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Conteúdo principal

Estabilidade nuclear e equações nucleares

Uso da razão de nêutrons para prótons para descobrir se um núcleo será estável ou radioativo.  Versão original criada por Jay.

Transcrição de vídeo

RKA2G No último vídeo, nós falamos sobre o núcleo do átomo de hélio. E sabemos que no núcleo do átomo de hélio, nós temos dois prótons e dois nêutrons. E esses prótons e esses nêutrons, quando estão no núcleo do átomo, são chamados de núcleons. Por isso que, algumas vezes, eu vou usar esse termo aqui para se referir a esses elementos que estão no núcleo dos átomos, ok? Mas uma pergunta que eu quero fazer para você: por que o núcleo deste átomo se mantém estável, ou seja, se mantém coeso, mesmo a gente sabendo que cargas de mesmo sinal se repelem e que essa repulsão aqui ocorre devido a uma força elétrica? Então, essa repulsão aqui, entre essas duas cargas positivas, é uma repulsão através da força eletrostática. Esse núcleo se mantém coeso porque existe uma força mais forte que a eletrostática aqui e que mantém esses dois átomos juntos. Essa força é chamada de "força nuclear forte" ou simplesmente "força forte". Então, podemos colocar aqui: força forte. Então, como eu disse, a força forte aqui é bem maior que a força eletrostática. Então, mesmo que haja essa repulsão eletrostática entre esses dois núcleons aqui, está existindo uma força forte que está mantendo esses dois prótons unidos, ok? E uma outra coisa interessante também é que ela ocorre entre prótons e prótons, entre prótons e nêutrons e entre nêutrons e neutros, ou seja, ocorre entre todos os núcleons. E a gente poderia ficar falando todas as características da força forte, mas não é o objetivo deste vídeo. O objetivo deste vídeo é saber por que o núcleo desse átomo é estável. E a gente pode começar a pensar a respeito disso observando, por exemplo, o número atômico. A gente sabe que o número atômico desse hélio é igual a 2 e o número atômico, nesse caso, me dá o número de prótons. E a gente pode representar esse número atômico pela letra Z. E se a gente pegar a massa atômica e subtrair com esse número atômico, nós temos o número de nêutrons, ou seja, dois nêutrons. E a gente pode representar esse número de nêutrons pela letra N. E o nosso primeiro objetivo é determinar a razão entre o número de nêutrons e o número de prótons. E a gente pode determinar essa razão dividindo o número de nêutrons pelo número atômico. No caso do nosso exemplo aqui, para o hélio-4, a gente tem dois nêutrons e dois prótons, então, basta dividir 2 por 2 e isso é igual a 1. E o mais legal disso tudo é que, quando nós temos um núcleo pequeno, ou seja, quando o número atômico for menor do que 20, nesse caso teremos um núcleo estável quando essa razão N sobre Z for igual a 1, ou seja, quando o número de nêutrons for igual ao número de prótons. No nosso exemplo, o hélio-4 é estável porque nós temos dois prótons e dois nêutrons. Mas vamos pensar um pouquinho agora no carbono-14. Quando a gente tem o carbono-14, 14 é a massa atômica e nós teremos 6 prótons, então qual seria a razão entre o número de nêutrons e o número atômico nesse caso? Para esse carbono-14 nós teremos aqui 6 prótons e 14 - 6 é igual a 8, então, nesse caso, teremos 8 nêutrons. Qual seria, então, a razão entre o número de nêutrons e o número atômico? Essa razão seria igual a N sobre Z e N é igual a 8 e Z é igual a 6. Então, fica claro aqui, a gente consegue perceber de cara que essa razão N sobre Z é maior do que 1. Logo, o carbono-14 não está estável, ou seja, o núcleo desse carbono-14 não está estável. E nesse caso ele vai ser radioativo, ou seja, ele vai sofrer um decaimento de forma espontânea buscando a estabilidade, ou seja, buscando fazer com que essa razão se torne igual a 1. Vamos observar agora a equação nuclear que representa esse decaimento espontâneo. E quando nós temos uma equação nuclear desse jeito aqui, nós representamos apenas o núcleo dos elementos. Por exemplo, aqui nós temos o carbono-14 e, na verdade, isso aqui é o núcleo do carbono-14, em que nós temos 6 prótons e 8 nêutrons. Então, vamos observar o que está acontecendo aqui. Deixe-me colocar isso um pouquinho mais para cima. Nesse processo a gente tem, inicialmente, o carbono-14 com número atômico igual a 6, ou seja, 6 prótons. Então, se tem 6 prótons, tem 6 aqui de carga positiva, certo? A gente pode colocar aqui 6 positivo. E nesse processo de decaimento, de alguma forma, esse carbono-14 acaba liberando um elétron, o que é algo muito estranho. Isso aqui é regido por uma força chamada "força nuclear fraca", mas não se preocupe com isso agora, nós vamos falar mais sobre isso no próximo vídeo. O que você precisa se preocupar é que, como vai ser um elétron liberado, o elétron tem carga negativa, certo? Então, teremos aqui 1 negativo. E, nesse processo em que esse carbono-14 libera esse elétron, acaba sobrando um núcleo de nitrogênio, em que esse núcleo de nitrogênio tem um número atômico igual a 7. Então, teremos sete prótons, ou seja, uma carga 7 positivo, certo? Mas deixa eu escrever isso aqui do lado para a gente poder pensar um pouco a respeito disso. Então, nesse núcleo aqui de nitrogênio, nós temos 7 prótons, certo? E 14 menos 7 é igual a 7, então também teremos 7 nêutrons. Então, nossa pergunta é: Será que agora temos um núcleo estável? Para a gente saber se esse núcleo é realmente estável, a gente vai calcular aquela razão entre o número de nêutrons e o número atômico. E o número de nêutrons, aqui nesse caso, é igual a 7 e o número atômico também é igual a 7. Então, temos um valor igual a 1. Então, nesse caso aqui, nós conseguimos obter um núcleo estável, já que a razão entre N e Z é igual a 1. E é esse o motivo que esse carbono-14 vai sofrer esse decaimento espontâneo. Mas vamos aproveitar este vídeo e pensar um pouco mais a respeito de uma equação nuclear. A primeira coisa que temos que destacar é que o número de núcleons onde é conservado. Então, por exemplo, se aqui inicialmente nós temos 14 núcleons, desse lado também nós temos que ter 14 núcleons. Então, vamos escrever isso daqui: nesse caso, a gente tem 14 núcleons e, após a reação, também temos que ter 14 núcleons. Claro, obviamente, o elétron não é um núcleon, então, só temos esses 14 núcleons aqui desse núcleo de nitrogênio, e são 7 prótons e 7 nêutrons. Então, temos 14 núcleons antes do processo e 14 depois. A segunda coisa que temos que destacar é que a carga elétrica também tem que se conservar. Inicialmente nós temos 6 positivo e, após a reação, também temos que ter 6 positivo. Então, como temos aqui 1 carga negativa e 7 positivas, 7 menos 1 vai ser igual a 6 positivo, então a carga elétrica também está se conservando nessa reação. A conclusão a que a gente chega é que tanto o número de núcleons quanto a carga elétrica são conservadas em uma equação nuclear. E outra coisa interessante também a observar é que nós mudamos a identidade de um elemento. Inicialmente, aqui para o carbono, nós tínhamos um número atômico igual a 6 e aqui agora, para o nitrogênio, nós temos um número atômico igual a 7. E essa é uma ideia de transmutação de elementos. Nós transformamos o núcleo de um elemento em um núcleo de um outro elemento. Como vimos até aqui, para núcleos atômicos pequenos, ou seja, quando Z é menor do que 20, a razão entre o número de nêutrons e o número atômico tem que ser igual a 1 para que esse lucro seja estável. Agora, para núcleos atômicos maiores, essa razão aqui muda um pouco. E para esses núcleos atômicos maiores, essa razão entre o número de nêutrons e o número atômico tem que ser igual a 1,5. E um dos primeiros motivos para isso ter mudado é que, à medida que o número atômico de um núcleo for aumentando, é necessário também que tenha mais nêutrons em seu núcleo, certo? Você pode até estar falando que já tinha entendido isso no exemplo anterior, já que, quanto maior for o número atômico, maior vai ter que ser o número de nêutrons para respeitar aquela razão, certo? Mas por que, exatamente, para núcleos atômicos mais pesados, ou seja, com um número atômico maior, essa razão tem que ser diferente? Bem, vamos ver isso aqui agora. Vamos imaginar um núcleo atômico. Eu sei que isso aqui não é um núcleo atômico, mas vamos representar desta forma aqui. Vamos imaginar que nesse núcleo atômico a gente tenha dois prótons. Como a gente sabe, dois prótons sofrem uma repulsão eletrostática, certo? Mas, como eles estão muito próximos um do outro aqui, eles vão ter uma interação nuclear forte que é bem maior que a força eletrostática, ou seja, ela vence essa força eletrostática e mantém esses dois prótons unidos. Novamente, recapitulando: essa força nuclear forte é uma força muito curta. Ela não alcança uma distância muito longa. Então, vamos supor que a gente tenha ainda outros prótons nesse núcleo, só que eles estão bem mais distantes um do outro e desses dois também. Nesse caso, a força nuclear não existe mais porque, como eu falei, ela é uma força que atua apenas a pequenas distâncias. Mas a força eletrostática continua lá. À medida que for adicionando mais prótons aqui nesse núcleo, maior vai ficar essa força eletrostática. E a força nuclear forte não vai conseguir dar conta de manter todos esses prótons unidos, já que eles não vão estar tão próximos um do outro. Então, uma forma de equilibrar essa continha seria colocando mais nêutrons, já que, como eu falei no início deste vídeo, a força nuclear forte ocorre entre todos os núcleons, incluindo próton-próton, próton-nêutron e nêutron-nêutron. Então, a gente vem aqui e adiciona mais nêutrons. E esse é o motivo do aumento dessa razão, porque, quanto mais prótons nós tivermos nesse núcleo, mais nêutrons a gente vai precisar para poder equilibrar as coisas aqui dentro. Agora, uma coisa também que é importante para te falar neste vídeo é que, quando tivermos um número atômico maior que 83, ou seja, elementos maiores que o bismuto, praticamente todos os núcleos estarão instáveis. Então, todos eles vão precisar sofrer um processo de decaimento radioativo. Mas de qualquer forma, deixe-me anotar essa informação aqui. Então, quando a gente tiver um número atômico maior que 83, a gente vai ter núcleos atômicos instáveis em que todos vão precisar passar por um processo de decaimento radioativo. E é isso o que a gente vai ver no próximo vídeo.