Radioatividade: decaimento radioativo e meia vida

O decaimento radioativo é o fenômeno responsável pela radioatividade: a emissão de radiações nucleares por núcleos instáveis de alguns elementos químicos pesados. Mas como ele acontece? E o mais importante, por quê?

Os núcleos dos átomos são constituídos de prótons, partículas de carga positiva, e nêutrons, que não têm carga. Essas partículas subatômicas permanecem unidas pela força forte, que é muito intensa a curto alcance.

Porém, quando o núcleo de um átomo é muito grande e não tem nêutrons suficientes, a força forte não consegue manter todos os prótons unidos. Isso acontece porque a repulsão entre as cargas positivas dos prótons é muito grande, e a força forte já não é tão forte assim.

Assim, temos um núcleo instável. Esse núcleo instável passa então pelo processo que chamamos de decaimento radioativo, emitindo radiação. A emissão dessa radiação é capaz de alterar o número de prótons de um elemento químico - que é transmutado em outro.

Como acontece o decaimento radioativo?

Os decaimentos podem ser de três tipos: alfa, beta e gama. Cada um deles corresponde à uma partícula radioativa diferente, que altera o núcleo do átomo emissor de acordo com suas características.

Decaimento alfa: nela, o núcleo instável emite uma partícula alfa, que é um núcleo de Hélio. Como sabemos da tabela periódica, o Hélio tem dois prótons e dois nêutrons. Assim, o elemento perde 4 de massa, tendo seu número atômico diminuído em 2.

Decaimento beta: a partícula beta é um elétron ejetado de um nêutron. Como elétrons não têm massa, ela também não tem. O elemento radioativo tem um nêutron transformado em próton, então aumenta seu número atômico em 1.

Cada elemento radioativo passa por um tipo de decaimento a uma certa taxa. Medimos essa taxa de decaimento através do chamado tempo de meia vida, que aparece muito nos vestibulares!

Tempo de meia vida

O tempo de meia vida está relacionado à taxa de decaimento de determinada amostra. Ele é o tempo necessário para que metade da quantidade de átomos do elemento radioativo de uma amostra decaia.

Por exemplo, se há 10 átomos radioativos em uma amostra, o tempo de meia vida será o tempo decorrido até que 5 átomos tenham decaído. Depois, dizemos que mais uma meia vida passou quando 2,5 átomos tenham decaído; depois, 1,25, e assim sucessivamente.

À medida que o decaimento progride, a quantidade de átomos radioativos diminui pela metade, para cada período P. Assim, a relação matemática fica:

Onde n é a quantidade final de átomos na amostra. Já n₀ é a quantidade inicial, e x é o número de períodos de meia vida decorridos. A quantidade de átomos pode ser dada em massa, em mol ou porcentagem, sendo todos diretamente proporcionais.

Essa relação matemática produz um gráfico com o perfil mostrado abaixo, para o Césio-137. Com ele, podemos observar que Césio-137 decai a 50% da amostra inicial ao longo de 30 anos. Assim, sabemos que esse é o tempo de meia vida do Césio-137.

Mas é claro, o Césio não é o único elemento radioativo! Os elementos radioativos na natureza estão em porcentagens bem pequenas, justamente por conta de seu decaimento: quanto mais decaem, menos elementos radioativos há na Terra. Ainda assim, existem isótopos radioativos de vários elementos estáveis da Tabela Periódica.

Elementos radioativos

Veja abaixo. As cores representam os tempos de meia vida dos elementos. Os elementos em cinza são chamados Elementos Primordiais. Esses elementos não são radioativos, têm o tempo de meia vida de bilhões de anos.

Os elementos em verde já são considerados radioativos, pois têm os tempos de meia vida mais curtos. Em amarelo, são os que têm os tempos de meia vida de poucas centenas de anos! Os elementos em azul chegam a ser tão radioativos que têm os tempos de meia vida de cerca de um dia. E o roxo mostra quais são os elemento sintéticos que existem por frações de segundo antes de se desintegrarem.