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Universidade Federal de Itajubá
Química Nuclear Felipe Annoni Kawai Thaís Silva Silvério Prof. Élcio Barrak
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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 U U U
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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 U → Th + He
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Tipos de decaimento radioativo
Radiação alfa (α) → feixe de núcleos de hélio-4, que são emitidos espontaneamente Ra → Rn + α Radiação Beta (β) → feixe de elétrons de alta velocidade emitidos por um núcleo estável. I → Xe e
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Equivalente à conversão do nêutron em um próton, em conseqüência, ocorre o aumento do Z em 1
n → p + e 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. Rb e → Kr
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Pósitron → possui a massa de um e-, mas carga contrária.
O isótopo de carbono-11 decai por emissão de pósitron. C → B e Captura de elétrons, como a emissão de pósitron tem efeito de converter um próton em um nêutron: p → e → n
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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.
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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.
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Série de radioatividade ou desintegração nuclear → série de reações nucleares que começa com um núcleo instável e termina com um núcleo estável.
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4 40 98 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 He e Ca (estáveis) Tc (instável, radioativo)
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Transmutações nucleares
Transmutações nucleares → conversões induzidas de um núcleo em outro, podendo ser realizadas pelo bombardeamento do núcleo com partículas carregadas ou nêutrons N He → O H 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
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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.
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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 anos C → N e
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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
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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
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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
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Tomografia por emissão de pósitron → construção de imagem computadorizada do órgão que está emitindo a radiação Radionuclídeos mais utilizados: 11C, 18F, 15O, 13N
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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
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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
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Energia de coesão dos núcleos
Energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons E coesão, estabilidade do núcleo Comparação das estabilidades de diferentes combinações de núcleons
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m núcleos < m núcleons individuais
Perda de massa (m núcleo – m núcleons constituintes) Adição de energia para quebrar o núcleo
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Fissão Nuclear Núcleos pesados → Núcleos médios + energia
Reação em cadeia
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Massa crítica → massa mínima de material físsil
Massa subcrítica Massa supercrítica Bomba Atômica
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Reatores Nucleares
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Fusão Nuclear 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
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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
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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
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Ionizante → remoção de um elétron do átomo ou molécula
Geralmente muito mais prejudicial aos sistemas biológicos Formação de radicais livres nos 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
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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
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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
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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
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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
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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
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Rn → Po + He Partícula α tem alta EBR Po → Pb + He Polônio-218 pode ficar retido nos pulmões Responsável por 10% das mortes por câncer nos pulmões Níveis de radônio-222 ≤ 4 pCi/Lar
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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)
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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
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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
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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
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Referências bibliográficas
T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R. Burdge. Química: A Ciência Central, 9ª. ed.. São Paulo: Pearson, 2005.
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