Radioatividade

Três tipos de radiação ionizante

Um núcleo instável pode se livrar de energia e carga de três formas fundamentalmente diferentes. A radiação alfa e beta já foram distinguidas em 1899 por Ernest Rutherford com base em seu diferente poder de penetração; a radiação gama, ainda mais penetrante e descoberta em 1900 por Paul Villard, foi enquadrada por Rutherford nesse esquema em 1903 — muito antes de se conhecer a natureza exata dos três tipos de radiação.

Comparação do poder de penetração: a radiação alfa já é barrada pela pele ou por papel, a beta precisa de alumínio, a gama só é contida por uma espessa blindagem de chumbo.

Meia-vida

O decaimento radioativo é um processo puramente aleatório no nível de cada núcleo individual — ninguém pode prever exatamente quando um determinado átomo vai decair. Para um grande número de núcleos, no entanto, isso resulta em uma lei estatística exata: em cada intervalo de tempo de igual duração, a meia-vida t_½, decai sempre exatamente a metade dos núcleos ainda existentes — independentemente de quantos havia no início.

As meias-vidas variam enormemente: o polônio-214 decai em um décimo de milissegundo, enquanto o urânio-238 precisa de 4,5 bilhões de anos — quase a idade da Terra. Essa constância torna os isótopos radioativos "relógios" precisos, como no método de datação por radiocarbono.

Séries de decaimento & equilíbrio radioativo

Muitos núcleos pesados não alcançam a estabilidade em uma única etapa. O urânio-238, por exemplo, percorre uma série completa de decaimentos: catorze decaimentos alfa e beta consecutivos, até chegar ao final no chumbo-206 estável. Cada produto intermediário dessa cadeia é, por sua vez, radioativo, com sua própria meia-vida, muitas vezes bem diferente das demais.

O valor de 1,17 minutos é válido para o isômero de vida curta protactínio-234m, que se forma em mais de 99,8 % dos casos; o restante, o protactínio-234 mais duradouro (estado fundamental, meia-vida ≈ 6,7 horas), também chega ao urânio-234, mas por um caminho secundário mais raro.

A primeira etapa dessa cadeia — o decaimento alfa do urânio-238 — mostra como as meias-vidas reagem de forma sensível à física por trás delas. Para que uma partícula alfa (um núcleo de hélio) escape do núcleo de urânio, ela teria, do ponto de vista clássico, que superar a barreira de Coulomb — a repulsão elétrica entre ela e o restante do núcleo, carregado positivamente, para a qual ela não teria energia suficiente. Ainda assim, ela escapa, mas apenas por meio do efeito túnel quântico: uma probabilidade pequena, mas não nula, de atravessar essa barreira a cada tentativa, em vez de superá-la. O quão pequena é essa probabilidade depende de forma extremamente sensível da energia liberada no decaimento — e o urânio-238 libera uma quantidade incomumente pequena (cerca de 4,3 em vez dos até 9 megaelétron-volts (MeV) de outros emissores alfa). Isso torna a barreira comparativamente espessa e a tentativa de tunelamento raríssimas vezes bem-sucedida: um único núcleo de urânio "tenta" um número inimaginável de vezes por segundo, mas quase sempre fracassa — em média estatística, só consegue depois de 4,47 bilhões de anos.

A mesma série de decaimento, mas representada no gráfico de nuclídeos (N em função de Z) em vez de como uma cadeia: cada decaimento alfa salta duas casas para a esquerda e duas para baixo (Z−2, N−2), cada decaimento beta se desloca uma casa para a direita e uma para baixo (Z+1, N−1). Mesma cor = mesmo elemento, independentemente do defeito de massa — U, Po e Pb aparecem várias vezes como isótopos diferentes.