Artigo sobre tipos de decaimento radioativo

Às vezes os átomos não estão felizes sendo eles mesmos; eles subitamente se transformam em átomos completamente diferentes, sem qualquer aviso. Essa transformação misteriosa de um tipo de elemento em outro é a base das reações nucleares, as quais fazem um núcleo se transformar em um núcleo diferente. Assim como as reações químicas fazem compostos se transformarem em outros compostos por meio da troca de seus elétrons, as reações nucleares acontecem quando o número de prótons e nêutrons do núcleo de um átomo varia.

Alguns tipos de reações nucleares podem, de fato, expulsar prótons do núcleo ou convertê-los em nêutrons. Como sabemos identificar um elemento olhando seu número em uma tabela periódica e verificando seu nome, quando o número atômico (número de prótons) varia, o nome do elemento também muda. Isso faz com que as reações nucleares se pareçam com alquimia; um átomo de potássio (número atômico 19) pode subitamente e inesperadamente se transformar em um átomo de cálcio (número atômico 20). O único sinal de que algo mudou é a liberação de radiação, da qual falaremos mais em breve.

O mais estranho é que as reações nucleares geralmente ocorrem quase que de forma completamente aleatória. Se você tem um único núcleo e tem certeza de que ele uma hora vai decair e se transformar em um núcleo diferente, ainda assim você tem somente uma ideia aproximada de quanto tempo vai levar para que isso aconteça. Você pode se sentar e observar o núcleo durante alguns segundos ou durante sua vida toda e, em algum momento, ele vai decair subitamente sem nenhum aviso! Contudo, dependendo do tipo de núcleo, você consegue prever quanto tempo em média ele demoraria para decair se você observar diversos núcleos de uma vez só. Portanto, embora o tempo médio para decair seja um número mensurável (para o potássio esse tempo é de mais de um bilhão de anos), o tempo exato do decaimento é completamente aleatório.

Há três tipos de reação nuclear; cada uma faz com que o núcleo libere uma partícula diferente que se move rapidamente (como um fóton ou um elétron). Essas partículas liberadas são um efeito colateral da variação do número atômico ou da massa do elemento, e é a elas que os cientistas geralmente se referem quando falam sobre radiação nuclear, já que essas partículas que se movem rapidamente podem agir como pequenos projéteis que furam o seu corpo. Entretanto, muitas radiações nucleares são inofensivas e podem ser aproveitadas, ocasionalmente, para fornecer novos tipos de ferramentas médicas ou diagnósticas.

Nem todos os elementos passam por um decaimento nuclear ao longo de prazos que podemos observar. Alguns elementos levam milhões de anos para decair. Na verdade, a maioria dos seres vivos é composta principalmente de isótopos de carbono e nitrogênio, os quais têm uma duração tão longa que eles essencialmente nunca vão decair durante a vida do organismo. Isso é necessário porque a função bioquímica de cada um desses átomos está ligada especificamente ao seu número atômico: se um receptor nervoso procura e se liga especificamente a uma molécula de sinalização baseada em carbono, então ele não vai funcionar se esse carbono espontaneamente se transformar em berílio.

Átomos diferentes do mesmo elemento podem ter massas diferentes. Por exemplo, um átomo de carbono (número atômico 6, logo seis prótons) pode ter 6 ou 8 nêutrons. O primeiro caso é mais familiar com as aulas de química, já que que muitos dos elementos leves comuns usados na biologia (como oxigênio, carbono e nitrogênio) têm o número de prótons igual ao de nêutrons. Acontece que o caso em que o carbono tem 6 prótons e 8 nêutrons, embora não tão estável quanto 6 e 6, é estável o suficiente para existir na natureza em quantidades observáveis. Como tanto o átomo com 8 nêutrons no núcleo quanto o átomo com 6 nêutrons são tecnicamente carbonos, os chamamos de diferentes isótopos de carbono.

Como prótons e nêutrons têm aproximadamente a mesma massa, a versão mais comum do carbono é chamada de carbono-12 (6 prótons + 6 nêutrons). O isótopo mais pesado é chamado de carbono-14 (6 prótons + 8 nêutrons). Contudo, quando você olha para a massa do carbono na tabela periódica, você vai ver que a massa é de 12,011 unidades de massa atômica (u). Isso acontece porque se você pesar uma grande quantidade de átomos de carbono, a maioria deles vai pesar exatamente 12 u. Entretanto, dentro dessa grande quantidade você acabaria encontrando um núcleo de carbono-14, o que deixaria a média enviesada para um valor ligeiramente maior que 12.

Por razões profundamente relacionadas às forças fundamentais que agem no núcleo, a tendência de uma substância passar por decaimento nuclear está relacionada tanto ao número atômico quanto à massa atômica de um elemento. Isso significa que dois isótopos diferentes do mesmo elemento terão tendências diferentes de passar por um decaimento nuclear. No caso do carbono, o isótopo carbono-14 tende a decair para virar nitrogênio, enquanto o carbono-12 (que é a maior parte do carbono no seu corpo) tende a permanecer estável.

Como resultado, saber qual isótopo está presente em uma amostra do elemento não nos informa apenas a estabilidade da amostra, mas também o tipo de decaimento pelo qual ela vai passar.

Durante o decaimento alfa, um núcleo de fato se divide em duas partes: um par de prótons ligados a um par de nêutrons (uma coleção de quatro partículas que é essencialmente um núcleo de hélio e é chamada de partícula alfa), e uma parte formada pelo núcleo original menos a partícula. Portanto, podemos escrever uma equação de reação química para o decaimento alfa:

Ra → Rn + He${}^{2+}$‍

O núcleo de rádio (Ra, número atômico 88) se divide no núcleo de hélio (He${}^{2+}$‍, a pequena porção) e um núcleo filho que corresponde ao elemento radônio (Rn, número atômico 86). O risco médico associado à radiação geralmente envolve as altas velocidades com as quais os produtos das reações nucleares se movem. Pense na partícula alfa liberada por essa reação como um pequeno projétil, o qual pode furar tecidos moles como a parede do estômago e dos pulmões. Felizmente, o decaimento alfa tende a liberar produtos de decaimento grandes e lentos, então é fácil se proteger contra esse tipo de radiação.

A reação mostrada acima mostra outro método indireto por meio do qual o decaimento alfa pode representar perigo. O rádio, o elemento do lado esquerdo da seta de reação, pode ser encontrado no subsolo como uma rocha sólida misturada com granito. Contudo, quando ele passa por decaimento alfa ele se transforma em radônio, o qual naturalmente prefere estar na forma de gás. O radônio, então, pode subir pelo solo e chegar às casas das pessoas, onde ele pode ser inspirado e entrar nos pulmões delas e, então, decair novamente, liberando mais partículas alfa (ou outros tipos de radiação) diretamente nos tecidos desprotegidos. Esse método de exposição ao radônio representa um grande fator de risco de câncer de pulmão em diversas partes do mundo.

No decaimento beta, um dos nêutrons do núcleo subitamente se transforma em um próton, causando um aumento no número atômico de um elemento. Lembre-se de que o nome de um elemento é determinado por seu número atômico. O carbono é carbono porque ele tem um número atômico de 6, enquanto o nitrogênio é nitrogênio porque seu número atômico é 7. Isso significa que uma reação que altera o número de prótons no núcleo altera o elemento que, de fato, consideramos que esse núcleo representa. Isso faz do decaimento beta um grande exemplo de como as reações nucleares podem facilmente transformar uma substância em outra.

O produto cloreto de potássio é normalmente vendido como um substituto do sal nos supermercados. Esse produto contém vestígios de potássio-40 (K), o qual tende a passar por decaimento beta e se transformar em cálcio-40 (Ca). Simbolicamente, essa reação seria assim:

K→ Ca + e${}^{-}$‍ + v

Além de transformar seu número atômico, o núcleo cria e libera um elétron (e-) do átomo que serve para contrabalancear a carga positiva recebida por meio da transformação de um nêutron em um próton. Esses elétrons livres emitidos são a “radiação” associada ao decaimento beta. A outra partícula liberada v é uma partícula misteriosa chamada antineutrino, a qual não tem carga e praticamente não tem massa.

Isso significa que se você fosse ao supermercado e comprasse um pote de isótopos potássio-40 (que são propensos ao decaimento beta) e o deixasse sobre a bancada da cozinha durante alguns anos, você acabaria tendo menos potássio do que a quantidade inicial (o cálcio tomaria o lugar do potássio). Esse processo acontece incrivelmente devagar e em número minúsculos no cloreto de potássio vendido no supermercado, portanto o risco de saúde real associado a essa radiação é nulo.

Um tipo de decaimento beta relacionado na verdade diminui o número atômico do núcleo quando um próton se torna um nêutron. Devido à conservação de carga, esse tipo de decaimento beta envolve a liberação de uma partícula carregada chamada de “positron”, que se parece com um elétron e age como um elétron, mas tem uma carga positiva. Como as interações dessa partícula com outros tecidos é facilmente identificável, algumas técnicas de diagnóstico médico por imagem envolvem a injeção proposital de um elemento que tem decaimento beta que libera positrons no paciente e um posterior monitoramento de onde os positrons são emitidos. Quando um decaimento beta cria um positron ele é chamado de decaimento beta positivo, e quando ele cria um elétron ele é chamado de decaimento beta negativo.

Durante o decaimento gama, o núcleo emite radiação sem mudar, de fato, sua composição: começamos com um núcleo com 12 prótons e 12 nêutrons e terminamos com um núcleo com 12 prótons e 12 nêutrons… mas de alguma forma a radiação é liberada no processo!

O núcleo é feito de um arranjo de prótons e nêutrons unidos, mas há diversas formas possíveis de dispor esses prótons e nêutrons. Algumas dessas formas têm uma energia total menor, então um núcleo no qual os prótons estão inicialmente próximos pode se transformar na configuração com menos energia depois de algum tempo.

Lembre-se de que os elétrons que orbitam o núcleo têm níveis de energia e que toda vez que um elétron se move de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo ele emite um fóton. A mesma coisa acontece no núcleo: quando ele se reorganiza em um estado de energia mais baixo, ele emite um fóton altamente energizado conhecido como raio gama.

Os raios gama têm muita energia e são as fontes de radiação mais perigosas, porque os fótons conseguem passar pela maioria dos materiais de proteção comuns e causam danos ao DNA nos tecidos vivos. Mas a radiação gama também tem usos práticos; por exemplo, o elemento tecnécio emite decaimentos gama com energia relativamente baixa que podem ser detectados usando um scanner especializado, o que permite que ele seja usado como elemento traçador para obter imagens de dentro dos corpos dos pacientes.

A radiação às vezes vira notícia no contexto dos riscos associados a longas viagens espaciais. Acontece que estrelas moribundas e as demais coisas estranhas encontradas no espaço geram um monte de tipos exóticos e estranhos de radiação---mesmo além dos tipos descritos acima. Essas partículas incomuns altamente energizadas são chamadas coletivamente de radiação cósmica e em diversas partes do espaço elas consistem principalmente em fótons extremamente energizados, isto é, radiação gama. Lembre-se de que a radiação gama é particularmente perigosa porque os fótons podem passar pela maioria das barreiras e, portanto, penetrar fundo nos tecidos vivos, onde eles podem causar danos internos (e, por fim, câncer).

Em uma nave espacial, os astronautas não têm o benefício total da grossa atmosfera terrestre para protegê-los dos raios cósmicos. Isso significa que toda iniciativa de viagem espacial longa (como, por exemplo, as missões para Marte) vão precisar investir recursos consideráveis para proteger adequadamente as áreas vivas da nave espacial, com materiais resistentes à radiação cósmica. O desenvolvimento de materiais capazes de proteger os astronautas é uma área de pesquisa ativa!