O que é decaimento radioativo e é possível prever?

Crédito da imagem: Getty Images

O decaimento radioativo é a habilidade estranha e quase mística de um elemento se transmutar natural e espontaneamente em outro. No processo, esses elementos tendem a emitir formas mortais de radiação no espectro eletromagnético. 

O decaimento radioativo é mais comumente associado a desastres nucleares, como em Chernobyl, onde o decaimento radioativo nocivo resultante na área circundante exigiu a criação de uma zona de exclusão. O decaimento radioativo ocorre em átomos que se desequilibram, chamados radionuclídeos, de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA. Esses radionuclídeos seguem seu próprio caminho único de decaimento, transformando-se em diferentes elementos até atingirem um estado estável. 

A DESCOBERTA DA RADIOATIVIDADE

No final de 1800, os cientistas descobriram os raios-X, uma forma de radiação de alta energia, e se perguntavam se outros tipos de "raios" estavam saltando ao redor. Simultaneamente, os cientistas estavam apenas começando a explorar a natureza da fosforescência, a capacidade de alguns materiais brilharem após serem expostos a raios-X.

O cientista francês Henri Becquerel estava experimentando vários materiais fosforescentes, incluindo urânio. Ele logo descobriu que todos os materiais fosforescentes não deixavam uma imagem em uma placa fotográfica se ele cobrisse a placa, mas o urânio ainda deixava. Isso significava que o urânio estava gerando seu próprio tipo de radiação que era diferente da fosforescência. No modo da nomenclatura da época, esse tipo de radiação ficou conhecido como raios Becquerel.

Outros cientistas seguiram essa mesma trilha, descobrindo que o urânio era realmente muito estranho. No processo de emissão de radiação, ele se transmutou em outros elementos, algo que ninguém jamais havia visto antes, de acordo com NobelPrize.org. Eles descobriram que outros elementos às vezes eram capazes de fazer o mesmo artifício. Pierre e Marie Curie descobriram o rádio e o polônio e cunharam o termo "radioatividade", que rapidamente venceu os "raios de Becquerel".

Henri Becquerel descobriu acidentalmente a radioatividade espontânea. Crédito da imagem: Getty Images

TIPOS DE DECAIMENTO RADIOATIVO

Decaimento radioativo representado no nível molecular. Crédito da imagem: Getty Images

Os Curie e outros cientistas descobriram que os elementos radioativos emitiam três tipos de radiação à medida que passavam por esse processo de transmutação. 

Radiação alfa, pode ser bloqueada facilmente com nada mais do que uma folha de papel.

Radiação beta, requer algo mais pesado, como uma folha de metal. 

Os raios gama exigem que um bloco inteiro de chumbo para que seja interrompido, de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos.

O QUE CAUSA O DECAIMENTO RADIOATIVO?

Foi só quando os físicos tiveram um modelo quântico do átomo que eles foram capazes de entender o que estava acontecendo com o decaimento radioativo. Eles descobriram que o núcleo atômico era realmente uma bolsa solta e pegajosa de prótons e nêutrons, todos se movendo uns contra os outros. Aquela bolsa pegajosa tinha muita física complicada acontecendo dentro dela.

Por um lado, há a própria força nuclear forte, que é responsável por formar trigêmeos de quarks em nêutrons e prótons. Parte dessa força forte "vaza" dos nêutrons e prótons, no entanto, é essa força restante que é responsável pela formação dos núcleos atômicos.

Em segundo lugar, os prótons em um núcleo são carregados positivamente, e cargas semelhantes detestam ficar próximas umas das outras. Os prótons estão constantemente tentando se afastar um do outro, mas geralmente são mantidos sob controle pela capacidade de atração da força nuclear forte, de acordo com AtomicArchive.com. Ocasionalmente, a força nuclear fraca também aparece, com sua capacidade de transformar um próton em um nêutron e vice-versa.

A maioria dos núcleos atômicos é estável na maior parte do tempo; o equilíbrio de forças dentro deles os mantém juntos. Mas, às vezes, as coisas podem ficar desequilibradas. 

Se houver muitos prótons, por exemplo, a repulsão eletrostática desses prótons desestabiliza o núcleo. Ou, se houver muitos nêutrons, a força forte nem sempre é capaz de manter tudo junto e evitar que os nêutrons se afastem.

Se um núcleo atômico não está em seu estado de energia mais baixo possível, o decaimento radioativo pode acontecer quando o núcleo se reorganiza e se reorganiza para encontrar uma nova situação estável. As diferentes maneiras pelas quais um núcleo pode se reorganizar levam a diferentes tipos de radiação. 

A radiação alfa é na verdade um núcleo de hélio inteiro (dois prótons e dois nêutrons) fragmentado de elementos maiores. 

A radiação beta é um elétron ejetado quando um próton se transforma em um nêutron. 

A radiação gama é a liberação de um fóton de alta energia, de acordo com a Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos.

O DECAIMENTO RADIOATIVO É PREVISÍVEL?

O decaimento radioativo é totalmente aleatório. Se você pegasse um único átomo, nunca seria capaz de prever exatamente quando esse átomo decairia. Isso ocorre porque mesmo núcleos altamente instáveis estão unidos. Ainda há uma "bolsa" de força forte segurando todos os prótons e nêutrons em movimento dentro dela. 

O átomo pode preferir ter uma combinação diferente de prótons e nêutrons, mas precisa fazê-lo de alguma forma. A única maneira de conseguir é removendo partes de si mesmo ou trocando um de seus componentes, o que custa um pouco de energia. 

O átomo estará em um estado de menor energia, mas terá que gastar um pouco para que isso ocorra.

Prótons e nêutrons em um átomo são geralmente mantidos juntos por uma força forte. Crédito da imagem: Getty Images

O DECAIMENTO RADIOATIVO É UM PROCESSO QUÍMICO?

Na física clássica, o decaimento radioativo nunca poderia acontecer, porque não é possível gastar energia que não existe. A mecânica quântica permite que isso aconteça, mas o faz aleatoriamente. De vez em quando, um núcleo atômico ligeiramente instável decairá espontaneamente em outra coisa.

Embora nunca possamos saber quando um único átomo decairá, podemos construir estatísticas de como toda uma população de átomos decairá. Essa é a ideia por trás de uma meia-vida. 

Por exemplo, um único pedaço de urânio contém quase incontáveis átomos. A cada segundo que passa, você nunca tem certeza de qual átomo irá decair, mas pode se sentir bastante confiante de que algum átomo, em algum lugar da massa, o fará. Isso significa que a meia-vida informa quanto tempo levará para metade da massa do material radioativo decair, de acordo com a HyperPhysics.

RECURSOS ADICIONAIS

• O livro “Marie Curie e a Radioatividade” é um excelente recurso ilustrado para apresentar aos leitores mais jovens o conceito de radioatividade e ao trabalho pioneiro de Marie Curie.
• Para leitores mais velhos, experimente "Radioatividade: A História de uma Ciência Misteriosa" por Marjorie C. Malley.
• Steve Weatherall faz uma ótima apresentação do Ted-ED sobre radioatividade neste vídeo.
• Saiba mais ouvindo o podcast "Ask a Spaceman", disponível no iTunes e askaspaceman.com. Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.

BIBLIOGRAFIA

• HyperPhysics
• Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos
• AtomicArchive.com
• NobelPrize.org

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

SUTTER, Paul Matt. Radioactive decay: Discovery, process and causes. Space, Nova York, 26, jul. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/radioactive-decay>. Acesso em: 28, jul. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.