A descoberta da Radioatividade

O fenômeno da radioatividade chamou a atenção de inúmeros cientistas. Dentre eles podemos destacar alguns colaboradores para a descoberta da radioatividade, o francês Henri Becquerel, a polonesa Marie Sklodowsha Curie, Ernest Rutherford e Paul Villard.

Podemos dizer que tudo começou quando em 1896, o francês Henri Becquerel constatou que um composto de urânio apresentava uma interessante característica de causar uma mancha numa chapa fotográfica mesmo no escuro. Acidentalmente, ele descobriu que tal substancia emitia raios, capaz de atravessar o papel, semelhantes ao raio x descobertos por Wilhelm Röntgen em 1895.

Anos seguintes Becquerel sugeriu a sua aluna de doutorado, a polonesa Marie Curie, que estudasse um minério de urânio chamado Pechblenda. Esse minério apresentava uma quantidade de radiação consideravelmente maior que os demais minérios já estudos. Em 1898 ela percebeu que alem do urânio, o tório também emitia misteriosos raios. Então começou se a suspeita da existência de elementos radioativos desconhecidos. Poucos meses depois da descoberta do efeito produzido pelo tório, Marie e seu marido, Pierre Curie isolaram uma fração de um grama de um novo elemento a partir de uma tonelada de minério. Foi então a descoberta de um novo elemento que chamou se polônio, em homenagem a terra natal de Marie Curie. Alguns meses depois, ambos descobriram um elemento fortemente radioativo: o rádio. Ainda no ano de 1898, Ernest Rutherford realizou experimentos com um material radioativo utilizando uma tela fluorescente. Com auxilio de placas metálicas eletricamente carregadas descobriu que havia dois tipos de radiação, que chamou de alfa (α) e beta (β). A radiação α, concluiu-se que era de massa elevada e de carga positiva, pois se desviava no sentido da placa carregada negativamente. Hoje sabe-se que as partículas alfa são compostas de dois prótons e dois nêutrons. Como os prótons são positivos e os nêutrons não têm carga, essa partícula é positiva. E a radiação β, como se desviaram no sentido da placa carregada positivamente, foram consideradas como partículas negativas. Logo depois no ano de 1900, Paul Villard ao estudar uma das propriedades de urânio descobre outra forma de radioatividade que não apresentava carga elétrica, a radiação gama. Ele notou que essa energia não podia ser desviada de campos elétricos e magnéticos, supondo que se tratava de partículas e não de radiação.

Ernest Rutherford

Henri Becquerel

Funcionamento da Usina Nuclear

Na usina nuclear, usa-se o potencial energético como fonte de calor para aquecer a água que circula no interior do reator. Nela, possui três circuitos de água: primário, secundário e de água de refrigeração, onde a água de cada circuito não entra em contato com o outro. 

No vaso do reator (circuito primário), a água é aquecida pela energia térmica liberada pela fissão dos átomos de urânio, a uma temperatura de 320 graus. A água é mantida sob uma pressão 157 vezes maior que a pressão atmosférica, para que não entre em ebulição e permaneça em estado líquido. O calor dessa água é levado para a água contida no gerador de vapor, que faz parte do circuito secundário. Com a troca de calor, a água do circuito secundário se transforma em vapor e movimenta a turbina, resultando em energia elétrica. Esse vapor, após movimentar a turbina, passa por um condensador, onde é refrigerado pela água do mar, trazida por um terceiro circuito independente. Por fim, a água condensada é bombeada de volta ao gerador de vapor, para um novo ciclo. 

Usina Nuclear nos EUA

Controle da Reação Nuclear 

Para controlar a reação em cadeia, Barras de Controle do Núcleo do Reator são inseridas. As barras se constituem de uma liga prata, Índio e Cádmio, como propriedade pode absorver os nêutrons, minimizando o numero de fissões. Ao inserir e retirar as Barras de Controle podemos manter a população de nêutrons, desse jeito mantendo também a potência térmica do reator. Ao adicionar ácido bórico à água no interior do reator, as fissões poderão ser controladas. O produto é utilizado devido à propriedade que contem os seus átomos, eles absorvem os nêutrons que estão situados na faixa de energia que causa as fissões. A concentração de boro no refrigerante do reator vai controlar o número de fissões, aumentando terá um alto número e diminuindo um menor número de fissões.

Esquema de funcionamento  de Usina Nuclear.

Emissões Radioativas, Tempo de meia-vida e Decaimento Radioativo

Emissões Radioativas

Existem três tipos de radiações, na qual podem ser verificadas utilizando um bloco de chumbo perfurado, para permitir a saída das emissões radioativas. Para obter-se a identificação da natureza das radiações, aplica-se um campo elétrico na saída das emissões, e por fim, utiliza-se uma placa fotográfica colocada acima do campo elétrico, para registrar a trajetória das radiações.

Representação da trajetória das radiações

Observando a figura 1, pode-se constatar que a emissão que sofre um pequeno desvio para a área negativa da placa é denominada emissão α (alfa). Já a emissão que sofre um desvio maior para a área da placa positiva é chamada de emissão β (beta). A emissão que não sofre desvio é chamada de emissão γ (gama).

Emissão Alfa

As partículas da emissão α são formadas por dois nêutrons e dois prótons, apresenta a carga positiva +2 e numero de massa 4, sendo igual a um núcleo de hélio(⁴₂α²⁺). As partículas alfa tem o poder de concentração baixo, portanto, traz pequenos danos ao ser humano.

Representação da emissão α: 

Emissão Beta

A emissão Beta são partículas negativas com carga -1 e número de massa 0. São constituídas por elétrons, que são atirados em alta velocidade para fora de um núcleo instável. Por ele ter uma massa extremamente pequena, o seu desvio é maior do que as partículas alfa. Pode ocasionar danos sérios se produzida no organismo.

Por não existir elétron no núcleo, ele é formado a partir de um nêutron, como mostra o esquema abaixo:

NÊUTRON ---> Próton + elétron + neutrino

O próton permanece no núcleo, o elétron é expulso pelo núcleo e o neutrino possibilita o balanço energético das reações, sendo uma partícula sem carga elétrica e de massa muito pequena.

Representação da emissão β:

Emissão Gama

São ondas eletromagnéticas, sem massa ou carga, que acompanham normalmente as emissões alfa e beta. Não possuindo carga elétrica, os pólos positivo e negativo do campo elétrico não afetam sua trajetória. Possuem um poder de penetração maior que os raios X, e sua velocidade é igual ao da luz, ou seja, 300 mil km/s. É muito perigosa, podendo atravessar um corpo humano e causando danos irreversíveis.

Representação da emissão γ:

Tempo de meia-vida

Tempo de meia-vida de um elemento radioativo é quando em um determinado tempo o elemento se reduz a metade. Um exemplo é o césio-137, liberado no acidente nuclear de Chernobyl que levam 33 anos para meia-vida.

Conforme os elementos químicos vão se desintegrando, a sua atividade e quantidade de energia vão reduzindo. No radioisótopo quando sua massa se reduz à metade, a quantidade de mols, o número de átomos e a atividade radioativa também se reduzem. O tempo de meia-vida não depende de fatores como pressão, temperatura, da quantidade inicial do radionuclídeo nem de composição química do material.

Exemplo:

Decaimento Radioativo