Decaimento radioativo (Radioactive decay)

O decaimento radioativo, alternativamente denominado decaimento nuclear, radioatividade, desintegração radioativa ou desintegração nuclear, descreve o processo através do qual um núcleo atômico instável dissipa energia por meio de radiação. Qualquer substância que contenha núcleos instáveis ​​é classificada como radioativa. As três formas predominantes de decaimento incluem decaimento alfa, beta e gama. Enquanto a força fraca medeia o decaimento beta, as forças eletromagnética e nuclear governam os outros dois tipos de decaimento.

Decaimento radioativo (também conhecido como decaimento nuclear, radioatividade, desintegração radioativa ou desintegração nuclear) é o processo pelo qual um núcleo atômico instável perde energia por radiação. Um material contendo núcleos instáveis ​​é considerado radioativo. Três dos tipos mais comuns de decaimento são decaimento alfa, beta e gama. A força fraca é o mecanismo responsável pelo decaimento beta, enquanto os outros dois são governados pelas forças eletromagnética e nuclear.

No nível atômico individual, o decaimento radioativo se manifesta como um processo estocástico. A teoria quântica postula a impossibilidade de prever o momento preciso em que um átomo específico irá decair, independentemente da sua existência anterior. No entanto, ao considerar uma população substancial de átomos idênticos, a taxa de decaimento agregada pode ser quantificada utilizando uma constante de decaimento ou uma meia-vida. As meias-vidas associadas aos átomos radioativos exibem um amplo espectro, variando de durações quase instantâneas a períodos que excedem significativamente a idade do universo.

O núcleo em decaimento é designado como radionuclídeo pai (ou radioisótopo pai), e esse processo invariavelmente gera pelo menos um nuclídeo filho. Com exceção do decaimento gama ou conversão interna originada de um estado nuclear excitado, o decaimento constitui uma transmutação nuclear, produzindo um nuclídeo filho com uma contagem alterada de prótons ou nêutrons, ou ambos. Uma modificação na contagem de prótons resulta na formação de um átomo pertencente a um elemento químico distinto.

A Terra hospeda 28 elementos químicos radioativos que ocorrem naturalmente, compreendendo 35 radionuclídeos distintos (sete elementos possuem, cada um, dois radionuclídeos diferentes) que antecedem a formação do Sistema Solar. Esses 35 são identificados coletivamente como radionuclídeos primordiais. Exemplos proeminentes incluem urânio e tório, juntamente com outros radioisótopos de vida longa que ocorrem naturalmente, como o potássio-40. Cada radionuclídeo primordial pesado está envolvido em uma das quatro cadeias de decaimento estabelecidas.

Contexto histórico da descoberta

As investigações de Henri Poincaré sobre os raios X influenciaram significativamente Henri Becquerel, iniciando assim o trabalho de base para a descoberta da radioatividade. Em 1896, Becquerel descobriu de forma independente a radioatividade enquanto trabalhava com substâncias fosforescentes, descoberta também feita de forma independente por Marie Curie. Os materiais fosforescentes emitem luz na escuridão após a exposição à luz, levando Becquerel a levantar a hipótese de uma ligação potencial entre a luminescência gerada pelos raios X em tubos de raios catódicos e a fosforescência. Ele envolveu uma chapa fotográfica em papel preto e posicionou sobre ela vários sais fosforescentes. Os experimentos iniciais não produziram resultados até que os sais de urânio foram empregados. Os sais de urânio induziram o escurecimento da placa, embora ela estivesse envolta em papel preto. Curie posteriormente designou essa radiação como rayons de Becquerel, ou "Raios de Becquerel", demonstrando que essas emissões eram uma característica intrínseca dos átomos.

Em contraste com os raios X, que necessitavam de energia eléctrica para a sua geração, a origem energética da radioactividade permaneceu enigmática. Em 1899, Julius Elster e Hans Geitel conduziram experimentos cruciais para determinar a fonte de energia da radioatividade. As suas investigações descartaram a extração de energia da atmosfera através de medições de vácuo e do espaço exterior através de medições realizadas a 300 metros de profundidade numa mina nas montanhas Harz. A implicação era que, se os próprios átomos constituíssem a fonte de energia, essas entidades ostensivamente imutáveis ​​deveriam sofrer transformação ao emitirem radiação. Em 1900, Curie encapsulou o enigma da radioatividade como uma dicotomia entre dois cenários igualmente improváveis: ou o princípio da conservação de energia foi violado ou os elementos químicos possuíam a capacidade de transmutação.

Rutherford foi o cientista pioneiro a reconhecer que todos esses elementos sofrem decadência seguindo uma fórmula exponencial matemática consistente. Além disso, Rutherford e seu aluno Frederick Soddy foram os primeiros a verificar que numerosos processos de decaimento culminavam na transmutação de um elemento em outro. Consequentemente, a lei do deslocamento radioativo, desenvolvida por Fajans e Soddy, foi estabelecida para caracterizar os produtos resultantes do decaimento alfa e beta.

As primeiras investigações também revelaram que numerosos elementos químicos, além do urânio, possuem isótopos radioativos. Um exame metódico da radioatividade total presente nos minérios de urânio permitiu posteriormente a Pierre e Marie Curie isolar dois novos elementos: polônio e rádio. Além da radioatividade inerente ao rádio, a sua semelhança química com o bário apresentou desafios significativos na diferenciação destes dois elementos.

Marie e Pierre Curie introduziram o termo "radioatividade" para descrever a emissão de radiação ionizante de certos elementos pesados; inicialmente aplicado a elementos pesados, o termo foi posteriormente generalizado para abranger todos os elementos. Suas investigações sobre os raios penetrantes do urânio e a subsequente descoberta do rádio iniciaram uma era caracterizada pela aplicação do rádio na terapia do câncer. Este trabalho pioneiro com rádio é frequentemente considerado como a aplicação pacífica inaugural da energia nuclear e a génese da medicina nuclear moderna.

Riscos iniciais à saúde

Os riscos associados à radiação ionizante, decorrentes tanto da radioatividade quanto dos raios X, não eram imediatamente aparentes.

Raios X

A descoberta dos raios X por Wilhelm Röntgen em 1895 motivou extensas experimentações por parte de cientistas, médicos e inventores. Em 1896, numerosos relatos de efeitos adversos, incluindo queimaduras e queda de cabelo, começaram a aparecer em revistas técnicas. Por exemplo, em fevereiro de 1896, o professor Daniel e o Dr. Dudley da Universidade Vanderbilt conduziram um experimento envolvendo imagens de raios X da cabeça de Dudley, que posteriormente levaram à sua queda de cabelo. Dr. O relatório de Hawks detalhando queimaduras graves nas mãos e no peito sofridas durante uma demonstração de raios X marcou a entrada inicial entre vários relatórios subsequentes publicados na Electrical Review.

Experimentadores adicionais, como Elihu Thomson e Nikola Tesla, documentaram de forma semelhante casos de queimaduras. Thomson submeteu intencionalmente um de seus dedos a um tubo de raios X por um longo período, sentindo dor, inchaço e bolhas subsequentes. Os danos foram ocasionalmente atribuídos a outros factores, como os raios ultravioleta e o ozono, enquanto muitos médicos continuaram a afirmar que a exposição aos raios X não produzia qualquer efeito adverso.

No entanto, algumas investigações sistemáticas sobre estes perigos começaram cedo. Em 1902, William Herbert Rollins expressou quase desespero, observando que suas advertências sobre os perigos do uso imprudente de raios X foram desconsideradas tanto pela indústria quanto por seus colegas profissionais. Rollins já havia demonstrado que os raios X eram capazes de causar mortalidade em animais experimentais, induzir o aborto em porquinhos-da-índia prenhes e interromper o desenvolvimento fetal. Ele enfatizou ainda que “os animais variam em suscetibilidade à ação externa da luz X”, alertando que essas variações devem ser levadas em consideração durante os tratamentos de raios X administrados aos pacientes.

Substâncias Radioativas

Por outro lado, os impactos biológicos da radiação proveniente de substâncias radioativas revelaram-se mais difíceis de avaliar. Esta ambiguidade criou uma abertura para numerosos médicos e empresas promoverem substâncias radioactivas como medicamentos patenteados. Exemplos ilustrativos incluem tratamentos com enema de rádio e águas com infusão de rádio comercializadas como tônicos para a saúde. Marie Curie opôs-se publicamente a tais aplicações, alertando que “o rádio é perigoso em mãos destreinadas”. A própria Curie mais tarde sucumbiu à anemia aplástica, uma condição provavelmente atribuível à sua exposição à radiação ionizante. Na década de 1930, após vários casos de necrose óssea e mortes entre os proponentes dos tratamentos com rádio, os medicamentos contendo rádio foram em grande parte retirados do mercado, um fenômeno frequentemente denominado "charlatanismo radioativo".

Proteção contra radiação

Apenas um ano após a descoberta dos raios X por Röntgen, o engenheiro americano Wolfram Fuchs (1896) provavelmente emitiu as primeiras recomendações para proteção contra radiação. No entanto, só em 1925 é que o primeiro Congresso Internacional de Radiologia (ICR) se reuniu para deliberar sobre o estabelecimento de padrões de proteção internacionais. Os impactos genéticos da radiação, incluindo a sua contribuição para o risco de cancro, foram identificados consideravelmente mais tarde. Em 1927, Hermann Joseph Muller publicou uma pesquisa demonstrando esses efeitos genéticos, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1946.

O segundo ICR, reunido em Estocolmo em 1928, propôs a adoção da unidade röntgen e levou ao estabelecimento do Comitê Internacional de Raios X e Proteção do Rádio (IXRPC). Enquanto Rolf Sievert foi nomeado presidente, George Kaye, do Laboratório Nacional de Física Britânico, serviu como o principal catalisador para suas iniciativas. Posteriormente, o comité realizou reuniões em 1931, 1934 e 1937.

Após a Segunda Guerra Mundial, o âmbito e o volume alargados de substâncias radioactivas geridas através de programas nucleares militares e civis resultaram na exposição potencial de populações significativas de trabalhadores ocupacionais e do público em geral a níveis prejudiciais de radiação ionizante. Esta preocupação foi abordada no primeiro ICR do pós-guerra, realizado em Londres em 1950, que marcou o início da atual Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP). Posteriormente, a ICRP estabeleceu o quadro internacional contemporâneo para a proteção contra radiações, abrangendo todas as facetas dos perigos da radiação.

Em 2020, uma meta-análise colaborativa envolvendo Hauptmann e quinze outros pesquisadores internacionais de oito países, incluindo instituições como Institutos de Bioestatística, Pesquisa de Registro, Centros de Epidemiologia do Câncer, Epidemiologia da Radiação, o Instituto Nacional do Câncer dos EUA (NCI), a Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC) e a Fundação de Pesquisa de Efeitos de Radiação de Hiroshima, investigou definitivamente os danos causados por "baixas doses" de radiação. Estas baixas doses afectaram sobreviventes dos bombardeamentos atómicos de Hiroshima e Nagasaki, bem como indivíduos envolvidos em vários acidentes em centrais nucleares. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Monografias JNCI: Estudos Epidemiológicos de Radiação Ionizante de Baixa Dose e Risco de Câncer, concluindo que estudos epidemiológicos recentes comprovam diretamente riscos elevados de câncer associados à radiação ionizante de baixa dose. Posteriormente, em 2021, o pesquisador italiano Sebastiano Venturi identificou as correlações iniciais entre o rádio-césio e o câncer de pâncreas, destacando o papel biológico do césio na pancreatite e no diabetes de origem pancreática.

Unidades

O becquerel (Bq), em homenagem ao cientista Henri Becquerel, serve como padrão do Sistema Internacional de Unidades (SI) para atividade radioativa. Um único becquerel é definido com precisão como um evento de transformação, decaimento ou desintegração que ocorre por segundo.

O curie (Ci) representa uma unidade mais antiga para medir a radioatividade, inicialmente definida como "a quantidade ou massa de emanação de rádio em equilíbrio com um grama de rádio (elemento)". Atualmente, o curie é definido precisamente como 3,7×10¹⁰ desintegrações por segundo, estabelecendo a equivalência de que 1 curie (Ci) é igual a 3,7ק121314§ Bq. Em relação à proteção radiológica, embora a Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos ainda permita que o curie seja usado junto com unidades SI, as diretivas da União Europeia sobre unidades de medida determinaram sua descontinuação para "fins de saúde pública..." até 31 de dezembro de 1985.

O impacto da radiação ionizante é comumente quantificado usando o cinza (Gy) para efeitos mecânicos e o sievert (Sv) para avaliar danos nos tecidos.

Tipos

O decaimento radioativo leva a uma diminuição na massa total em repouso, uma vez que a energia liberada, denominada energia de desintegração, se dissipou. Embora a energia de decaimento seja ocasionalmente definida pela diferença de massa entre o nuclídeo original e seus produtos de decaimento, esta definição se aplica exclusivamente a medições de massa em repouso onde a energia foi extraída do sistema de produto. Este princípio é válido porque a energia de decaimento carrega inerentemente massa, conforme descrito pela fórmula de Einstein E = mc§67§. Inicialmente, esta energia se manifesta como a energia dos fótons emitidos e a energia cinética das partículas massivas emitidas (aquelas que possuem massa de repouso). Caso estas partículas atinjam o equilíbrio térmico com o seu ambiente e os fotões sejam absorvidos, a energia de decaimento converte-se em energia térmica, que também retém a sua massa associada.

Consequentemente, a energia de decaimento mantém uma associação com uma medida específica da massa do sistema de decaimento, conhecida como massa invariante, que permanece constante durante todo o processo de decaimento, apesar da energia ser distribuída entre as partículas de decaimento. A massa invariante do sistema é composta pela energia dos fótons, pela energia cinética das partículas emitidas e, posteriormente, pela energia térmica do material circundante. Portanto, embora a soma das massas restantes das partículas individuais não seja conservada durante o decaimento radioativo, a massa do sistema, a massa invariante do sistema e a energia total do sistema são todas conservadas durante qualquer processo de decaimento. Este princípio reitera as leis equivalentes de conservação de energia e conservação de massa.

Decaimento Alfa, Beta e Gama

Investigações pioneiras revelaram que as emissões radioativas poderiam ser divididas em três tipos distintos de feixes através da aplicação de um campo elétrico ou magnético. Ernest Rutherford posteriormente designou esses três tipos como alfa, beta e gama, ordenados pela sua capacidade progressivamente crescente de penetrar na matéria. O decaimento alfa é observado exclusivamente em elementos mais pesados ​​com número atômico 52 (telúrio) ou superior, com a singular exceção do berílio-8, que sofre decaimento em duas partículas alfa. Os raios gama originam-se de estados nucleares excitados, normalmente como um fenômeno concomitante de decaimento alfa ou beta. Por outro lado, o decaimento beta representa o único modo de decaimento observado em todas as espécies elementares. O chumbo, possuindo um número atômico de 82, é o elemento mais pesado conhecido por exibir quaisquer isótopos que sejam estáveis ​​(dentro dos limites de medição atuais) contra o decaimento radioativo. O decaimento radioativo está universalmente presente em todos os isótopos de elementos com número atômico 83 (bismuto) ou superior. Contudo, o bismuto-209 exibe apenas radioatividade marginal, caracterizada por uma meia-vida que excede a idade do universo em dez ordens de grandeza; conseqüentemente, radioisótopos com meias-vidas excepcionalmente prolongadas são pragmaticamente considerados estáveis.

A análise da natureza intrínseca dos produtos de decaimento, particularmente através da observação da deflexão induzida por campos magnéticos e elétricos externos, demonstrou inequivocamente que as partículas alfa possuem uma carga positiva, as partículas beta carregam uma carga negativa e os raios gama são eletricamente neutros. A extensão desta deflexão indicou ainda que as partículas alfa são consideravelmente mais massivas que as partículas beta. Experimentos subsequentes, envolvendo a passagem de partículas alfa através de uma janela de vidro ultrafina e a sua subsequente captura dentro de um tubo de descarga, permitiram aos investigadores analisar o espectro de emissão destas partículas aprisionadas, confirmando em última análise que as partículas alfa são, de facto, núcleos de hélio. Investigações adicionais estabeleceram que a radiação beta, originada de processos de decaimento e análoga aos raios catódicos, consiste em elétrons de alta velocidade. Da mesma forma, a radiação gama e os raios X foram identificados como formas de radiação eletromagnética de alta energia. As inter-relações entre os vários tipos de decaimento também se tornaram objeto de investigação. Por exemplo, o decaimento gama foi quase invariavelmente observado em conjunto com outros modos de decaimento, ocorrendo simultaneamente ou posteriormente. Quando considerado como um fenômeno distinto com meia-vida característica própria (atualmente denominada transição isomérica), o decaimento gama na radioatividade natural foi determinado como resultado da desexcitação de isômeros nucleares metaestáveis, que são produtos de outros processos de decaimento. Embora as radiações alfa, beta e gama constituíssem as emissões mais frequentemente observadas, outros tipos de decaimento foram eventualmente identificados. Após a descoberta do pósitron dentro dos produtos de raios cósmicos, foi reconhecido que o processo fundamental subjacente ao decaimento beta clássico também poderia gerar pósitrons (emissão de pósitrons), acompanhados por neutrinos (enquanto o decaimento beta clássico normalmente produz antineutrinos).

Captura de elétrons

Durante a captura de elétrons, observa-se que certos nuclídeos ricos em prótons internalizam seus próprios elétrons atômicos em vez de sofrerem emissão de pósitrons. Posteriormente, esses nuclídeos emitem apenas um neutrino e um raio gama do núcleo excitado, frequentemente acompanhados por elétrons Auger e raios X característicos, que surgem do rearranjo eletrônico preenchendo a vaga deixada pelo elétron capturado. Esses mecanismos de decaimento, envolvendo a captura nuclear de elétrons ou a emissão de elétrons ou pósitrons, servem para ajustar o núcleo em direção a uma relação nêutron-próton ideal, minimizando assim a energia para um número total fixo de núcleons. Em última análise, este processo produz um núcleo mais estável e de menor energia.

Um processo hipotético, a captura de pósitrons, que é análogo à captura de elétrons, é teoricamente concebível dentro de átomos de antimatéria. No entanto, este fenômeno permanece não observado, principalmente porque átomos complexos de antimatéria além do antihélio não estão atualmente acessíveis para investigação experimental. Tal mecanismo de decaimento necessitaria de átomos de antimatéria com uma complexidade pelo menos equivalente ao berílio-7, que representa o isótopo mais leve conhecido da matéria comum que sofre decaimento por captura de elétrons.

Emissão de núcleos

Após a descoberta do nêutron em 1932, Enrico Fermi identificou que reações raras específicas de decaimento beta produzem instantaneamente nêutrons como um produto de decaimento adicional, um processo denominado emissão de nêutrons com atraso beta. Esta emissão de nêutrons normalmente se origina de núcleos excitados, exemplificado pelo ¹⁷O* excitado resultante do decaimento beta do ¹⁷N. Governado pela força nuclear, o processo de emissão de nêutrons é excepcionalmente rápido, muitas vezes descrito como “quase instantâneo”. Posteriormente, foi detectada emissão isolada de prótons em determinados elementos. Além disso, descobriu-se que alguns elementos pesados ​​podem sofrer fissão espontânea, produzindo produtos de composições variadas. Um fenômeno conhecido como decaimento de cluster envolve a emissão espontânea de combinações específicas de nêutrons e prótons, distintas de partículas alfa (núcleos de hélio), de núcleos atômicos.

Mais modos de decadência exóticos

Foram identificadas formas adicionais de decaimento radioativo, que envolvem a emissão de partículas conhecidas através de mecanismos distintos. A conversão interna serve de ilustração, levando a uma emissão inicial de elétrons, frequentemente seguida por raios X característicos e emissões de elétrons Auger, apesar do processo não envolver decaimento beta ou gama. Notavelmente, nenhum neutrino é emitido e nem o(s) elétron(s) nem o(s) fóton(s) se originam do núcleo, embora a energia necessária para sua emissão seja de origem nuclear. Semelhante ao decaimento gama de transição isomérica e à emissão de nêutrons, o decaimento de conversão interna envolve a liberação de energia de um nuclídeo excitado sem induzir transmutação elementar.

Ocorrências raras envolvendo a combinação simultânea de dois eventos do tipo decaimento beta foram documentadas. Qualquer processo de decaimento que siga as leis de conservação de energia, momento e potencialmente outros princípios de conservação de partículas é teoricamente permitido, embora nem todos esses processos tenham sido observados experimentalmente. Um exemplo notável é o decaimento beta do estado ligado do rênio-187. Durante este processo, o decaimento do elétron beta do nuclídeo pai não envolve a emissão de elétrons beta, pois a partícula beta é capturada na camada K do átomo emissor. Um antineutrino é emitido, consistente com todos os decaimentos beta negativos.

Sob condições energéticas favoráveis, um radionuclídeo pode exibir múltiplos modos de decaimento concorrentes, com átomos individuais decaindo por diferentes caminhos. O cobre-64, possuindo 29 prótons e 35 nêutrons, serve de exemplo, decaindo com meia-vida de 12,7004(13) horas. Este isótopo apresenta um próton desemparelhado e um nêutron desemparelhado, permitindo que qualquer partícula decaia na outra, que possui isospin oposto. Este nuclídeo específico, ao contrário de todos os nuclídeos em configurações semelhantes, sofre preferencialmente decaimento beta-plus (61,52(26)%) em vez de captura de elétrons (38,48(26)%). Os estados de energia excitados decorrentes desses decaimentos, que não terminam em um estado de energia fundamental, levam subsequentemente à conversão interna e ao decaimento gama em aproximadamente 0,5% dos casos.

Inventário do modo Decay

Cadeias de decaimento radioativo e múltiplas vias de decaimento

O nuclídeo filho produzido a partir de um evento de decaimento pode ser instável (radioativo). Consequentemente, também sofrerá decadência, emitindo radiação. O segundo nuclídeo filho subsequente pode ser igualmente radioativo. Este processo sequencial de múltiplos eventos de decaimento é denominado cadeia de decaimento. Por fim, um nuclídeo estável é formado. As filhas de decaimento resultantes do decaimento alfa gerarão simultaneamente átomos de hélio.

Certos radionuclídeos podem exibir múltiplas vias de decaimento distintas. Por exemplo, o bismuto-212 decai através da emissão alfa para o tálio-208 em 35,94(6)% dos casos, enquanto 64,06(6)% do bismuto-212 decai através da emissão beta para o polônio-212. Tanto o tálio-208 quanto o polônio-212 são produtos filhos radioativos do bismuto-212 e cada um decai subsequentemente diretamente em chumbo-208 estável.

Ocorrência e aplicações práticas

A teoria do Big Bang postula que isótopos estáveis dos três elementos mais leves – hidrogênio (H), hélio (He) e vestígios de lítio (Li) – se originaram através da nucleossíntese do Big Bang logo após o início do universo. Embora estes nuclídeos primordiais estáveis, incluindo o deutério, persistam hoje, quaisquer isótopos radioativos de elementos leves, como o trítio, gerados durante o Big Bang, já decaíram há muito tempo. Elementos mais pesados ​​que o boro, juntamente com os primeiros cinco elementos, não se formaram durante o Big Bang e carecem de radioisótopos de vida longa. Consequentemente, todos os núcleos radioativos são comparativamente jovens em relação à idade do universo, tendo sido posteriormente formados através de vários processos de nucleossíntese em estrelas (particularmente supernovas) e interações contínuas entre isótopos estáveis ​​e partículas energéticas. Por exemplo, o carbono-14, um nuclídeo radioativo com meia-vida de apenas 5.700(30) anos, é gerado continuamente na alta atmosfera da Terra por meio de interações de raios cósmicos com nitrogênio.

Os nuclídeos resultantes do decaimento radioativo são denominados nuclídeos radiogênicos, independentemente de sua própria estabilidade. Alguns nuclídeos radiogênicos estáveis ​​originaram-se de radionuclídeos extintos e de curta duração, presentes no início do Sistema Solar. A presença discernível desses nuclídeos radiogênicos estáveis, como o xenônio-129 derivado do extinto iodo-129, pode ser distinguida dos nuclídeos estáveis ​​primordiais através de diversos métodos analíticos.

O decaimento radioativo encontra aplicação na marcação radioisotópica, uma técnica empregada para monitorar o movimento de substâncias químicas dentro de sistemas intrincados, como organismos vivos. Este método envolve a síntese de uma amostra de substância com uma concentração elevada de átomos instáveis. A distribuição da substância dentro do sistema é então determinada pela detecção dos locais de seus eventos de decaimento.

Assumindo que o decaimento radioativo é genuinamente aleatório, em vez de meramente caótico, ele tem sido utilizado em geradores de números aleatórios de hardware. Além disso, dado que o mecanismo subjacente a este processo é considerado estável ao longo do tempo, serve como um método inestimável para determinar as idades absolutas de materiais específicos. Em contextos geológicos, os radioisótopos e seus produtos de decaimento ficam encapsulados após a solidificação da rocha, permitindo a estimativa da data de solidificação, embora com inúmeras qualificações estabelecidas. Estas qualificações envolvem frequentemente a referência cruzada dos resultados de vários processos simultâneos e dos seus produtos dentro da mesma amostra. Da mesma forma, e também sujeito a qualificações específicas relativas à taxa histórica de formação de carbono-14, a idade da matéria orgânica pode ser estimada dentro de um período de tempo relevante para a meia-vida do isótopo. Isto é possível porque o carbono-14 é incorporado à matéria orgânica durante o crescimento a partir de fontes atmosféricas. Posteriormente, a concentração de carbono-14 no material orgânico diminui através da decomposição, um processo que pode ser validado independentemente por outros métodos, como a análise dos níveis de carbono-14 em anéis de árvores individuais.

Efeito Szilard–Chalmers

O efeito Szilard-Chalmers descreve a clivagem de uma ligação química devido à energia cinética transmitida durante o decaimento radioativo. Este fenômeno ocorre quando um átomo absorve nêutrons e subsequentemente emite raios gama, liberando frequentemente energia cinética substancial. De acordo com a terceira lei de Newton, esta energia cinética exerce uma força de recuo sobre o átomo em decomposição, impulsionando-o com velocidade suficiente para romper uma ligação química. Consequentemente, este efeito pode ser aproveitado para a separação química de isótopos.

Leó Szilárd e Thomas A. Chalmers descobriram o efeito Szilard-Chalmers em 1934. Suas observações revelaram que o bombardeio de nêutrons de iodeto de etila líquido levou à quebra da ligação, facilitando a remoção de iodo radioativo.

Origens dos nuclídeos radioativos

Os nuclídeos radioativos primordiais da Terra originam-se como remanescentes de antigas explosões de supernovas anteriores à formação do Sistema Solar. Estes representam a fração sobrevivente de radionuclídeos daquela época, persistindo durante a formação da nebulosa solar primordial, acreção planetária e até o período contemporâneo. As rochas contemporâneas contêm nuclídeos radiogênicos de vida curta que ocorrem naturalmente, que são produtos de decaimento desses nuclídeos radioativos primordiais. Além disso, os nuclídeos cosmogênicos constituem uma fonte secundária de radioatividade natural, gerada pelo bombardeio de raios cósmicos de material atmosférico ou crustal terrestre. A decomposição radioativa dos nuclídeos no manto e na crosta terrestre contribui substancialmente para o orçamento interno de calor do planeta.

Processos macroscópicos

Embora o decaimento radioativo opere fundamentalmente no nível subatômico, sua observação, tanto historicamente quanto na maioria das aplicações práticas, ocorre em materiais a granel que compreendem grandes quantidades de átomos. Esta seção explora modelos que conectam fenômenos de nível atômico com observações macroscópicas.

Terminologia Chave

A taxa de decaimento, também conhecida como atividade, de uma substância radioativa é definida pelos seguintes parâmetros independentes do tempo:

• A meia-vida, denotada como t_1/2, representa a duração necessária para que a atividade de uma quantidade específica de uma substância radioativa diminua para metade de sua magnitude original.
• A constante de decaimento, simbolizada como λ (lambda), é o inverso do tempo de vida médio (expresso em s⁻¹) e é ocasionalmente chamada de taxa de decaimento.
• O tempo de vida médio, designado como τ (tau), significa a duração média (ou 1/e de vida) que uma partícula radioativa existe antes de seu decaimento.

Embora esses parâmetros sejam constantes, eles estão intrinsecamente ligados ao comportamento estatístico das populações atômicas. Consequentemente, as previsões derivadas dessas constantes exibem precisão reduzida para amostras atômicas extremamente pequenas.

Teoricamente, várias vidas fracionárias, como uma terceira vida ou uma vida (1/√2), poderiam ser empregadas de forma semelhante à meia-vida; no entanto, a vida média e a meia-vida t_1/2 foram padronizadas como tempos característicos para processos de decaimento exponencial.

Esses parâmetros estão inter-relacionados com os parâmetros subseqüentes dependentes do tempo:

• Atividade total (ou simplesmente atividade), denotada como A, quantifica o número de decaimentos que ocorrem por unidade de tempo dentro de uma amostra radioativa.
• O número de partículas, representado por N, presentes na amostra.
• Atividade específica, simbolizada como a, define o número de decaimentos por unidade de tempo por unidade de quantidade de substância na amostra no momento inicial (t = 0). A "quantidade de substância" pode referir-se à massa, volume ou quantidade molar da amostra inicial.

Esses parâmetros estão interconectados por meio dos seguintes relacionamentos:

15§ / §20 = ln ⁡ ( §40 λ = τ ln ⁡ ( §62 A = − d N d t = λ N = ln ⁡ ( §120 t §129130§ / §135 N S A a §159160§ = − d N d t | t = §203204§ = λ N §217218§ {\displaystyle {\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}}

N§23§ represents the initial quantity of the active substance, defined as the material possessing an identical proportion of unstable particles to that present at its formation.

Suposições

Os modelos matemáticos de decaimento radioativo baseiam-se na suposição fundamental de que o núcleo de um radionuclídeo carece de qualquer "memória" ou mecanismo para traduzir o seu passado em seu comportamento atual. Conseqüentemente, um núcleo não envelhece com o passar do tempo. Isto implica que a sua probabilidade de desintegração permanece invariante, independentemente da duração da existência do núcleo. Embora esta probabilidade constante possa variar significativamente entre os diferentes tipos nucleares, tendo em conta as diversas taxas de decaimento observadas, o seu valor para um determinado núcleo não muda ao longo do tempo. Esta característica contrasta fortemente com sistemas complexos que exibem senescência, como automóveis e organismos biológicos, onde a probabilidade de falha por unidade de tempo aumenta desde o início de sua existência.

Processos agregados, como o decaimento radioativo de uma amostra macroscópica de átomos, onde a probabilidade de evento individual é extremamente baixa, mas o grande número de ocorrências potenciais ao longo do tempo resulta em uma taxa de evento discernível, são efetivamente modelados pela distribuição discreta de Poisson. O decaimento radioativo e as reações de partículas nucleares servem como exemplos principais de tais processos agregados. A estrutura matemática dos processos de Poisson converge para a lei do decaimento exponencial, que caracteriza o comportamento estatístico de um grande conjunto de núcleos, e não de um único núcleo. Dentro do formalismo subsequente, o número de núcleos, ou a população nuclear N, é inerentemente uma variável discreta (um número natural); entretanto, para qualquer amostra física prática, N é suficientemente grande para ser aproximado como uma variável contínua. Consequentemente, o cálculo diferencial é empregado para modelar a dinâmica do decaimento nuclear.

Processo de decaimento único

Vamos considerar um nuclídeo A que sofre decaimento em outro nuclídeo B através do processo A → B. A emissão de outras partículas, como neutrinos de elétrons ν
_e e elétrons e⁻ em decaimento beta, não é pertinente à derivação subsequente. O decaimento de um núcleo instável é um processo estocástico no tempo, tornando impossível prever o momento exato do decaimento de qualquer átomo individual. No entanto, é igualmente provável que um núcleo decaia em qualquer instante. Consequentemente, para uma determinada amostra de um radioisótopo específico, o número esperado de eventos de decaimento, −dN, ocorrendo dentro de um pequeno intervalo de tempo dt, é diretamente proporcional ao número atual de átomos presentes, N, expresso como:

${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N}$

Radionuclídeos distintos exibem taxas de decaimento variadas, cada um possuindo uma constante de decaimento única, λ. O decaimento fracionário esperado, −dN/N, é proporcional ao incremento de tempo infinitesimal, dt:

O sinal negativo significa que a quantidade N diminui à medida que o tempo avança, refletindo a ocorrência contínua de eventos de decaimento. A solução desta equação diferencial de primeira ordem é dada pela seguinte função:

N ( t ) = N §2021§ e − λ t {\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}}

onde N§34§ representa o número inicial de núcleos no tempo t = 0, e λ denota a constante de decaimento.

Para todo o tempo t, a seguinte relação é válida:

N A + N B = N total = N A §4243§ , {\displaystyle N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},}

onde N_total representa o número total constante de partículas mantidas durante todo o processo de decaimento, equivalente à contagem inicial de nuclídeos A, dado que A é a substância original.

Assumindo que a quantidade de núcleos A não decaídos é definido como:

N A = N A §2223§ e − λ t {\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}}

consequentemente, o número de núcleos B, que corresponde à quantidade de núcleos A decaídos, é determinado por:

N B = N A §2223§ − N A = N A §4546§ − N A §5859§ e − λ t = N A §8485§ ( §9293§ − e − λ t ) . {\displaystyle N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}

A quantidade de decaimentos observados dentro de um intervalo especificado está de acordo com as estatísticas de Poisson. Se o número médio de decaimentos for denotado como ⟨N⟩, então a probabilidade de observar um determinado número de decaimentos, N, é dada por:

${\displaystyle P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.}$

Processos de decaimento sequencial

Cadeia de decaimento em duas etapas

Agora, considere uma cadeia de decaimento envolvendo dois processos sequenciais: um nuclídeo A decai em outro nuclídeo B, que posteriormente decai em um terceiro nuclídeo C, representado como A → B → C. A equação apresentada anteriormente, aplicável a um único decaimento, não pode ser aplicada diretamente a esta cadeia, mas pode ser generalizada. Como A se transforma em B, e B então decai em C, a atividade de A contribui para o número total de nuclídeos B presentes na amostra. Posteriormente, esses nuclídeos B decaem, reduzindo sua contagem e formando o produto subsequente. Em essência, a população de núcleos de segunda geração, B, aumenta devido ao decaimento dos núcleos de primeira geração, A, e simultaneamente diminui como resultado de seu próprio decaimento nos núcleos de terceira geração, C. A soma desses dois termos opostos define a lei para uma cadeia de decaimento de dois nuclídeos:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.}$

A taxa de mudança para N_B, denotada como dN_B/dt, é determinada pela interação dinâmica entre a formação de B a partir de A e seu subsequente decaimento para produzir C. Consequentemente, a população de N_B pode aumentar devido à sua produção de A e diminuir à medida que B se transforma em C.

Esta equação pode ser reformulada incorporando os resultados previamente estabelecidos:

Os subscritos nestas expressões denotam os respectivos nuclídeos. Especificamente, N_A representa o número de nuclídeos do tipo A, enquanto N_{A§1516§ significa a contagem inicial de nuclídeos do tipo A. Além disso, λA corresponde à constante de decaimento do nuclídeo A, com definições análogas aplicadas ao nuclídeo B. Resolvendo esta equação diferencial para NB produz:}

N B = N A §2526§ λ A λ B − λ A ( e − λ A t − e − λ B t ) . {\displaystyle N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).}

Quando o nuclídeo B é estável (λ_B = 0), a equação acima mencionada simplifica a solução anterior:

lim λ<!-- λ --> B →<!-- → --> §2223§ [ N A §3940§ λ A λ B − λ A ( e − λ A t − e − λ B t ) ] = N A §144145§ λ A §159160§ − λ A ( e − λ A t − §203204§ ) = N A §217218§ ( §225226§ − e − λ A t ) , {\displaystyle \lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),}

A solução, conforme demonstrado anteriormente para um único decaimento, pode ser obtida usando o método do fator de integração, sendo o fator de integração e^λ_Bt. Esta abordagem é particularmente valiosa porque facilita diretamente a derivação da equação de decaimento único e das equações que governam cadeias de decaimento múltiplo.

Decaimento de cadeias com múltiplas etapas

Considerando o cenário geral de uma cadeia de decaimento envolvendo um número arbitrário de decaimentos consecutivos, representado como A₁ → A§34§ ··· → A_i ··· → A_D, onde D denota o número total de decaimentos e i serve como um índice fictício (i = 1, 2, 3, ..., D), a população de cada nuclídeo pode ser determinada com base na população do nuclídeo anterior. Neste caso específico, as condições iniciais são N§3132§ = 0, N§37_{38§ = 0}, ..., N_D = 0. A aplicação recursiva do resultado derivado anteriormente produz:

d N j d t = −<!-- − --> λ<!-- λ --> j N j + λ<!-- λ --> j −<!-- − --> §6667§ N ( j − §8182§ ) §8586§ e − λ j − §106107§ t . {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.}

A solução abrangente para este problema recursivo é fornecida pelas equações de Bateman.

Deterioração com vários produtos

Nos exemplos anteriores, o nuclídeo pai decaiu consistentemente em um único produto. Agora, considere um cenário onde um nuclídeo inicial pode decair em dois produtos distintos simultaneamente, especificamente A → B e A → C em paralelo. Por exemplo, dentro de uma amostra de potássio-40, 89,3% dos núcleos sofrem decaimento para formar cálcio-40, enquanto 10,7% se transformam em argônio-40. Para qualquer momento t, o seguinte relacionamento é válido:

${\displaystyle N=N_{A}+N_{B}+N_{C}}$

Essa quantidade permanece constante porque o número total de nuclídeos é conservado. Diferenciando esta expressão em relação aos rendimentos de tempo:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}}$

Essa relação define a constante de decaimento total λ como a soma das constantes de decaimento parcial, especificamente λ_B e λ_C.

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.}$

A etapa subsequente envolve resolver esta equação para determinar N_A.

NA=NA§2223§e−λt.{\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.}

Aqui, N_{A§56§ significa a quantidade inicial de nuclídeo A. Ao avaliar a produção de um único nuclídeo, apenas a constante de decaimento total λ é observável. As constantes de decaimento individuais λB e λC governam a probabilidade de que o decaimento produza produtos B ou C, conforme apresentado abaixo:}

NB=λ<!-- λ -->Bλ<!-- λ -->NA§3839§(§4647§−e−λt),{\displaystyle N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),}

NC=λ<!-- λ -->Cλ<!-- λ -->NA§3839§(§4647§−e−λt).{\displaystyle N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}

Esta formulação surge porque a fração λ_B/λ de núcleos se transforma em B, enquanto a fração λ_C/λ de núcleos se transforma em C.

Corolários de Leis

As equações mencionadas acima também podem ser expressas usando quantidades derivadas do número de partículas de nuclídeos N dentro de uma amostra:

• A atividade é definida como: A = λN.
• A quantidade de substância é dada por: n = N/N_A.
• A massa pode ser calculada como: m = Mn = MN/N_A.

Nestas expressões, N_A = 6.02214076ק1415§23 mol⁻¹‍ representa a constante de Avogadro, M denota a massa molar da substância em kg/mol, e a quantidade da substância n é expressa em moles.

Tempo de decaimento: definições e relações

Constante de tempo e vida média

Considerando um processo de decaimento único A → B:

N = N §1415§ e − λ t = N §4243§ e − t / τ , {\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}

A equação demonstra que a constante de decaimento λ possui unidades de t⁻¹. Consequentemente, também pode ser expresso como 1/τ, onde τ significa um parâmetro temporal característico do processo, conhecido como constante de tempo.

Dentro de um processo de decaimento radioativo, esta constante de tempo corresponde ao tempo de vida médio dos átomos em decomposição. Cada átomo existe por um período finito antes de seu decaimento. Pode ser demonstrado que este tempo de vida médio representa a média aritmética de todos os tempos de vida atômicos e é equivalente a τ, que está ainda ligado à constante de decaimento através da seguinte relação:

τ<!-- τ --> = §1314§ λ . {\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}

Esta formulação também se aplica a processos simultâneos de dois decaimentos, como A → B + C, incorporando os valores equivalentes da constante de decaimento previamente estabelecidos.

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,}$

Substituir esses valores na solução de decaimento resulta no seguinte:

§89§ τ = λ = λ B + λ C = §4647§ τ B + §6364§ τ C {\displaystyle {\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,}

Meia-vida

Um parâmetro empregado com mais frequência é a meia-vida, denotada como T_1/2. Ao considerar uma amostra de um radionuclídeo específico, a meia-vida representa a duração necessária para que metade dos átomos do radionuclídeo sofra decaimento. No contexto de reações nucleares de decaimento único:

N = N §1415§ e − λ t = N §4243§ e − t / τ , {\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}

A meia-vida está matematicamente relacionada à constante de decaimento. Esse relacionamento pode ser derivado definindo N = N§34§/2 e t = T_1/2, o que resulta:

t §1011§ / §1617§ = ln ⁡ §3031§ λ = τ ln ⁡ 2. {\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.}

Esta relação estabelecida entre a meia-vida e a constante de decaimento indica que as substâncias altamente radioativas decaem rapidamente, enquanto aquelas com radiação mais fraca persistem por longos períodos. As meias-vidas dos radionuclídeos identificados apresentam uma vasta gama, abrangendo aproximadamente 54 ordens de grandeza. Este espectro se estende por mais de 2,25(9)×10²⁴ anos (6,9ק1213§31 segundos) para o nuclídeo excepcionalmente estável ¹²⁸Te, até um mero 8,6(6)ק2223§−23 segundos para o nuclídeo extremamente instável §26^27§H.

A presença do fator ln(2) nas relações anteriores surge porque o conceito de "meia-vida" representa fundamentalmente uma seleção de uma base diferente da base natural e para expressar o tempo de vida do decaimento. Em contraste, a constante de tempo τ denota o e−1-vida, que é a duração até que apenas 1/e da substância permaneça, aproximadamente 36,8%, em oposição aos 50% associados à meia-vida de um radionuclídeo. Consequentemente, τ é inerentemente mais longo que t_1/2. A equação subsequente demonstra esta validade:

N ( t ) = N §2021§ e − t / τ = N §5051§ §5758§ −<!-- − --> t / t §7374§ / §7980§ . {\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!}

A natureza exponencial do decaimento radioativo, caracterizada por uma probabilidade constante, permite a sua descrição utilizando vários períodos de tempo constantes. Por exemplo, pode-se definir uma "(1/3)-vida" (a duração até que reste um terço da substância) ou uma "(1/10)-vida" (o período até que apenas 10% persistam), entre outras possibilidades. Consequentemente, a seleção de τ e t_1/2 como tempos de marcação específicos é principalmente uma questão de conveniência e convenção estabelecida. Essas escolhas ressaltam um princípio fundamental: uma proporção consistente de qualquer substância radioativa decairá em qualquer intervalo de tempo escolhido.

Matematicamente, a n-vida para o cenário mencionado acima pode ser derivada definindo N = N§89§/n e t = T_1/n e, em seguida, substituindo esses valores na equação de decaimento, o que resulta:

t §1011§ / n = ln ⁡ n λ = τ ln ⁡ n . {\displaystyle t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.}

Um exemplo ilustrativo envolve carbono-14.

O carbono-14 exibe uma meia-vida de aproximadamente 5.700(30) anos e uma taxa de decaimento característica de 14 desintegrações por minuto (dpm) por grama de carbono natural.

Para determinar a idade aproximada de um artefato, se seu conteúdo atual de carbono exibir uma radioatividade de 4 dpm por grama, a equação acima mencionada pode ser aplicada.

N = N §1415§ e − t / τ , {\displaystyle N=N_{0}\,e^{-t/\tau },}

Neste contexto, as variáveis são definidas da seguinte forma:

19§ = §3031§ / §3637§ ≈ 0,286 , τ = T §6465§ / §70 ln ⁡ §80 ≈ 8267  anos , t = − τ ln ⁡ N N §129130§ ≈ 10356  anos . {\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0,286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ anos}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ anos}}.\end{aligned}}}

Variações nas taxas de declínio

Os processos de decaimento radioativo, especificamente a captura de elétrons e a conversão interna, apresentam uma pequena suscetibilidade a influências químicas e ambientais. Essas influências modificam a estrutura eletrônica do átomo, impactando consequentemente a disponibilidade dos elétrons 1s e 2s cruciais para esses mecanismos de decaimento. Este fenômeno afeta um subconjunto limitado de nuclídeos. Por exemplo, a natureza das ligações químicas pode alterar marginalmente a taxa de captura de electrões, normalmente em menos de 1%, dependendo da proximidade dos electrões ao núcleo atómico. Notavelmente, para ⁷Be, foi documentada uma disparidade de 0,9% nas meias-vidas ao comparar as condições ambientais metálicas e isolantes. Este efeito comparativamente significativo surge do pequeno tamanho atômico do berílio, onde seus elétrons de valência ocupam orbitais atômicos 2s. Esses orbitais são suscetíveis à captura de elétrons em ⁷Be devido à sua característica inerente (compartilhada por todos os orbitais atômicos em todos os átomos) de penetrar no núcleo.

Em 1992, pesquisadores liderados por Jung et al. no grupo de pesquisa de íons pesados ​​de Darmstadt documentou um decaimento β⁻ acelerado de ¹⁶³Dy⁶⁶⁺. Enquanto o isótopo neutro ¹⁶³Dy é estável, sua contraparte totalmente ionizada, ¹⁶³Dy⁶⁶⁺, sofre decaimento β⁻ nas camadas de elétrons K e L, transformando-se em ¹⁶³Ho⁶⁶⁺ com meia-vida de 47 dias.

Rhênio-187 serve como outra ilustração convincente desse fenômeno. Normalmente, ¹⁸⁷Re decai via emissão beta para ¹⁸⁷Os, exibindo uma meia-vida de 41,6 bilhões de anos. No entanto, investigações envolvendo átomos de ¹⁸⁷Re totalmente ionizados (efetivamente núcleos nus) revelaram uma redução drástica nesta meia-vida para apenas 32,9 anos. Esta alteração significativa é atribuída ao "decaimento β do estado ligado" dentro do átomo totalmente ionizado, onde o elétron emitido ocupa a camada K (orbital atômico 1s). Esta via de decaimento específica é excluída em átomos neutros porque todos os estados ligados mais baixos já estão ocupados.

Numerosos experimentos demonstraram que as taxas de decaimento de vários radioisótopos artificiais e naturais permanecem invariantes, com um alto grau de precisão, sob condições externas como temperatura, pressão, ambiente químico e campos eletromagnéticos ou gravitacionais. Além disso, séculos de experimentação laboratorial, análises do reator nuclear natural de Oklo (que ilustrou a influência dos nêutrons térmicos no decaimento nuclear) e observações astrofísicas do decaimento da luminosidade em supernovas distantes (cuja luz viajou extensivamente para chegar à Terra) fornecem coletivamente evidências robustas de que as taxas de decaimento imperturbadas permaneceram constantes ao longo do tempo, dentro dos limites da incerteza experimental.

Descobertas recentes propõem uma dependência potencial, embora fraca, das taxas de decaimento em parâmetros ambientais. Especificamente, alguns estudos indicaram que as medições da taxa de decaimento do silício-32, manganês-54 e rádio-226 apresentam pequenas flutuações sazonais, aproximadamente 0,1%. No entanto, essas medições são altamente propensas a erros sistemáticos. Uma publicação subsequente, examinando sete isótopos adicionais (²²Na, ⁴⁴Ti, ¹⁰⁸Ag, ¹²¹Sn, ¹³³Ba, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu), não encontrou evidências de tais correlações e estabeleceu limites superiores para qualquer efeitos potenciais. Anteriormente, foi relatado que o decaimento do radônio-222 mostrava variações sazonais significativas de 4%, pico a pico, hipoteticamente ligadas à atividade das explosões solares ou à distância da Terra ao Sol. No entanto, uma análise minuciosa das falhas de concepção da experiência original, juntamente com comparações com experiências mais rigorosas e sistematicamente controladas, refutou esta afirmação.

Anomalia GSI

Uma série imprevista de descobertas experimentais relativas às taxas de decaimento de íons radioativos pesados ​​e altamente carregados dentro de um anel de armazenamento estimulou uma investigação teórica considerável com o objetivo de fornecer uma explicação robusta. Especificamente, as fracas taxas de decaimento de duas espécies radioativas, possuindo meias-vidas de aproximadamente 40 segundos e 200 segundos, respectivamente, exibem uma notável modulação oscilatória com um período de aproximadamente 7 segundos. Este fenômeno observado é denominado anomalia GSI, em homenagem ao Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados ​​em Darmstadt, Alemanha, onde a instalação do anel de armazenamento está localizada. Dado que o processo de decaimento gera um neutrino de elétrons, várias explicações propostas para a oscilação observada nas taxas de decaimento envolvem características dos neutrinos. As primeiras hipóteses sobre a oscilação do sabor dos neutrinos foram recebidas com ceticismo. Uma proposição mais contemporânea postula diferenças de massa entre os estados próprios de massa dos neutrinos como a causa subjacente.

Processos Nucleares

Um nuclídeo é convencionalmente definido como 'existente' se sua meia-vida exceder 2x10⁻¹⁴ segundos. Este limite é arbitrário; nuclídeos com meias-vidas mais curtas são normalmente classificados como ressonâncias, exemplificados por sistemas envolvidos em reações nucleares. Esta escala de tempo específica é característica da interação forte, responsável pela força nuclear. Apenas os nuclídeos sofrem decaimento e emitem radioatividade.

Os nuclídeos são classificados como estáveis ​​ou instáveis. Nuclídeos instáveis ​​sofrem decaimento radioativo, potencialmente através de múltiplos estágios, até que uma configuração estável seja alcançada. Atualmente, 251 nuclídeos estáveis ​​foram identificados. A contagem de nuclídeos instáveis ​​descobertos aumentou, atingindo aproximadamente 3.000 em 2006.

As formas mais prevalentes e historicamente significativas de decaimento radioativo natural envolvem a emissão de partículas alfa, partículas beta e raios gama. Cada um desses modos de decaimento corresponde a uma interação fundamental responsável principalmente pela radioatividade observada:

• O decaimento alfa é governado pela interação forte.
• O decaimento beta é governado pela interação fraca.
• O decaimento gama é governado pelo eletromagnetismo.

Durante o decaimento alfa, uma partícula composta por dois prótons e dois nêutrons, estruturalmente idêntica a um núcleo de hélio, é ejetada do núcleo pai. Este processo envolve uma interação dinâmica entre a repulsão eletromagnética entre os prótons dentro do núcleo e a força nuclear atrativa, que é uma manifestação residual da interação forte. A energia de ligação excepcionalmente forte da partícula alfa frequentemente favorece a sua formação nesta competição. No entanto, certos núcleos sofrem fissão em fragmentos maiores, e núcleos artificiais podem decair através da emissão de prótons únicos, diprótons ou outras partículas compostas.

O decaimento beta envolve a transformação de um nêutron em um próton ou o inverso. Especificamente, quando um nêutron dentro de um nuclídeo pai sofre decaimento, ele produz um próton, um elétron, um antineutrino e um nuclídeo filho possuindo um número atômico maior. Por outro lado, quando um próton em um nuclídeo pai se converte em um nêutron, ele produz um pósitron, um neutrino e um nuclídeo filho com um número atômico menor. Esses processos são manifestações diretas da interação nuclear fraca.

O decaimento gama é análogo a outras formas de emissão eletromagnética, representando transições entre um estado quântico excitado e um estado de energia mais baixa. Freqüentemente, vários mecanismos de decaimento de partículas fazem com que o nuclídeo filho fique em um estado excitado, que subsequentemente desexcita através da emissão gama.

Mecanismos de decaimento adicionais abrangem emissão de nêutrons, captura de elétrons, conversão interna e decaimento de cluster.

Sinais de alerta de perigo

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Notas

Referências

A Pesquisa de Dados Nucleares de Lund/LBNL fornece informações tabuladas sobre vários tipos e energias de decaimento radioativo.

• Pesquisa de dados nucleares de Lund/LBNL – Contém informações tabuladas sobre tipos e energias de decaimento radioativo.
• Nomenclatura da química nuclear.
• Atividade específica e tópicos relacionados.
• O gráfico ao vivo de nuclídeos.
• Gráfico interativo de nuclídeos.
• Site de educação pública da Sociedade de Física da Saúde.
• Praia, Chandler B., ed. (1914). "Raios Becquerel" . Em O Trabalho de Referência do Novo Aluno . Chicago: F. E. Compton and Co.BibNum .
• "Mudança radioativa", um artigo de Rutherford & Soddy (1903), disponível online e analisado em Bibnum .