O que é Equilíbrio Secular – Equilíbrio Radioativo – Definição

Na física dos decaimentos nucleares , existe um equilíbrio radioativo quando um nuclídeo radioativo está decaindo na mesma taxa em que está sendo produzido. O núcleo de desintegração é geralmente chamado de núcleo pai e o núcleo remanescente após o evento como núcleo filha . O núcleo da filha pode ser estável ou radioativo. Se for radioativo, decai em um núcleo filha e assim por diante. Assim, cada núcleo progenitor radioativo pode iniciar uma série de decaimentos, com cada produto de decaimento tendo sua própria característica constante de decaimento.

A concentração dos núcleos filha no equilíbrio radioativo depende principalmente das proporções de meia-vida (ou constantes de decaimento ) dos núcleos pai e filha. Como a taxa de produção e a taxa de decaimento são iguais, o número de átomos presentes permanece constante ao longo do tempo. De qualquer forma, um equilíbrio radioativo não é estabelecido imediatamente, mas só ocorre após um período de transição . Esse período é da ordem de poucas meias-vidas do núcleo de maior duração na cadeia de decaimento. No caso de cadeias de decaimento radioativo, um equilíbrio radioativo pode ser estabelecido entre cada membro da cadeia de decaimento.

Como foi escrito, a proporcionalidade das meias-vidas é um parâmetro-chave, que determina o tipo de equilíbrio radioativo :

• O equilíbrio radioativo não é estabelecido quando a meia-vida do núcleo pai é menor que a meia-vida do núcleo filha. Nesse caso, a taxa de produção e a taxa de decaimento de determinado membro da cadeia de decaimento não podem ser iguais.
• O equilíbrio radioativo secular existe quando o núcleo pai tem uma meia-vida extremamente longa. Esse tipo de equilíbrio é particularmente importante por natureza. Ao longo dos 4,5 bilhões de anos da história da Terra, especialmente o urânio 238, o urânio 235 e o tório 232 e os membros de suas cadeias de decaimento atingiram equilíbrios radioativos entre o núcleo pai e os vários descendentes.
• Existe um equilíbrio radioativo transitório quando a meia-vida do núcleo pai é maior que a meia-vida do núcleo filha. Nesse caso, o nuclídeo pai e o nuclídeo filha decaem essencialmente na mesma taxa.

Equilíbrio Secular

O equilíbrio radioativo secular existe quando o núcleo pai tem uma meia-vida extremamente longa . O equilíbrio secular é típico para séries radioativas naturais , como as séries de tório  ou de urânio . Para a série de urânio com urânio-238 (com uma meia-vida de 4,47 bilhões de anos), onde todos os elementos da cadeia estão em equilíbrio secular , cada um dos descendentes acumulou uma quantidade de equilíbrio e todos decaíram à taxa definido pelo pai original. A única exceção é o elemento estável final (chumbo-206) no final da cadeia. Seu número de átomos está aumentando constantemente. Em qualquer caso, um equilíbrio radioativonão é estabelecido imediatamente, mas só ocorre após um período de transição . Esse período é da ordem de poucas meias-vidas do núcleo de vida mais longa da cadeia de decaimento ( ²³⁴ U para a série de urânio ; ²³¹ Pa para a série de actinium). No caso de cadeias de decaimento radioativo, um equilíbrio radioativo pode ser estabelecido entre cada membro da cadeia de decaimento.

Como pode ser visto, o equilíbrio secular é particularmente importante por natureza. Ao longo dos 4,5 bilhões de anos da história da Terra, especialmente o urânio 238, o urânio 235 e o tório 232 e os membros de suas cadeias de decaimento atingiram equilíbrios radioativosentre o núcleo pai e os vários descendentes. As meias-vidas de todos os seus descendentes são extremamente variáveis ​​e é difícil representar uma escala de tempo que varia de segundos a milhões de anos. Como os radioisótopos-filhas têm meias-vidas diferentes, o equilíbrio secular é alcançado após algum tempo. Na longa cadeia de decaimento de um elemento naturalmente radioativo, como o urânio-238, onde todos os elementos da cadeia estão em equilíbrio secular, cada um dos descendentes acumulou uma quantidade de equilíbrio e todos decaiu na taxa definida pelo pai original. Se e quando o equilíbrio for alcançado, cada isótopo filha sucessivo estará presente em proporção direta à sua meia-vida (ou à sua constante de decaimento).

Como sua atividade é inversamente proporcional à sua meia-vida , cada nuclídeo na cadeia de decaimento finalmente contribui com tantas transformações individuais quanto a cabeça da cadeia. A cascata radioativa no equilíbrio secular influencia significativamente a radioatividade ( desintegrações por segundo ) de amostras e materiais naturais. Todos os descendentes estão presentes, pelo menos temporariamente, em qualquer amostra natural, seja de metal, composto ou mineral. Por exemplo, o urânio puro-238 é fracamente radioativo (proporcional à sua meia-vida longa), mas um minério de urânio é cerca de 13 vezes mais radioativo (aproximadamente 13 descendentes na cadeia de decaimento) do que o metal puro urânio-238 por causa de seus isótopos filhos (por exemplo, rádon, rádio etc.) que ele contém. Os isótopos de rádio instáveis ​​não são apenas emissores significativos de radioatividade, mas, como estágio seguinte da cadeia de decaimento, eles também geram radônio, um gás radioativo pesado, inerte e de ocorrência natural. Além disso, o calor em decomposição do urânio e seus produtos (como o rádon, o rádio, etc.) contribuem para o aquecimento do núcleo da Terra. Juntamente com o tório e o potássio-40 no manto da Terra, acredita-se que esses elementos sejam a principal fonte de calor que mantém o líquido do núcleo da Terra.

O equilíbrio secular pode ocasionalmente ser interrompido quando um dos núcleos intermediários deixa a amostra (por exemplo, o radônio liberado do solo) onde seus ancestrais estão confinados. É importante considerar essas interrupções locais no uso de técnicas de namoro. A interrupção do equilíbrio secular também influencia a radioatividade do combustível nuclear novo. A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . Mas esse dióxido de urânio deve ser quimicamente purificado e a maior parte de sua cadeia de decomposição não está presente no combustível nuclear novo.

Equilíbrio radioativo de urânio-234

O isótopo de urânio-234 é um membro da série de urânio. Esse isótopo tem meia-vida de apenas 2,46 x 10 ⁵ anos e, portanto, não pertence a nuclídeos primordiais (ao contrário de ²³⁵ U e ²³⁸ U ). Por outro lado, este isótopo ainda está presente na crosta terrestre, mas isso é devido ao fato de ²³⁴ U é um produto de decaimento indireta de ²³⁸ U . ²³⁸ U decai por decaimento alfa em ²³⁴ U. ²³⁴ U decai por decaimento alfa em 230Th, exceto fração muito pequena (da ordem de ppm) de núcleos que decai por fissão espontânea.

Em uma amostra natural de urânio, esses núcleos estão presentes nas proporções inalteráveis ​​do equilíbrio radioativo da filiação de ²³⁸ U na proporção de um átomo de ²³⁴ U para cerca de 18 500 núcleos de ²³⁸ U. Como resultado desse equilíbrio, esses dois os isótopos ( ²³⁸ U e ²³⁴ U) contribuem igualmente para a radioatividade do urânio natural.