Pierre e Mary Curie - A descoberta da Radiação
Pierre e Mary Curie
Casal de físicos franceses. Tornam-se célebres pela descoberta do fenômeno da radioatividade. Pierre Curie (15/5/1859-19/4/1906) nasce em Paris, onde se dedica ao estudo da calorimetria e da cristalografia e revela o princípio da piezeletricidade.
Como supervisor da Escola de Física e Química, em 1882, passa a pesquisar o magnetismo. Suas descobertas nesse campo são conhecidas como Lei de Curie. Marie Sklodowska Curie (7/11/1867-4/7/1934) nasce na Polônia e em 1891 emigra para a França, onde estuda física, química e matemática na Universidade de Paris. Casa-se com Pierre Curie em 1895.
O casal recebe o Prêmio Nobel de Física em 1903 pela descoberta da radioatividade, três anos depois de identificar os elementos radioativos polônio e rádio. Pierre é nomeado professor da Universidade de Paris em 1904 e começa a pesquisar os raios X e sua aplicação na medicina.
Após sua morte, em 1906, vítima de atropelamento, Marie dá continuidade aos estudos sobre os raios X e substitui o marido na universidade. Marie Curie ganha seu segundo Prêmio Nobel, o de Química, em 1911, pelo isolamento do rádio puro. Em 1932 funda o Instituto do Rádio.
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Decaimento radioativo
Decaimento radioativo
O decaimento radioativo é um processo natural. Um átomo de isótopo radioativo irá espontaneamente se decair em um outro elemento através de três processos comuns:
- decaimento alfa
- decaimento beta
- fissão espontânea
No processo, quatro diferentes tipos de raios radioativos são produzidos:
- raios alfa
- raios beta
- raios gama
- raios de nêutrons
O amerício-241, um elemento radioativo bem conhecido por seu uso em detectores de fumaça, é um bom exemplo de um elemento que sofre a decaimento alfa. O átomo de amerício-241 emitirá espontaneamente uma partícula alfa. A partícula alfa é formada de 2 prótons e 2 nêutrons ligados, o que é equivalente ao núcleo do hélio-4. No processo de emissão da partícula alfa, o átomo do amerício-241 se transforma em um átomo de netúnio-237. A partícula alfa sai de cena a uma velocidade alta, talvez 16 mil km/s.
Ao analisar um átomo individual de amerício-241, é impossível prever quando ele irá eliminar a partícula alfa. Entretanto, num grupo grande de átomos de amerício, a taxa de decaimento pode se tornar bastante previsível. Sabe-se que metade dos átomos de amerício-241 decaem em 458 anos. Portanto, a meia-vida do amerício-241 é 458 anos. Cada elemento radioativo tem uma meia-vida diferente, variando desde frações de um segundo a milhões de anos, dependendo do isótopo específico. Por exemplo, o amerício-243 tem uma meia-vida de 7.370 anos.
O trítio (hidrogênio-3) é um bom exemplo de elemento que sofre a decaimento beta. No decaimento beta, um nêutron do núcleo transforma-se espontaneamente em um próton, um elétron e uma terceira partícula denominada antineutrino. O núcleo expele o elétron e o antineutrino, enquanto o próton permanece no núcleo. O elétron ejetado é chamado de partícula beta. O núcleo perde um nêutron e ganha um próton. Portanto, um átomo de hidrogênio-3, que sofre o decaimento beta, se torna um átomo de hélio-3.
Na fissão espontânea, um átomo, na verdade, se divide em vez de eliminar uma partícula alfa ou beta. A palavra "fissão" significa "divisão". Um átomo pesado como férmio-256 sofre fissão espontânea em cerca de 97% das vezes que ele decai e, no processo, se transforma em 2 átomos. Por exemplo, um átomo de férmio-256 pode se tornar um átomo de xenônio-140 e um átomo de paládio-112 e no processo irá eliminar 4 nêutrons, conhecidos como "nêutrons imediatos", porque são ejetados no momento da fissão. Esses nêutrons podem ser absorvidos por outros átomos, causando reações nucleares, tais como decaimento ou fissão ou como bolas de sinuca, podem colidir com outros átomos e causar a emissão de raios gama.
A radiação com nêutron pode ser usada para transformar átomos não-radioativos em radioativos. Isso tem aplicações práticas na medicina nuclear. A radiação com nêutron também é feita nos reatores nucleares das usinas de energia, navios nucleares e aceleradores de partículas, aparelhos usados para estudar a física subatômica.
Em muitos casos, um núcleo que sofreu decaimento alfa, beta ou uma fissão espontânea, estará bastante energizado e, portanto, será instável. Ele eliminará sua energia extra na forma de um pulso eletromagnético conhecido como raio gama. Raios gama são parecidos com raios-X na maneira como penetram a matéria; porém, têm mais energia. Raios gama são feitos de energia e não de partículas em movimento como as alfa e beta.
Existem ainda os raios cósmicos, que bombardeiam a Terra o tempo todo. Esses raios têm origem no Sol e também em astros que explodem, como as estrelas. A maioria dos raios cósmicos (talvez 85%) são prótons, viajando próximos da velocidade da luz, enquanto talvez 12% sejam partículas alfa viajando também muito rapidamente, é a velocidade dessas partículas que lhes dá a habilidade de penetrar a matéria. Quando chegam à atmosfera, elas colidem com átomos de várias maneiras, gerando raios cósmicos secundários que têm menos energia. Estes raios cósmicos secundários então colidem com outras coisas na Terra, incluindo seres humanos. Nós somos atingidos por raios cósmicos secundários todo o tempo, mas não somos afetados porque esses raios secundários têm energia mais baixa que os raios primários. Os raios cósmicos primários são um perigo para os astronautas no espaço.
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Irradiação de Alimentos com Raio Gama
COMO FUNCIONA A IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS
Irradiação de alimentos é um processo físico de tratamento comparável à pasteurização térmica, ao congelamento ou enlatamento. Este processo envolve a exposição do alimento, embalado ou não, a um dos três tipos de energia ionizante: raios gama, raios X ou feixe de elétrons. Isto é feito em uma sala ou câmara especial de processamento por um tempo determinado. A finte mais comum de raios gama, para processamento de alimentos, e o radioisótopo Cobalto 60. O alimento é tratado por raios gama, originados do Cobalto 60 em uma instalação conhecida como irradiador.
A energia gama é radiação eletromagnética de comprimento de onda muito curto, semelhante à ultravioleta, luz visível, infravermelho, microondas ou ondas de rádio usadas na comunicação. Nós usamos estas formas de energia em um grande leque de propósitos; por exemplo, para cozinhar alimentos em aparelhos de microondas.
A irradiação de alimentos emprega uma forma particular de energia eletromagnética conhecida por "radiação ionizante". Este termo é usado porque essa radiação produz partículas carregadas eletricamente, chamadas "ions", em qualquer material com o qual entrem em contato.
Em circunstâncias particulares, a radiação ionizante é uma técnica de processamento de alimentos muito efetiva e útil.
A energia gama do Cobalto 60 pode penetrar no alimento causando pequenas e inofensivas mudanças moleculares que também ocorrem no ato de cozinhar, enlatar ou congelar. De fato, a energia simplesmente passa através do alimento que está sendo tratado e, diferentemente dos tratamentos químicos, não deixa resíduos. A irradiação é chamada de "processo frio" porque a variação de temperatura dos alimentos processados é insignificante. Os produtos que foram irradiados podem ser transportados, armazenados ou consumidos imediatamente após o tratamento.
A irradiação funciona pela interrupção dos processos orgânicos que levam o alimento ao apodrecimento. Raios gama, raios X ou elétrons são absorvidos pela água ou outras moléculas constituintes dos alimentos, com as quais entram em contato. No processo, são rompidas células microbianas, tais como bactérias, leveduras e fungos. Além disso, parasitas, insetos e seus ovos e larvas são mortos ou se tornam estéreis.
OS BENEFÍCIOS
A irradiação não é um "milagre" técnico capaz de resolver todos os problemas de preservação de alimentos. Ela não pode transformar alimento deteriorado em alimento de alta qualidade. Como também não é adequada para todos os tipos de alimentos, mas pode resolver problemas específicos importantes e complementar outras tecnologias. Ela representa uma grande promessa no controle de doenças originárias de alimentos, tais como a salmonelose, que é um problema mundial. Também é efetiva na desinfestação, particularmente em climas quentes, em que os insetos consomem uma grande porcentagem da safra colhida.
A irradiação de alimentos pode aumentar o tempo de prateleira - estocagem - de muitos alimentos a custos competitivos, ao mesmo tempo em que fornece uma alternativa ao uso de fumigantes e substâncias químicas, muitas das quais deixam resíduos.
Em muitos casos, alimentos irradiados em sua temperatura de armazenamento ideal e em embalagens a vácuo durarão mais e manterão por mais tempo sua textura original, sabor e valor nutritivo se comparadas com aqueles termicamente pasteurizados, esterilizados ou enlatados.
A irradiação de alimentos tem sido objeto de pesquisas intensas por mais de quarenta anos. Organizações internacionais tais como a FAO e a WHO revisaram estas pesquisas e concluíram que a irradiação de alimentos é segura e benéfica. Similarmente, o valor nutricional de alimentos irradiados foi comparado com o de alimentos tratados por outros métodos, com resultados favoráveis.
Em 1983, a Comissão do Codex Alimentarius, um grupo das Nações Unidas que desenvolve normas internacionais para alimentos, concluiu que alimentos irradiados abaixo de 10 kGy não apresentam risco toxicológico. Atualmente, níveis de tratamento dentro desta faixa, estão sendo mundialmente realizados.
Nem a energia gama, nem os níveis internacionais estabelecidos para aceleradores de elétrons podem fazer com que o alimento se torne radioativo, O processamento por radiação não torna o alimento radioativo da mesma forma que os raios X usados para a segurança em aeroportos não tornam as bagagens radioativas.
NÍVEIS DE TRATAMENTO E SEUS EFEITOS
A irradiação de alimentos pode produzir uma variedade de resultados, dependendo do tipo do alimento e da quantidade de energia ionizante absorvida pelo mesmo. Esta energia é usualmente medida por uma unidade conhecida como "o gray" Gy ou "o rad", sendo que 1 Gy = 100 rads.
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Fissão e Fusão Nuclear
Fissão e Fusão Nuclear
Uma das leis da natureza é que a energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas mudar a forma. A massa dos corpos pode ser transformada em energia.
O famoso cientista Albert Einstein criou a seguinte fórmula matemática: E=mc2, significa que a energia (E) é igual á massa (m) vezes a velocidade da luz (c) ao quadrado.
Os cientistas usaram a fórmula de Einstein para descobrir a energia nuclear e construir bombas atómicas.
Segundo os antepassados gregos a partícula mais da natureza era o átomo. Eles não chegaram a conhecer a natureza das partículas que constituem o átomo. Tal como aprendemos no capítulo 2, os átomos são constituídos por um núcleo (que contém neutrões e protões) cercado de electrões que giram à volta deste tal como a terra gira à volta do sol.
Fissão Nuclear
Na fissão nuclear, a energia é liberada pela divisão do núcleo normalmente em dois pedaços menores e de massas comparáveis – para núcleos pesados, existe a fissão em mais de dois pedaços, mas é muito rara, uma em 1 milhão para urânio. Pela lei de conservação de energia, a soma das energias dos novos núcleos mais a energia liberada para o ambiente em forma de energia cinética dos produtos de fissão e dos nêutrons liberados deve ser igual à energia total do núcleo original.
A fissão do núcleo raramente ocorre de forma espontânea na natureza, mas pode ser induzida se bombardearmos núcleos pesados com um nêutron, que, ao ser absorvido, torna o núcleo instável.
O 235U, por exemplo, ao ser bombardeado com um nêutron, fissiona em dois pedaços menores, emitindo normalmente dois ou três nêutrons (figura 1). Se houver outros núcleos de 235U próximos, eles têm uma certa chance de ser atingidos pelos nêutrons produzidos na fissão. Se houver um grande número disponível de núcleos de urânio-235, a probabilidade de ocorrerem novas fissões será alta, gerando novos nêutrons, que irão gerar novas fissões.
Fusão Nuclear
Os fenômenos envolvidos na fusão nuclear constituem o fundamento das reações termonucleares que ocorrem no interior das estrelas.
Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais. São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.
Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos, que cresce na razão direta da distância entre eles. Como isso só se consegue mediante temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. Durante muito tempo, a única reação de fusão nuclear realizada na Terra era a utilizada na bomba de hidrogênio, em que a explosão atômica fornece a temperatura necessária (cerca de quarenta milhões de graus Celsius) para que a fusão tenha início.
A fusão nuclear controlada proporcionaria uma fonte de energia alternativa relativamente barata para a produção de eletricidade e contribuiria para poupar as reservas de combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, que decrescem rapidamente. As reações controladas podem ser obtidas com o aquecimento de plasma (gás rarefeito com elétrons e íons positivos livres), mas se torna difícil conter os plasmas nos altos níveis de temperatura requeridos para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante. Experiências com reator de fusão já foram empreendidas em vários países.
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O que significa radiação nuclear?
O que significa radiação nuclear?
Vamos partir do princípio e entender de onde vem a palavra "nuclear" em "radiação nuclear". Isso é algo que você já deve saber: todas as coisas são feitas de átomos. Os átomos se unem para formar as moléculas. Assim, uma molécula de água é feita de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, ligados em uma unidade. Por termos aprendido sobre átomos e moléculas no ensino fundamental, nos sentimos proficientes para falar deles. Na natureza, qualquer átomo encontrado será um dos 92 tipos existentes, também conhecidos como elementos. Cada substância na Terra (metal, plásticos, cabelo, roupas, folhas, vidro) é feita de combinações dos 92 átomos encontrados na natureza. A tabela periódica dos elementos ( em inglês) que vemos nas aulas de Química é uma lista dos elementos encontrados na natureza, mais uma quantidade de elementos que podem ser produzidos pelo homem.
Dentro de cada átomo estão três partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons unem-se para formar o núcleo do átomo, ao passo que os elétrons orbitam o núcleo. Elétrons são negativos e prótons são positivos e cargas opostas se atraem. Na maioria dos casos, o número de elétrons e prótons em um átomo é o mesmo, tornando o átomo de carga neutra. Os nêutrons são neutros. Seu propósito no núcleo é manter os prótons unidos. Em função de todos os prótons terem a mesma carga e naturalmente repelirem um ao outro, os nêutrons servem de "cola" para manter os prótons firmemente ligados ao núcleo.
O número de prótons no núcleo determina o comportamento de um átomo. Por exemplo, se você combinar 13 prótons com 14 nêutrons para criar um núcleo e, então, fizer girar 13 elétrons em torno do núcleo, você obtém um átomo de alumínio. Se você agrupar milhões de átomos dessa maneira, obterá a substância chamada alumínio; com ela você pode criar latas, filmes e revestimentos. Todo o alumínio que você encontra na natureza é chamado alumínio-27. "27" é o número de massa atômica (a soma do número de nêutrons e prótons no núcleo). Se você pudesse separar um átomo de alumínio, colocá-lo em uma garrafa e fazê-lo voltar vários milhões de anos, ele ainda seria um átomo de alumínio. O alumínio-27 é chamado de átomo estável. Até cerca de 100 anos, pensava-se que todos os átomos eram estáveis como ele.
Muitos átomos são encontrados em diferentes formas. Por exemplo, o cobre tem duas formas estáveis, o cobre-63, que compõe mais ou menos 70% de todo o cobre natural e cobre-65, perfazendo em torno de 30%. Os dois são chamados isótopos. Os átomos de ambos os isótopos de cobre têm 29 prótons, mas o átomo de cobre-63 tem 34 nêutrons, enquanto o átomo de cobre-65 tem 36 nêutrons. Os dois isótopos agem e parecem iguais e ambos são estáveis. 
Nesta figura, as partículas amarelas são os elétrons que giram em torno do núcleo, as partículas azuis são nêutrons e as partículas vermelhas são prótons
O que não sabíamos, até aproximadamente 100 anos atrás, é que certos elementos têm isótopos radioativos. Em alguns elementos, todos os isótopos são radioativos. O hidrogênio é um bom exemplo de um elemento com múltiplos isótopos, um dos quais é radioativo. O hidrogênio normal ou hidrogênio-1, tem um próton e nenhum nêutron; há apenas um próton no núcleo, assim não há necessidade de efeitos de ligação dos nêutrons. Existe um outro isótopo, hidrogênio-2, também conhecido como deutério, que tem um próton e um nêutron. O deutério é muito raro na natureza (compondo aproximadamente 0,015% de todo hidrogênio) e embora ele aja como o hidrogênio-1 (por exemplo, pode-se fazer água a partir do deutério) é bastante diferente pelo fato de ser tóxico em concentrações altas. O isótopo deutério de hidrogênio é estável. Um terceiro isótopo, o hidrogênio-3 (conhecido como trítio), possui 1 próton e 2 nêutrons. Esse isótopo é instável, isto é, se você tivesse um container cheio de trítio e voltasse em um milhão de anos, descobriria que tudo se transformou em hélio-3 (2 prótons, 1 nêutron), que é estável. O processo pelo qual ele se transforma em hélio é chamado decaimento radioativo.
Certos elementos são naturalmente radioativos em todos os seus isótopos. O urânio é o melhor desses exemplos e é o elemento radioativo mais pesado que existe na natureza. Existem outros 8 elementos naturalmente radioativos: polônio, astato, radônio, frâncio, rádio, actínio, tório e protactínio. Todos os outros elementos feitos pelo homem mais pesados que o urânio são também radioativos.
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ALFA, BETA E GAMA
Quando se iniciou o estudo das radiações, não se sabia ao certo sua natureza. As descobertas dos fenômenos que hoje chamamos de radioatividade levou à sua descrição e estudo antes que se pudesse compreender sua natureza. Percebeu-se que haviam pelo menos três tipos básicos de radiação, que se denominaram por letras gregas:
Alfa - pouco penetrante, de carga positiva.
Beta - mais penetrante, de carga negativa.
Gama - extremamente penetrante, sem carga.
Forçando esses "raios" passarem por um campo magnético, os físicos puderam determinar a existência de carga elétrica e também a chamda "massa de repouso" das partículas constituintes de cada radiação, e assim perceber que algumas delas eram na verdade partículas com altíssimas velocidades e não exatamente "raios".
A animação acima dá uma idéia do que ocorre com as emissões radioativas ao passar por um campo magnético. A caixa cinza escura na parte de baixo, representa um caixa de chumbo contendo um material radioativo (elemento piscante). O campo magnético está representado pela região bege na parte de cima. (Tenha em mente que esta animação é uma representação simplificada para ilustrar o que ocorre).
Quando uma partícula com carga penetra no campo magnético ela é desviada.Os físicos determinam se a partícula é positiva ou negativa observando para que lado elas desviam. As positivas desviam para um lado, e as negativas para o outro. A massa das partículas também pode ser avaliadas, pois as que possuem maior massa sofrem um desvio maior.
Entretanto, o valor da carga da partícula também influi no desvio, de modo que é necessário usar outros métodos para se determinar completamente as características de cada partícula.
Quanto a partículas neutras ou radiação eletromagnética, como é o caso da emissão gama, não ocorre o desvio. Para nós o que importa saber é quais são essas partículas associadas à radioatividade e como elas se comportam. A tabela abaixo resume algumas das principais informações.
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