Nick Connor

Um dosímetro pessoal eletrônico é um dosímetro moderno, que pode fornecer uma leitura contínua da dose cumulativa e da taxa de dose atual e pode avisar a pessoa que o usa quando uma taxa de dose especificada ou uma dose cumulativa é excedida. Os EPDs são especialmente úteis em áreas de altas doses, onde o tempo de permanência do usuário é limitado devido a restrições de dose.

DMC 3000 – Mirion Technologies Inc.

O DMC 3000 é um dosímetro de radiação electrónica, EPD, que fornece a dose e taxa de dose ambiente leituras para a dose de profundidade equivalente H _p (10). É um dos EPDs mais utilizados no mercado. Ele usa um detector de chip Si com sensibilidade gama de 180 cps / R / h. Este dosímetro pessoal eletrônico possui as seguintes características:

• Resposta energética (raios X e gama) de 15 keV a 7 Mev.
• Faixa de exibição da medição da dose: entre 1 μSv e 10 Sv.
• Faixa de exibição da medição de taxa: entre 10 μSv / h e 10 Sv / h.

O dispositivo mede 3,3 x 1,9 x 0,7 polegadas e tem opções para ser preso ao bolso, cinto ou corda. É alimentado por baterias recarregáveis ​​ou AAA, com uma autonomia de até 2.500 horas de uso contínuo. Indicadores sonoros e visuais sinalizam uma condição de bateria fraca. O dispositivo possui uma tela LCD de oito dígitos com luz de fundo; navegação com dois botões; e indicadores visuais de LED, alarmes sonoros e vibratórios. A calibração deve durar 9 meses em uso rotineiro e 2 anos em armazenamento. Os dados são armazenados na memória não volátil. A faixa de operação do dosímetro é de 14 ° F a 122 ° F e até 90% de umidade relativa. É testado em queda para 1,5 metros. O DMC 3000 possui módulos externos opcionais que expandem os recursos de detecção e comunicação do dispositivo. Isso inclui um módulo beta que fornece H _p(0,07) para medição da radiação beta; um módulo de neutrões que fornece H _p medição de radiação (10) de neutrões; e um módulo de telemetria que permite a transmissão de dados para uma estação externa.

Consulte também: Os dosímetros de radiação para o relatório de pesquisa de mercado de resposta e recuperação. Laboratório Nacional de Tecnologia de Segurança Urbana. SAVER-T-MSR-4. <disponível em: https://www.dhs.gov/sites/default/files/publications/Radiation-Dosimeter-Response-Recovery-MSR_0616-508_0.pdf>.

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Um dosímetro pessoal eletrônico é um dosímetro moderno, que pode fornecer uma leitura contínua da dose cumulativa e da taxa de dose atual e pode avisar a pessoa que o usa quando uma taxa de dose especificada ou uma dose cumulativa é excedida. Os EPDs são especialmente úteis em áreas de altas doses, onde o tempo de permanência do usuário é limitado devido a restrições de dose.

Características dos EPDs – Princípio de Operação

O dosímetro pessoal eletrônico, EPD, é capaz de exibir uma leitura direta da dose ou taxa de dose detectada em tempo real. Dosímetros eletrônicos podem ser usados ​​como um dosímetro suplementar e também como um dosímetro primário. Os dosímetros passivos e os dosímetros pessoais eletrônicos são frequentemente usados ​​juntos para se complementarem. Para estimar doses efetivas, os dosímetros devem ser usados ​​em uma posição do corpo representativa de sua exposição, geralmente entre a cintura e o pescoço, na frente do tronco, de frente para a fonte radioativa. Os dosímetros geralmente são usados ​​na parte externa da roupa, ao redor do tórax ou do tronco para representar a dose para o “corpo inteiro”. Dosímetros também podem ser usados ​​nas extremidades ou perto do olho para medir a dose equivalente a esses tecidos.

O dosímetro pode ser redefinido, geralmente após uma leitura para fins de registro e, assim, reutilizado várias vezes. Os EPDs têm uma tela montada na parte superior para facilitar a leitura quando eles estão presos no bolso do peito. O visor digital fornece informações sobre dose e taxa de dose, geralmente em mSv e mSv / h. O EPD possui um alarme de taxa de dose e um alarme de dose . Esses alarmes são programáveis. Diferentes alarmes podem ser definidos para diferentes atividades.

Por exemplo:

• alarme de taxa de dose a 100 μSv / h,
• alarme de dose: 100 μSv.

Se um ponto de ajuste de alarme for alcançado, o display relevante piscará junto com uma luz vermelha e será gerado um ruído agudo. Você pode apagar o alarme da taxa de dose recuando para um campo de radiação mais baixo, mas não pode apagar o alarme de dose até chegar a um leitor de EPD. Os EPDs também podem emitir um sinal sonoro para cada 1 ou 10 μSv registrado. Isso fornece uma indicação audível dos campos de radiação. Alguns EPDs possuem recursos de comunicação sem fio. Os EPDs são capazes de medir uma ampla faixa de doses de radiação, desde níveis de rotina (μSv) até níveis de emergência (centenas de mSv ou unidades de Sieverts) com alta precisão, e podem exibir a taxa de exposição e os valores acumulados de exposição. Das tecnologias dos dosímetros, os dosímetros pessoais eletrônicos são geralmente os mais caros, os maiores em tamanho e os mais versáteis.

A detecção de nêutrons é muito específica, uma vez que os nêutrons são partículas eletricamente neutras;  portanto, estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Conversores de nêutrons

Dois tipos básicos de interações de nêutrons com a matéria estão disponíveis para esse fim:

• Espalhamento elástico . O nêutron livre pode ser espalhado por um núcleo, transferindo parte de sua energia cinética para o núcleo. Se o nêutron tiver energia suficiente para dispersar os núcleos, o núcleo de recuo ioniza o material ao redor do conversor. De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. A carga produzida dessa maneira pode ser coletada pelo detector convencional para produzir um sinal detectado. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos (os nêutrons rápidos não possuem uma seção transversal alta para absorção), permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador .
• Absorção de nêutrons . Este é um método comum que permite a detecção de nêutrons de todo o espectro de energia . Este método baseia-se em várias reações de absorção ( captura de radiação , fissão nuclear , reações de rearranjo, etc.). O nêutron é aqui absorvido pelo material alvo (conversor) que emite partículas secundárias , como prótons, partículas alfa, partículas beta, fótons ( raios gama ) ou fragmentos de fissão. Algumas reações são reações limiares (exigindo uma energia mínima de nêutrons), mas a maioria das reações ocorre nas energias epitérmica e térmica. Isso significa que a moderação dos nêutrons rápidos é necessária, levando a informações de energia insuficiente dos nêutrons. Os núcleos mais comuns para o material conversor de nêutrons são:
  • ¹⁰ B (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 3820 celeiros e o boro naturalpossui abundância de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Ele (n, p). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 5350 celeiros e o hélio natural possui abundância de ³ He 0,014%.
  • ⁶ Li (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 925 celeiros e o lítio natural tem abundância de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 20820 celeiros e o cádmio naturalpossui abundância de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fissão). Onde a seção de fissão para nêutrons térmicos é σ = 585 celeiros e o urânio natural tem abundância de ²³⁵ U 0,711%. O urânio como conversor produz fragmentos de fissão que são partículas carregadas pesadas. Isso tem uma vantagem significativa. As partículas carregadas pesadas (fragmentos de fissão) criam um sinal de saída alto, porque os fragmentos depositam uma grande quantidade de energia em um volume sensível ao detector. Isso permite uma discriminação fácil da radiação de fundo (radiação ei gama). Esta característica importante pode ser usada, por exemplo, em uma medição de potência de reator nuclear, em que o campo de nêutrons é acompanhado por um fundo gama significativo.

Detecção de nêutrons térmicos

Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F). A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro em reatores térmicos .

Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção de nêutrons eficaz diferente e muitas vezes muito maior ( fissão ou captura radiativa ) para um determinado nuclídeo que os nêutrons rápidos.

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Nos reatores nucleares, os detectores de ionização gasosa são os mais comuns, pois são muito eficientes, confiáveis ​​e cobrem uma ampla gama de fluxos de nêutrons. Vários tipos de detectores de ionização gasosa constituem o chamado  sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator  detectando vazamentos de nêutrons  do núcleo do reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por 0,48 MeV 

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

Câmara de fissão – detectores de ampla faixa

As câmaras de fissão  são detectores de ionização usados ​​para detectar nêutrons. As câmaras de fissão podem ser usadas como detectores de faixa intermediária para monitorar o fluxo de nêutrons (potência do reator) no nível do fluxo intermediário. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator. O design deste instrumento é escolhido para fornecer sobreposição entre os canais da faixa da fonte e a amplitude total dos instrumentos da faixa de potência.

No caso de câmaras de  fissão , a câmara é revestida com uma fina camada de urânio 235 altamente enriquecido   para detectar nêutrons. Os nêutrons  não ionizam diretamente  e geralmente precisam ser  convertidos  em partículas carregadas antes de serem detectadas. Um  nêutron térmico  causará a fissão de um átomo de urânio-235  , com os dois  fragmentos de fissão  produzidos com alta  energia cinética  e causando ionização do gás argônio no detector. Uma vantagem do uso de revestimento de urânio-235 em vez do boro-10 é que os fragmentos de fissão têm uma energia muito maior do que a partícula alfa de uma reação de boro. Portanto As câmaras de fissão  são  muito sensíveis  ao fluxo de nêutrons e isso permite que as câmaras de fissão operem em  campos gama mais altos do  que uma câmara de íons descompensada com revestimento de boro.

Folhas de ativação e fios de fluxo

Os nêutrons podem ser detectados usando folhas de ativação e fios de fluxo . Este método é baseado na ativação de nêutrons, onde uma amostra analisada é primeiro irradiada com nêutrons para produzir radionuclídeos específicos . O decaimento radioativo desses radionuclídeos produzidos é específico para cada elemento (nuclídeo). Cada nuclídeo emite os raios gama característicos que são medidos usando espectroscopia gama , onde os raios gama detectados em uma energia específica são indicativos de um radionuclídeo específico e determinam as concentrações dos elementos.

Os materiais selecionados para folhas de ativação são, por exemplo:

• índio,
• ouro,
• ródio,
• ferro
• alumínio  
• nióbio

Esses elementos têm grandes seções transversais para a captura radiativa de nêutrons . O uso de múltiplas amostras de absorvedores permite a caracterização do espectro de energia de nêutrons. A ativação também permite a recreação de uma exposição histórica a nêutrons. Os dosímetros de acidentes por criticidade comercialmente disponíveis geralmente utilizam esse método. Medindo a radioatividade de folhas finas, podemos determinar a quantidade de nêutrons a que as folhas foram expostas.

Os fios de fluxo podem ser usados ​​em reatores nucleares para medir os perfis de fluxo de nêutrons do reator. Princípios são os mesmos. O fio ou a folha é inserido diretamente no núcleo do reator , permanece no núcleo pelo período de tempo necessário para a ativação no nível desejado. Após a ativação, o fio ou a película de fluxo é rapidamente removido do núcleo do reator e a atividade é contada. As folhas ativadas também podem discriminar os níveis de energia, colocando uma cobertura sobre a folha para filtrar (absorver) certos nêutrons do nível de energia. Por exemplo, o cádmio é amplamente utilizado para absorver nêutrons térmicos em filtros de nêutrons térmicos.

Detecção de nêutrons rápidos

Nêutrons rápidos são nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s). Nos reatores nucleares, esses nêutrons são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para fissão de 235U ) 2 MeV. Dentro de um reator nuclear, os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado moderação de nêutrons . Esses nêutrons também são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n).

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Mas é preciso acrescentar que a detecção de nêutrons rápidos é uma disciplina muito sofisticada, pois a seção transversal dos nêutrons rápidos é muito menor do que na faixa de energia dos nêutrons lentos. Os nêutrons rápidos são frequentemente detectados pela moderação (desaceleração) das energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas.

Recoil de prótons – detectores de recuo

O tipo mais importante de detectores para nêutrons rápidos são aqueles que detectam diretamente partículas de recolhimento , em particular prótons de recolhimento resultantes da dispersão elástica (n, p). De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. Neste último caso, as partículas de recuo são detectadas em um detector. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos, permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador . Este método permite que a energia do nêutron seja medida juntamente com a fluência do nêutron, ou seja, o detector pode ser usado como um espectrômetro. Os detectores rápidos de nêutrons típicos são cintiladores líquidos, detectores de gás nobre à base de hélio-4 e detectores de plástico (cintiladores). Por exemplo, o plástico tem um alto teor de hidrogênio, portanto, é útil para detectores rápidos de nêutrons , quando usado como cintilador.

Espectrômetro de esferas Bonner

Existem vários métodos para detectar nêutrons lentos e poucos métodos para detectar nêutrons rápidos. Portanto, uma técnica para medir nêutrons rápidos é convertê-los em
nêutrons lentos e depois medir os nêutrons lentos. Um dos métodos possíveis é baseado nas esferas de Bonner . O método foi descrito pela primeira vez em 1960 por Ewing e Tom W. Bonner e emprega detectores térmicos de nêutrons (geralmente cintiladores inorgânicos como o ⁶ LiI) embutidos em esferas moderadoras de tamanhos diferentes.  As esferas de Bonner têm sido amplamente utilizadas para a medição de espectros de nêutrons com energias de nêutrons variando de térmicas a pelo menos 20 MeV. Um espectrômetro de nêutrons de esfera Bonner (BSS) consiste em um detector de nêutrons térmicos, um conjunto de invólucros esféricos de polietilenoe duas cascas de chumbo opcionais de vários tamanhos. Para detectar nêutrons térmicos, um detector de ³ He ou cintiladores inorgânicos como ⁶ LiI podem ser usados. Os cintiladores LiGlass são muito populares na detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Detecção de nêutrons usando o contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Nêutrons . Como os nêutrons são  partículas eletricamente neutras,  elas estão sujeitas principalmente a  fortes forças nucleares,  mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são  diretamente ionizantes  e geralmente precisam ser  convertidos  em partículas carregadas antes de serem detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).  Os nêutrons rápidos  (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo,  cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos  dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores 6LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Interações de nêutrons com matéria

Os nêutrons são partículas neutras; portanto, eles viajam em linhas retas , desviando-se do caminho apenas quando colidem com um núcleo para serem dispersos em uma nova direção ou absorvidos. Nem os elétrons que cercam (nuvem de elétrons atômicas) um núcleo nem o campo elétrico causado por um núcleo carregado positivamente afetam o vôo de um nêutron. Em resumo, os nêutrons colidem com núcleos , não com átomos. Uma característica muito descritiva da transmissão de nêutrons através da matéria a granel é o comprimento médio do caminho livre ( λ – lambda ), que é a distância média que um nêutron viaja entre interações. Pode ser calculado a partir da seguinte equação:

λ = 1 / Σ

Os nêutrons podem interagir com os núcleos de uma das seguintes maneiras:

Existem várias formas e tipos de radiação ionizante. A radiação ionizante é categorizada pela natureza das partículas ou ondas eletromagnéticas que criam o efeito ionizante. Essas partículas / ondas têm diferentes mecanismos de ionização e podem ser agrupadas como:

• Ionizante direto . Partículas carregadas ( núcleos atômicos, elétrons, pósitrons, prótons, múons etc. ) podem ionizar átomos diretamente por interação fundamental através da força de Coulomb, se transportarem energia cinética suficiente. Essas partículas devem estar se movendo em velocidades relativísticas para alcançar a energia cinética necessária. Mesmo os fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
  • Radiação alfa . A radiação alfa consiste em partículas alfa em alta energia / velocidade. A produção de partículas alfa é denominada decaimento alfa. As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. Eles viajam apenas alguns centímetros, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos.
  • Radiação beta . A radiação beta consiste em elétrons livres ou pósitrons em velocidades relativísticas. As partículas beta (elétrons) são muito menores que as partículas alfa. Eles carregam uma única carga negativa. Eles são mais penetrantes que as partículas alfa, mas o metal fino de alumínio pode detê-las. Eles podem percorrer vários metros, mas depositam menos energia em qualquer ponto do caminho do que as partículas alfa.
• Ionizando indiretamente . A radiação ionizante indireta é partículas eletricamente neutras e, portanto, não interage fortemente com a matéria. A maior parte dos efeitos de ionização é devida a ionizações secundárias.
  • Radiação de fótons ( raios gama ou X). A radiação de fótons consiste em fótons de alta energia . Esses fótons são partículas / ondas (Dualidade de Partículas de Onda) sem massa de repouso ou carga elétrica. Eles podem viajar 10 metros ou mais no ar. Esta é uma longa distância em comparação com partículas alfa ou beta. No entanto, os raios gama depositam menos energia ao longo de seus caminhos. Chumbo, água e concreto impedem a radiação gama. Os fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, onde é produzido o elétron relativamente energético. O elétron secundário continuará produzindo múltiplos eventos de ionização ; portanto, a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
  • Radiação de nêutrons . A radiação de nêutrons consiste em nêutrons livres em qualquer energia / velocidade. Os nêutrons podem ser emitidos por fissão nuclear ou pela decomposição de alguns átomos radioativos. Os nêutrons têm carga elétrica zero e não podem causar ionização diretamente. Os nêutrons ionizam a matéria apenas indiretamente . Por exemplo, quando os nêutrons atingem os núcleos de hidrogênio, ocorre radiação de prótons (prótons rápidos). Os nêutrons podem variar de partículas de alta velocidade e alta energia a partículas de baixa velocidade e baixa energia (chamados nêutrons térmicos). Os nêutrons podem viajar centenas de pés no ar sem nenhuma interação.

Estabilidade nuclear é um conceito que ajuda a identificar a estabilidade de um isótopo. Para identificar a estabilidade de um isótopo, é necessário encontrar a proporção de nêutrons para prótons. Para determinar a estabilidade de um isótopo, você pode usar a razão nêutron / próton (N / Z). Também para ajudar a entender esse conceito, existe um gráfico dos nuclídeos, conhecido como gráfico de Segre. Este gráfico mostra um gráfico dos nuclídeos conhecidos em função de seus números atômicos e de nêutrons. Pode-se observar no gráfico que existem mais nêutrons do que prótons em nuclídeos com Z maior que cerca de 20 (cálcio). Esses nêutrons extras são necessários para a estabilidade dos núcleos mais pesados. O excesso de nêutrons age como uma cola nuclear.Veja também: Livechart – iaea.org

Os núcleos atômicos consistem em prótons e nêutrons, que se atraem através da força nuclear , enquanto os prótons se repelem através da força elétrica devido à sua carga positiva. Essas duas forças competem, levando a várias estabilidade dos núcleos. Existem apenas certas combinações de nêutrons e prótons, que formam núcleos estáveis .

Os nêutrons estabilizam o núcleo , porque se atraem e prótons, o que ajuda a compensar a repulsão elétrica entre os prótons. Como resultado, à medida que o número de prótons aumenta, é necessária uma proporção crescente de nêutrons para prótons para formar um núcleo estável. Se houver muitos ou poucos nêutrons para um dado número de prótons, o núcleo resultante não é estável e sofre decaimento radioativo . Isótopos instáveis decaem através de várias vias de decaimento radioativo, mais comumente decaimento alfa, decaimento beta ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de deterioração, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos. Note-se que todas essas vias de decaimento podem ser acompanhadas pela emissão subsequente deradiação gama . Decaimentos alfa ou beta puros são muito raros.

Estabilidade Nuclear – Tabela Periódica

Dos 82 primeiros elementos da tabela periódica, 80 têm isótopos considerados estáveis. O tecnécio, o promécio e todos os elementos com um número atômico acima de 82 são instáveis ​​e se decompõem por meio de decomposição radioativa. Não se espera que elementos pesados ​​não descobertos (com número atômico acima de 110) sejam estáveis; portanto, o chumbo é considerado o elemento estável mais pesado. Para cada um dos 80 elementos estáveis, é fornecido o número de isótopos estáveis. Por exemplo, o estanho possui 10 desses isótopos estáveis.

Existem 80 elementos com pelo menos um isótopo estável, mas 114 a 118 elementos químicos são conhecidos. Todos os elementos do elemento 98 são encontrados na natureza e o restante dos elementos descobertos é produzido artificialmente, com todos os isótopos conhecidos por serem altamente radioativos com meias-vidas relativamente curtas.

Bismuto, tório, urânio e plutônio são nuclídeos primordiais porque têm meia-vida longa o suficiente para serem encontrados na Terra, enquanto todos os outros são produzidos por decaimento radioativo ou sintetizados em laboratórios e reatores nucleares . Nuclídeos primordiais são nuclídeos encontrados na Terra que existem em sua forma atual desde antes da formação da Terra. Nuclídeos primordiais são resíduos do Big Bang, de fontes cosmogênicas e de antigas explosões de supernovas que ocorreram antes da formação do sistema solar. Apenas 288 desses nuclídeos são conhecidos.

Conexão entre estabilidade nuclear e decaimento radioativo

Os núcleos dos radioisótopos são instáveis. Numa tentativa de alcançar uma disposição mais estável dos seus neutrões e os protões, o núcleo instável vai espontaneamente decair para formar um núcleo diferente. Se o número de nêutrons mudar no processo (o número de prótons permanece), um isótopo diferente é formado e um elemento permanece (por exemplo, emissão de nêutrons). Se o número de prótons mudar (número atômico diferente) no processo, um átomo de um elemento diferente é formado. Essa decomposição do núcleo é chamada de decaimento radioativo. Durante o decaimento radioativo, um núcleo instável decompõe-se espontaneamente e aleatoriamenteformar um núcleo diferente (ou um estado de energia diferente – decaimento gama), emitindo radiação na forma de partículas atômicas ou raios de alta energia. Esse decaimento ocorre a uma taxa constante e previsível, denominada meia-vida. Um núcleo estável não sofrerá esse tipo de decaimento e, portanto, não será radioativo.

O que é radiação

A definição mais geral é que radiação é energia que vem de uma fonte e viaja através de algum material ou através do espaço. Luz, calor e som são tipos de radiação. Essa é uma definição muito geral, o tipo de radiação discutido neste artigo é chamado radiação ionizante . A maioria das pessoas conecta o termo radiação apenas com radiação ionizante, mas não está correto. A radiação está à nossa volta. Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma força de energia natural que nos rodeia. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. Devemos distinguir entre:

• Radiação não ionizante . A energia cinética das partículas ( fótons , elétrons, etc. ) da radiação não ionizante é muito pequena para produzir íons carregados ao passar pela matéria. As partículas (fótons) possuem apenas energia suficiente para alterar as configurações de valência rotacional, vibracional ou eletrônica das moléculas e átomos alvo. Luz solar, ondas de rádio e sinais de telefone celular são exemplos de radiação não ionizante (fóton). No entanto, ainda pode causar danos , como quando você queima uma queimadura de sol.

• Radiação ionizante . A energia cinética das partículas ( fótons, elétrons, etc. ) da radiação ionizante é suficiente e a partícula pode ionizar (formar íons pela perda de elétrons) atingir átomos para formar íons. A radiação simplesmente ionizante pode destruir elétrons de um átomo.

A fronteira não é bem definida, pois diferentes moléculas e átomos ionizam em energias diferentes. Isso é típico para ondas eletromagnéticas. Entre as ondas eletromagnéticas pertencem, em ordem crescente de frequência (energia) e comprimento de onda decrescente: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama. Raios gama , raios X e a parte ultravioleta mais alta do espectro são ionizantes, enquanto os raios ultravioleta mais baixos, luz visível (incluindo luz laser), infravermelho, microondas e ondas de rádio são considerados radiação não ionizante.

Formas de radiação ionizante

A radiação ionizante é categorizada pela natureza das partículas ou ondas eletromagnéticas que criam o efeito ionizante. Essas partículas / ondas têm diferentes mecanismos de ionização e podem ser agrupadas como:

• Ionizante direto . Partículas carregadas ( núcleos atômicos, elétrons, pósitrons, prótons, múons etc. ) podem ionizar átomos diretamente por interação fundamental através da força de Coulomb, se transportarem energia cinética suficiente. Essas partículas devem estar se movendo em velocidades relativísticas para alcançar a energia cinética necessária. Mesmo os fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
  • Radiação alfa . A radiação alfa consiste em partículas alfa em alta energia / velocidade. A produção de partículas alfa é denominada decaimento alfa. As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. Eles viajam apenas alguns centímetros, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos.
  • Radiação beta . A radiação beta consiste em elétrons livres ou pósitrons em velocidades relativísticas. As partículas beta (elétrons) são muito menores que as partículas alfa. Eles carregam uma única carga negativa. Eles são mais penetrantes que as partículas alfa, mas o metal fino de alumínio pode detê-las. Eles podem percorrer vários metros, mas depositam menos energia em qualquer ponto do caminho do que as partículas alfa.
• Ionizando indiretamente . A radiação ionizante indireta é partículas eletricamente neutras e, portanto, não interage fortemente com a matéria. A maior parte dos efeitos de ionização é devida a ionizações secundárias.
  • Radiação de fótons ( raios gama ou raios X). A radiação de fótons consiste em fótons de alta

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Núcleos Estáveis ​​- Núcleos Instáveis

Uma estabilidade nuclear é determinada pela competição entre duas interações fundamentais. Os núcleos atômicos consistem em prótons e nêutrons, que se atraem através  da  força nuclear , enquanto os prótons se repelem através  da força eletromagnética  devido à sua carga positiva. Essas duas forças competem, levando a várias estabilidade dos núcleos. Existem apenas certas combinações de nêutrons e prótons, que formam  núcleos estáveis . Os nêutrons estabilizam o núcleo , porque se atraem e prótons, o que ajuda a compensar a repulsão elétrica entre os prótons. Como resultado, à medida que o número de prótons aumenta,  é necessária uma proporção crescente de nêutrons para prótons para formar um núcleo estável. Se houver muitos ( nêutrons também obedecem ao princípio de exclusão de Pauli ) ou poucos nêutrons para um determinado número de prótons, o núcleo resultante não é estável e sofre  decaimento radioativo . Isótopos instáveis  decaem através de várias vias de decaimento radioativo, mais comumente decaimento alfa, decaimento beta ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de deterioração, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos.

O  princípio de exclusão de Pauli  também influencia a  energia crítica  dos  núcleos físseis  e  fissionáveis . Por exemplo, actinídeos com número ímpar de nêutrons são usualmente físseis (fissionáveis ​​com nêutrons lentos) enquanto actinídeos com número par nêutron geralmente não são físseis (mas são fissionáveis ​​com nêutrons rápidos). Núcleos pesados ​​com um número par de prótons e um número par de nêutrons são (devido ao princípio de exclusão de Pauli) muito estáveis ​​graças à ocorrência de ‘spin emparelhado’. Por outro lado, núcleos com um número ímpar de prótons e nêutrons são na maioria instáveis.

Números mágicos de prótons e nêutrons

Um número mágico é um número de núcleons em um núcleo , que corresponde a conchas completas dentro do núcleo atômico. Núcleos atômicos que consistem em um número mágico de núcleons têm uma energia de ligação média mais alta por núcleo do que seria de esperar com base em previsões como a fórmula de massa de von Weizsaecker (também chamada de fórmula de massa semi-empírica – SEMF ) e, portanto, são mais estáveis contra a decadência nuclear. Números mágicos são previstos pelo modelo de reservatório nucleare são comprovadas por observações que mostram que há descontinuidades repentinas nas energias de separação de prótons e nêutrons em valores específicos de Z e N. Elas correspondem ao fechamento de conchas (ou subcascas). Núcleos com conchas fechadas são mais fortemente ligados que o próximo número mais alto. O fechamento das conchas ocorre em Z ou N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. Verificou-se que núcleos com números pares de prótons e nêutrons são mais estáveis ​​do que aqueles com números ímpares. Núcleos que possuem número de nêutrons e número de prótons iguais a um dos números mágicos podem ser chamados de ” duplamente mágicos ” e são particularmente estáveis.Existem outras propriedades especiais de núcleos, que possuem um número mágico de núcleons:

1. Maior abundância na natureza. Por exemplo, o hélio-4 está entre os núcleos mais abundantes (e estáveis) do universo.
2. Todos os elementos estáveis ​​no final da série de decaimento têm um “número mágico” de nêutrons ou prótons. Os núcleos He-4, O-16 e Pb-208 (82 prótons e 126 nêutrons) que contêm números mágicos de nêutrons e prótons são particularmente estáveis. A estabilidade relativa desses núcleos lembra a dos átomos de gás inerte (invólucros de elétrons fechados).
3. Núcleos com N = número mágico têm seções transversais de absorção de nêutrons muito mais baixas do que os isótopos vizinhos.
4. Esses núcleos parecem ter uma forma perfeitamente esférica; eles têm zero momentos elétricos quadripolar.
5. Núcleos de número mágico têm maior energia de primeira excitação.

Núcleos Instáveis ​​- Modos de Decaimento

O decaimento nuclear ( decaimento radioativo) ocorre quando um átomo instável perde energia emitindo radiação ionizante . O decaimento radioativo é um processo aleatório  no nível de átomos únicos, pois, segundo a teoria quântica, é impossível prever quando um átomo em particular decairá. Durante o decaimento radioativo, um núcleo instável se decompõe espontaneamente e aleatoriamente para formar um núcleo diferente (ou um estado de energia diferente – decaimento gama), emitindo radiação na forma de partículas atômicas ou raios de alta energia. Esse decaimento ocorre a uma taxa constante e previsível, denominada meia-vida. Um núcleo estável não sofrerá esse tipo de decaimento e, portanto, não será radioativo. Existem muitos modos de decaimento radioativo:

• Radioatividade alfa . Decaimento alfa é a emissão de partículas alfa (núcleos de hélio). As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. Devido à sua massa muito grande (mais de 7000 vezes a massa da partícula beta) e à sua carga, ela ioniza material pesado e tem um alcance muito curto .
• Radioatividade beta . O decaimento beta é a emissão de partículas beta . As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos tipos de núcleos radioativos, como o potássio-40. As partículas beta têm maior alcance de penetração do que as partículas alfa, mas ainda muito menos que os raios gama. As partículas beta emitidas são uma forma de radiação ionizante, também conhecida como raios beta. A produção de partículas beta é denominada decaimento beta.
• Radioatividade gama . A radioatividade gama consiste em raios gama. Os raios gama são radiação eletromagnética (fótons de alta energia) de frequência muito alta e de alta energia. Eles são produzidos pela decadência dos núcleos à medida que passam de um estado de alta energia para um estado inferior, conhecido como decaimento gama. A maioria das reações nucleares é acompanhada por emissão gama.
• Emissão de nêutrons . A emissão de nêutrons é um tipo de decaimento radioativo de núcleos contendo excesso de nêutrons (especialmente produtos de fissão), nos quais um nêutron é simplesmente ejetado do núcleo. Esse tipo de radiação desempenha papel fundamental no controle do reator nuclear , porque esses nêutrons são nêutrons atrasados .

A taxa de decaimento nuclear também é medida em termos de  meia-vida . A meia-vida é a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. As meias-vidas variam de  milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos  a  bilhões de anos para materiais de longa duração  (como o urânio que ocorre naturalmente  ). Observe que  meia-vida curta segue grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo (no momento da produção), mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente. Não importa quão longa ou curta a meia-vida seja, depois que sete meias-vidas tiverem passado, resta menos de 1% da atividade inicial.

Energia de ionização

Energia de ionização , também chamada potencial de ionização , é a energia necessária para remover um elétron do átomo neutro.

X + energia → X ⁺ + e ^–

onde X é qualquer átomo ou molécula capaz de ser ionizada, X ⁺ é aquele átomo ou molécula com um elétron removido (íon positivo) e e ^– é o elétron removido.

Existe uma energia de ionização para cada elétron sucessivo removido. Os elétrons que circundam o núcleo se movem em órbitas bastante bem definidas. Alguns desses elétrons estão mais fortemente ligados ao átomo do que outros. Por exemplo, apenas 7,38 eV são necessários para remover o elétron mais externo de um átomo de chumbo, enquanto 88.000 eV são necessários para remover o elétron mais interno.

• A energia de ionização é mais baixa para os metais alcalinos que possuem um único elétron fora de uma concha fechada.
• A energia de ionização aumenta em uma linha no máximo periódico para os gases nobres que fecharam as conchas.

Por exemplo, o sódio requer apenas 496 kJ / mol ou 5,14 eV / átomo para ionizá-lo. Por outro lado, o neon, o gás nobre, imediatamente anterior à tabela periódica, requer 2081 kJ / mol ou 21,56 eV / átomo.

A energia de ionização associada à remoção do primeiro elétron é mais comumente usada. O n de energia de ionização th refere-se à quantidade de energia necessária para remover um electrão a partir das espécies com uma taxa de ( n -1).

1a energia de ionização

X → X ⁺ + e ^–

2a energia de ionização

X ⁺ → X ²⁺ + e ^–

3a energia de ionização

X ²⁺ → X ³⁺ + e ^–

Por exemplo, apenas 7,38 eV são necessários para remover o elétron mais externo de um átomo de chumbo, enquanto 88.000 eV são necessários para remover o elétron mais interno.

Electronvolt – Unidade de Energia

Electronvolt (unidade: eV) . Os eletronvolts são uma unidade tradicional de energia, particularmente na física atômica e nuclear . O elétron- volt é igual à energia obtida por um único elétron quando é acelerado por 1 volt de diferença de potencial elétrico . O trabalho realizado sobre a carga é dado pela carga vezes a diferença de tensão; portanto, o trabalho W no elétron é: W = qV = (1,6 x 10 ^-19 C) x (1 J / C) = 1,6 x 10 ^-19 J . Como essa unidade é muito pequena, é mais conveniente usar múltiplos de volts de elétron: quilo-elétron-volts (keV), mega-elétron-volts (MeV), giga-electronvolts (GeV) e assim por diante. Desde Albert Einstein mostrou quemassa e energia são equivalentes e conversíveis uma na outra, o volt eletrônico também é uma unidade de massa. É comum na física de partículas, onde unidades de massa e energia são freqüentemente trocadas, expressar massa em unidades de eV / c ² , onde c é a velocidade da luz no vácuo (de E = mc ² ). Por exemplo, pode-se dizer que o próton tem massa de 938,3 MeV , embora estritamente falando deva ser 938,3 MeV / c ² . Por outro exemplo, uma aniquilação elétron-pósitron ocorre quando um elétron com carga negativa e um pósitron com carga positiva (cada um com uma massa de 0,511 MeV / c ²) colidem. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, resultando na conversão completa de sua massa em repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc ² ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV gama dirigidos de maneira oposta (fótons).

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0,511 MeV)

• 1 eV = 1,603 x 10 ^-19 J
• 1 eV = 3,83 x ^10-20 cal
• 1 eV = 1,52 x ^10-22 BTU

Exemplo de Energias em Volts Eletrônicos

• Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F) . A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s).
• A energia térmica de uma molécula está à temperatura ambiente de cerca de 0,04 eV .
• Aproximadamente 1 eV corresponde a um fóton infravermelho de comprimento de onda de 1240 nm.
• Os fótons de luz visível têm energias na faixa de 1,65 eV (vermelho) – 3,26 eV (violeta).
• A primeira ressonância na reação n + ²³⁸ U é 6,67 eV (energia do nêutron incidente), que corresponde ao primeiro nível virtual em ²³⁹ U , tem uma largura total de apenas 0,027 eV, e a vida média desse estado é 2,4 × 10 ^-14 s.
• A energia de ionização do hidrogênio atômico é 13,6 eV .
• O carbono-14 decai no nitrogênio-14 através do decaimento beta (decaimento beta puro). As partículas beta emitidas têm uma energia máxima de 156 keV, enquanto sua energia média ponderada é de 49 keV .
• Os fótons de raios X médicos para diagnóstico de alta energia possuem energias cinéticas de cerca de 200 keV.
• O tálio 208, que é um dos nuclídeos da cadeia de decaimento de ²³² U , emite raios gama de 2,6 MeV, que são muito energéticos e altamente penetrantes.
• A energia cinética típica da partícula alfa do decaimento radioativo é de cerca de 5 MeV . É causado pelo mecanismo de sua produção.
• A energia total liberada em um reator é de cerca de 210 MeV por fissão de ²³⁵ U , distribuída conforme mostrado na tabela. Em um reator, a energia recuperável média por fissão é de cerca de 200 MeV , sendo a energia total menos a energia da energia dos antineutrinos que são irradiados.
• O raio cósmico pode ter energias de 1 MeV – 1000 TeV .