Radioatividade

Em 1896, o francês Henri Becquerel descobriu a radioatividade, ele estudava os efeitos da luz solar sobre determinados materiais fluorescentes, como o minério de urânio. À espera da melhora do tempo, que se apresentava nublado, guardou a amostra do minério numa gaveta. Ao retirá-la, alguns dias mais tarde, Becquerel observou que a pedra havia emitido radiações mesmo no escuro e obteve a primeira prova da existência da radioatividade natural.
Radioatividade é a propriedade que alguns tipos de átomos instáveis apresentam de emitir energia e partículas subatômicas, o que se convenciona chamar de decaimento radioativo ou desintegração nuclear. As teorias físicas modernas atribuem a origem da radioatividade a um grau de instabilidade interna do átomo (nuclídeo pai), que ao se converter em outro átomo (nuclídeo filho) alcança maior estabilidade.

História da radioatividade

Após a descoberta da radioatividade dos minérios de urânio por Becquerel, o casal Pierre e Marie Curie comprovou a existência de outras substâncias com atividade radioativa. Simultaneamente com o alemão Gerhard Carl Schmidt, o casal encontrou alto índice de radioatividade no tório. Mais tarde, ao analisar alguns minérios de urânio, em especial as pechblendas, Marie Curie detectou uma intensidade radioativa maior do que a observada no urânio e supôs que esses minerais continham algum elemento químico radioativo ainda não descoberto. Prosseguindo em suas experiências, os Curie separaram da pechblenda um elemento 400 vezes mais radioativo que o urânio, a que chamaram polônio, em homenagem à terra natal da cientista. Mais tarde, conseguiram isolar a partir da pechblenda outro elemento milhares de vezes mais ativo que o urânio, que denominaram rádio.
A pesquisa de novos materiais radioativos prosseguiu nas décadas seguintes e resultou na descoberta de elementos até então desconhecidos, como o actínio, isolado por André Louis Debierne, em 1899, e por Friedrich Otto Giesel, em 1902, além do mesotório e do radiotório, isótopos do rádio e do tório, respectivamente, descobertos por Otto Hahn.
Os estudos sobre o comportamento dessas substâncias, junto com os avanços da teoria atômica, resultaram, durante as primeiras décadas do século XX, numa nova concepção sobre a estrutura da matéria e derrubaram a idéia de indivisibilidade do átomo enunciada no início do século XIX. A hipótese estabelecida sobre a radioatividade, definida como a desintegração dos átomos, foi reforçada com a descoberta do nêutron por James Chadwick em 1932. Essa nova partícula, de carga elétrica neutra, complementou uma teoria da estrutura atômica que compreende o átomo como uma conjunção equilibrada de dois componentes: o núcleo, composto de nêutrons e prótons, partículas elementares de carga positiva, e os elétrons, partículas fundamentais de carga negativa, distribuídas na região extranuclear e responsáveis pelas propriedades químicas dos elementos. Assim, a radioatividade não é senão a conseqüência de uma perda, por parte do átomo, de alguns de seus componentes, ou a emissão de subpartículas por desequilíbrio dos campos de energia internos.
Em 1934, o casal Frédéric Joliot e Irène Curie (filha de Pierre e Marie Curie) anunciou a descoberta da radioatividade artificial. Eles constataram que alguns núcleos atômicos, bombardeados com determinados tipos de radiações de partículas, tinham sua estrutura interna alterada e passavam a apresentar propriedades radioativas. Os procedimentos de transmutação artificial dos elementos químicos resultaram na obtenção de isótopos artificiais e radioativos da maioria dos átomos conhecidos e na descoberta de numerosos átomos novos, como os transurânicos (netúnio, plutônio, amerício etc).
O emprego de técnicas de transmutação radioativa permite obter elementos químicos artificiais desconhecidos na natureza. De vida extremamente curta, devido a seu caráter fortemente radioativo, esses elementos sofrem imediatas transformações, que os convertem em elementos naturais.

Tipos de radioatividade

Os estudos realizados sobre o fenômeno da radioatividade, a partir do final do século XIX, comprovaram a existência de três tipos de radiações emergentes do interior dos átomos: os raios alfa, os raios beta e os raios gama.

Raios alfa (a). De natureza eletropositiva e identificados como feixes de núcleos de hélio, os raios alfa são altamente energéticos e emitidos pelos elementos radioativos a milhares de quilômetros por segundo. São também chamados partículas alfa. Apesar de seu elevado conteúdo energético, possuem baixa penetrabilidade e são facilmente detidos por folhas de papel, de alumínio e de outros metais.

Raios beta (b). Também chamados de partículas beta, de carga negativa (b+, elétrons) ou positiva (b- , pósitrons), os raios beta são identificados como partículas de alta energia expelidas pelos núcleos de átomos radioativos. Essas partículas não são constituintes do núcleo, mas surgem durante o decaimento beta, quando o núcleo emite elétrons (ou pósitrons) ou captura um elétron orbital para adquirir estabilidade. As partículas beta possuem menor energia que as alfa, mas apresentam maior poder de penetração, razão pela qual ultrapassam a barreira das lâminas metálicas finas usadas para deter as partículas alfa. Para isolar a radiação beta, é necessário usar lâminas muito mais espessas.

Raios gama (g). Eletricamente neutros e constituídos de radiação eletromagnética (fótons) de freqüência superior ao do espectro da luz visível e a dos raios X, os raios gama são emitidos quando os núcleos efetuam transições, por decaimento alfa, de estados excitados para os de energia mais baixa. Sua energia e capacidade de penetração dificultam a manipulação. A excessiva exposição dos tecidos vivos a esses raios ocasiona malformações nas células, que podem provocar efeitos irreversíveis.
Atualmente sabe-se que existem também radiações devidas a fissão espontânea do núcleo, que são observadas em núcleos pesados como os de urânio, plutônio e netúnio. Essa radiação ocorre devido à quebra espontânea do núcleo em dois núcleos mais leves, com liberação de nêutrons.
Os principais métodos de detecção dessas radiações são a câmara de Wilson, que permite efetuar um traçado da trajetória das partículas radioativas num gás saturado de vapor d'água; os contadores Geiger-Müller e de outros tipos, que determinam o número de partículas radioativas que atravessam certa região do espaço; e as câmaras de ionização, generalização dos contadores Geiger-Müller, que distinguem a passagem das partículas por meio de pulsos de carga elétrica que produzem nos dispositivos de detecção.
Propriedades dos materiais radioativos. Após a confirmação das hipóteses enunciadas por Ernest Rutherford e Frederick Soddy, segundo as quais a radioatividade resulta da transmutação de elementos químicos em outros, o próprio Soddy e Kasimir Fajans enunciaram as leis que levam seus nomes e que determinam os produtos finais de uma decomposição radioativa, resumidas na chamada lei do deslocamento radioativo: o átomo radioativo que decai pela emissão de uma partícula alfa se transforma num elemento químico diferente, com dois prótons a menos em seu núcleo e com quatro unidades de massa atômica a menos; se o decaimento resulta da emissão de uma partícula beta, seu número atômico se eleva uma unidade. Por exemplo, uma emissão alfa de urânio produz tório, que por emissão beta produz um átomo de protactínio.
A instabilidade dos núcleos atômicos, espontânea ou induzida, reduz, por emissão de radioatividade, a massa do material radioativo, que se transforma de forma progressiva em outra substância. A velocidade de transmutação de um elemento radioativo é determinada pela constante de desintegração, ou tempo de vida, valor que mede a probabilidade de um átomo radioativo sofrer uma transformação na unidade de tempo considerada, e o tempo de meia-vida (semidesintegração), definido como o tempo necessário para que uma quantidade de substância radioativa reduza sua massa à metade.
A natureza probabilística da desintegração radioativa conduz à definição do conceito de meia-vida dos elementos -- a média aritmética dos tempos de vida dos átomos do elemento radioativo antes de sofrerem decaimento. Os períodos de semidesintegração oscilam entre milésimos de segundos (por exemplo, nas variedades do polônio e o astato) e bilhões de anos (como nos isótopos mais estáveis do urânio e do tório).
As transformações sofridas pelos elementos radioativos, existentes na natureza num total de aproximadamente quarenta, permitem agrupá-los em três séries, chamadas séries de desintegração radioativa, nas quais os elementos se convertem uns nos outros por sucessivas emissões alfa e beta (a emissão gama não produz intrinsecamente alterações nucleares):
(1) Série do urânio, a partir do isótopo 238 do urânio e cujos primeiros elementos são o tório (234), o protactínio (234), o urânio (234), o tório (230), o rádio (226) e o radônio (222). O átomo final da série é o chumbo (206), não radioativo.
(2) Série do tório, iniciada com o isótopo 232 do tório e seguida de rádio (228), actínio (228), tório (228), rádio (224) e outros átomos, até terminar com o chumbo estável (208).
(3) Série do actínio, a partir do isótopo 235 do urânio, que se transforma sucessivamente em tório (231), protactínio (231), actínio (227), tório (227), frâncio (223) etc, até finalizar no chumbo estável (207). Esta seqüência é empregada nos processos de fusão ou ruptura nuclear.
Há ainda uma quarta série, a série do netúnio, que começa com o isótopo 237 do netúnio, que tem meia-vida de dois milhões de anos. Os elementos que integram essa série não ocorrem naturalmente; são produzidos artificialmente por reações nucleares. Nas séries radioativas, as emissões alfa reduzem em quatro unidades a massa atômica de um isótopo, expressa entre parênteses, enquanto que na emissão beta se conserva a massa atômica e se modifica somente a natureza dos átomos.?

Efeitos biológicos da radioatividade

A atividade de uma substância radioativa é determinada pelo número de transformações que ela sofre por unidade de tempo. A unidade internacional estabelecida para medir essa grandeza, denominada curie (Ci), se define como a quantidade de substância radioativa que produz o mesmo número de desintegrações que um grama de rádio e equivale a 3,7 x 1010 desintegrações por segundo.
A radiação gama, de efeitos extremamente nocivos para a vida, se mede em röntgen (R), como os raios X. Essa unidade é definida como a quantidade de radiação capaz de produzir um determinado número de íons (átomos com carga elétrica) numa certa quantidade de ar, sob condições fixas de temperatura e pressão. O rad é a unidade de medida de exposição local à radiação e equivale a cem ergs por grama.
O efeito biológico causado pela irradiação prolongada do corpo humano se avalia segundo o fator de qualidade da radiação (Q), que estabelece quantas vezes o efeito biológico causado por um dado tipo de radiação excede aquele provocado pela radiação gama de mesma dose. A dose equivalente (DEQ), cuja unidade é o rem, se define como a quantidade de radiação que causa o mesmo efeito biológico que uma dose de um rad de raios X ou radiação gama.

Efeitos da radioatividade em uma pessoa

O limite aceitável de radioatividade para o corpo humano é de aproximadamente meio rem por semana. A tolerância de radioatividade varia ligeiramente entre os organismos vivos, mas uma dose generalizada de centenas de rem ocasiona sempre graves lesões e mesmo a morte. A administração local de uma radiação de milhares de rem, porém, contribui para eliminar tumores de pele e de outros órgãos do corpo.

Aplicações da radioatividade

A radioatividade tem três campos de aplicação para fins pacíficos: médico, quando se aproveita sua capacidade de penetração e perfeita definição do feixe emitido para o tratamento de tumores e diversas doenças da pele e dos tecidos em geral; industrial, nas áreas de obtenção de energia nuclear mediante procedimentos de fissão ou ruptura de átomos pesados; e científico, para o qual fornece, com mecanismos de bombardeamento de átomos e aceleração de partículas, meios de aperfeiçoar o conhecimento sobre a estrutura da matéria nos níveis de organização subatômica, atômica e molecular.
Materiais radioativos são utilizados também na fabricação de substâncias fluorescentes e de relógios científicos, que se baseiam nos fundamentos da geocronologia e da cosmocronologia para obter medidas precisas de tempo.

Dr° Rick Júnior