tipos de radiação: • Não-ionizantes → excitação de elétrons • Geralmente possui energia mais baixa

29. Ionizante → remoção de um elétron do átomo ou molécula Geralmente muito mais prejudicial aos sistemas biológicos Formação de radicais livresnos tecidos humanos H2O+ + H2O → H3O+ + ·OH Capazes de romper as operações normais das células Dano depende da atividade e da energia da radiação, do tempo de exposição e da localização da fonte

30. Raios  e X → prejudiciais fora do corpo • Raios α → bloqueados pela pele, mas perigosos dentro do corpo • Raios β→ penetram 1cm na pele • Principal efeito da exposição prolongada a baixas doses de radiação → câncer

31. Hipóteses sobre os efeitos da radiação • Efeitos proporcionais à exposição, mesmo a baixas doses. Qualquer quantidade de radiação provoca algum risco finito de lesão • Limite abaixo do qual não existem riscos de radiação

32. Doses de Radiação • Medição de dose absorvida de radiação • Gray (Gy) → unidade SI • 1 J de energia / kg de tecido • Rad → uso frequente em medicina • 1 x 10-2 J de energia / kg de tecido • 1 Gy = 100 rads • Efetividade Biológica Relativa (EBR) • Medição do dano biológico relativo causado pela radiação • Varia com a taxa da dose, com a dose total e com o tipo de tecido afetado

33. Dose Efetiva • Sievert (Sv) = (Gy) x (EBR) • Unidade SI • Nº de rems = (Nº de rads) x (EBR) • Equivale a roentgen/ser vivo • Geralmente usado na medicina • 1 Sv = 100 rem • Exposição média por uma pessoa em um ano a radiações ionizantes = 360 mrem

34. Radônio-222 • Gás nobre radioativo • Formado pelo decaimento do urânio de rochas e solos • Interação entre propriedades químicas e nucleares • Extremamente não-reativo • Escapa do solo sem reagir quimicamente • Facilmente inalado e exalado

35. 222 218 4 • Rn → Po + He 86 84 2 • Partícula α tem alta EBR 218 214 4 • Po → Pb + He 84 82 2 • Polônio-218 pode ficar retido nos pulmões • Responsável por 10% das mortes por câncer nos pulmões • Níveis de radônio-222 ≤ 4 pCi/Lar

36. Areia Monazítica • Encontrada no litoral brasileiro • Composta de vários minerais pesados • Monazita → fosfatos, tório e urânio (fabricação de vidros especiais como tubos de televisores, catalisadores para petróleo e fibras ópticas) • Zircão → silicato de zircônio, háfnio (fabricação de refratários, moldes de fundição e peças para reatores nucleares) • Ilmenita → óxido de ferro e titânio (ampla aplicação na indústria aeroespacial, como ligas em motores e turbinas)

37. A partir do tório obtém-se o urânio físsil • Vendia-se aos EUA • Era beneficiado no Complexo Industrial de Poços de Caldas, que hoje está desativado

38. Terapia por radiação • Radioterapia → tratamento por radiação de alta energia • Tumores malignos → massas de tecido anormal • Podem ser causados pela radiação de alta energia • Podem ser destruídos pela exposição à mesma • Células que se reproduzem rapidamente são mais susceptíveis aos danos da radiação

39. Radionuclídeos usados • Meias-vidas pequenas → grande quantidade de reação em curto período de tempo • Fonte dentro ou fora do corpo • Mais comum → radiação  • Sementes radioativas → revestidas de platina • Implantadas cirurgicamente • Ingestão • Aceleradores de partículas • Quase impossível evitar danos às células saudáveis • Efeitos colaterais → fadiga, náusea, perda de cabelos, enfraquecimento do sistema imunológico e até morte

40. Referências bibliográficas • http://www.cnen.gov.br/lapoc/tecnica/licfisc.asp • http://www.guaraparivirtual.com.br/areia_m.asp • http://www.ilhagrande.org/Areia-Monazitica/areia-monazitica.html • http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,0,EDR65404-6014,00.html • T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R. Burdge. Química: A Ciência Central, 9ª. ed.. São Paulo: Pearson, 2005.