Nick Connor

Constante de decaimento e radioatividade

A relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada na figura. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ , que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

A figura a seguir ilustra a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade. É óbvio que quanto maior a meia-vida, maior a quantidade de radionuclídeo necessária para produzir a mesma atividade. Evidentemente, a substância de maior duração permanecerá radioativa por muito mais tempo. Como pode ser visto, a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade pode variar de uma quantidade muito pequena para ser vista (0,00088 grama de cobalto-60), através de 1 grama de rádio-226, e quase três toneladas de urânio-238 .

Exemplo – Cálculo de Radioatividade

Uma amostra de material contém 1 micrograma de iodo-131. Observe que o iodo-131 desempenha um papel importante como isótopo radioativo presente nos produtos de fissão nuclear e é um dos principais contribuintes para os riscos à saúde quando liberado na atmosfera durante um acidente. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias.

Calcular:

1. O número de átomos de iodo-131 inicialmente presentes.
2. A atividade do iodo-131 nos curies.
3. O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias.
4. O tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi.

Solução:

1. O número de átomos de iodo-131 pode ser determinado usando a massa isotópica como abaixo.

N _-131 = m _I-131 . N _A / H _I-131

NI _-131 = (1 μg) x (6,02 × 10 ²³ núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

NI _-131 = 4,6 x 10 ¹⁵ núcleos

2. A atividade do iodo-131 em curies pode ser determinada usando sua constante de decaimento :

O iodo-131 tem meia-vida de 8,02 dias (692928 seg) e, portanto, sua constante de decaimento é:

Usando esse valor para a constante de decaimento, podemos determinar a atividade da amostra:

3) e 4) O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias (N _50d ) e o tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi podem ser calculados usando a lei de decaimento:

Como pode ser visto, após 50 dias o número de átomos de iodo-131 e, portanto, a atividade será cerca de 75 vezes menor. Após 82 dias, a atividade será aproximadamente 1200 vezes menor. Portanto, o tempo de dez meias-vidas (fator 2 ¹⁰ = 1024) é amplamente utilizado para definir a atividade residual.

Os raios X , também conhecidos como radiação X , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de altas energias. Os raios X são fótons de alta energia, com comprimentos de onda curtos e, portanto, frequência muito alta. A frequência de radiação é o parâmetro chave de todos os fótons, porque determina a energia de um fóton. Os fótons são classificados de acordo com as energias das ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, aos raios X de alta energia e raios gama .

A maioria dos raios X tem um comprimento de onda variando de 0,01 a 10 nanômetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondendo a energias na faixa de 100 eV a 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são mais curtos que os dos raios UV e geralmente mais longos que os dos raios gama.

Raios-X macios e duros

Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Raios-X com altas energias de fótons (acima de 5 a 10 keV) são chamados de raios-X duros , enquanto aqueles com menor energia (e maior comprimento de onda) são chamados de raios-X suaves . Devido à sua capacidade de penetração, os raios X rígidos são amplamente utilizados para criar imagens dentro de objetos visualmente opacos. As aplicações mais vistas são na radiografia médica. Como os comprimentos de onda dos raios-X rígidos são semelhantes ao tamanho dos átomos, eles também são úteis para determinar estruturas cristalinas por cristalografia de raios-X. Por outro lado, os raios X suaves são facilmente absorvidos pelo ar. O comprimento de atenuação dos raios X de 600 eV na água é inferior a 1 micrômetro.

Raio X – Produção

Como os raios X são fótons de alta energia , que têm natureza eletromagnética , eles podem ser produzidos sempre que partículas carregadas (elétrons ou íons) de energia suficiente atingem um material. É semelhante ao efeito fotoelétrico , onde os fótons podem ser aniquilados quando atingem a placa de metal, cada um entregando sua energia cinética a um elétron .

Os raios X podem ser gerados por um tubo de raios X , um tubo de vácuo que usa alta voltagem para acelerar os elétrons liberados por um cátodo quente a uma velocidade alta. O cátodo deve ser aquecido para emitir elétrons. Os elétrons, acelerados por diferenças de potencial de dezenas de milhares de volts, são direcionados a um alvo de metal (geralmente feito de tungstênio ou outro metal pesado) em um tubo de vácuo. Quanto maior a tensão entre os eletrodos, maior será a energia que os elétrons atingirão. Ao atingir o alvo, os elétrons acelerados são interrompidos abruptamente e os raios Xe calor são gerados. A maior parte da energia é transformada em calor no ânodo (que deve ser resfriado). Apenas 1% da energia cinética dos elétrons é convertida em raios-X. Os raios X são geralmente gerados perpendicularmente ao caminho do feixe de elétrons.

Uma fonte especializada de raios-X que está sendo amplamente utilizada em pesquisas é o acelerador de partículas, que gera radiação conhecida como radiação síncrotron . Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .

Os raios X também podem ser produzidos por prótons rápidos ou outros íons positivos. A emissão de raios X induzida por prótons ou emissão de raios X induzida por partículas é amplamente utilizada como um procedimento analítico.

Espectro de Raios-X – Característico e Contínuo

Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, a parte da energia que é transformada em radiação varia de zero até a energia máxima do elétron quando atinge o ânodo. A energia máxima do fóton de raio-X produzido é limitada pela energia do elétron incidente, que é igual à tensão no tubo vezes a carga do elétron, de modo que um tubo de 100 kV não pode criar raios-X com energia superior a 100 keV. Quando os elétrons atingem o alvo, os raios X são criados por dois processos atômicos diferentes:

• Bremsstrahlung . O bremsstrahlung é radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de um elétron quando desviada por fortes campos eletromagnéticos dos núcleos alvo de alto Z (número de prótons). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia. O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos) Esses raios-X têm um espectro contínuo. A intensidade dos raios X aumenta linearmente com a diminuição da frequência, de zero na energia dos elétrons incidentes, a tensão no tubo de raios X. Alterar o material do qual o alvo no tubo é feito não afeta o espectro dessa radiação contínua. Se passássemos de um alvo de molibdênio para um de cobre, por exemplo, todos os recursos do espectro de raios-X mudariam, exceto o comprimento de onda de corte.
• Emissão característica de raios-X. Se o elétron tiver energia suficiente, ele pode derrubar um elétron orbital da camada interna de um átomo de metal. Como o processo deixa uma vaga no nível de energia do elétron do qual o elétron veio, os elétrons externos do átomo caem em cascata para preencher os níveis atômicos mais baixos, e geralmente são emitidos um ou mais raios-X característicos . Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr.

Os raios X , também conhecidos como radiação X , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de altas energias. Os raios X são fótons de alta energia, com comprimentos de onda curtos e, portanto, frequência muito alta. A frequência de radiação é o parâmetro chave de todos os fótons, porque determina a energia de um fóton. Os fótons são classificados de acordo com as energias das ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, aos raios X de alta energia e raios gama .

A maioria dos raios X tem um comprimento de onda variando de 0,01 a 10 nanômetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondendo a energias na faixa de 100 eV a 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são mais curtos que os dos raios UV e geralmente mais longos que os dos raios gama.

Raio X – Produção

Como os raios X são fótons de alta energia , que têm natureza eletromagnética , eles podem ser produzidos sempre que partículas carregadas (elétrons ou íons) de energia suficiente atingem um material. É semelhante ao efeito fotoelétrico , onde os fótons podem ser aniquilados quando atingem a placa de metal, cada um entregando sua energia cinética a um elétron .

Os raios X podem ser gerados por um tubo de raios X , um tubo de vácuo que usa alta voltagem para acelerar os elétrons liberados por um cátodo quente a uma velocidade alta. O cátodo deve ser aquecido para emitir elétrons. Os elétrons, acelerados por diferenças de potencial de dezenas de milhares de volts, são direcionados a um alvo de metal (geralmente feito de tungstênio ou outro metal pesado) em um tubo de vácuo. Quanto maior a tensão entre os eletrodos, maior será a energia que os elétrons atingirão. Ao atingir o alvo, os elétrons acelerados são interrompidos abruptamente e os raios Xe calor são gerados. A maior parte da energia é transformada em calor no ânodo (que deve ser resfriado). Apenas 1% da energia cinética dos elétrons é convertida em raios-X. Os raios X são geralmente gerados perpendicularmente ao caminho do feixe de elétrons.

Uma fonte especializada de raios-X que está sendo amplamente utilizada em pesquisas é o acelerador de partículas, que gera radiação conhecida como radiação síncrotron . Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .

Os raios X também podem ser produzidos por prótons rápidos ou outros íons positivos. A emissão de raios X induzida por prótons ou emissão de raios X induzida por partículas é amplamente utilizada como um procedimento analítico.

Raios-X macios e duros

Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Raios-X com altas energias de fótons (acima de 5 a 10 keV) são chamados de raios-X duros , enquanto aqueles com menor energia (e maior comprimento de onda) são chamados de raios-X suaves . Devido à sua capacidade de penetração, os raios X rígidos são amplamente utilizados para criar imagens dentro de objetos visualmente opacos. As aplicações mais vistas são na radiografia médica. Como os comprimentos de onda dos raios-X rígidos são semelhantes ao tamanho dos átomos, eles também são úteis para determinar estruturas cristalinas por cristalografia de raios-X. Por outro lado, os raios X suaves são facilmente absorvidos pelo ar. O comprimento de atenuação dos raios X de 600 eV na água é inferior a 1 micrômetro.

Espectro de Raios-X – Característico e Contínuo

Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, a parte da energia que é transformada em radiação varia de zero até a energia máxima do elétron quando atinge o ânodo. A energia máxima do fóton de raio-X produzido é limitada pela energia do elétron incidente, que é igual à tensão no tubo vezes a carga do elétron, de modo que um tubo de 100 kV não pode criar raios-X com energia superior a 100 keV. Quando os elétrons atingem o alvo, os raios X são criados por dois processos atômicos diferentes:

• Bremsstrahlung . O bremsstrahlung é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de um elétron quando desviada por fortes campos eletromagnéticos dos núcleos alvo de alto Z (número de prótons). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia. O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos) Esses raios-X têm um espectro contínuo. A intensidade dos raios-X aumenta linearmente com a diminuição da frequência, de zero na energia dos elétrons incidentes, a tensão no tubo de raios-X. Alterar o material a partir do qual o alvo no tubo é feito não afeta o espectro dessa radiação contínua. Se passássemos de um alvo de molibdênio para um de cobre, por exemplo, todos os recursos do espectro de raios-X mudariam, exceto o comprimento de onda de corte.
• Emissão característica de raios-X. Se o elétron tiver energia suficiente, ele pode derrubar um elétron orbital da carcaça interna de um átomo de metal. Uma vez que o processo deixa uma vaga no nível de energia do elétron de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo caem em cascata para preencher os níveis atômicos mais baixos, e geralmente são emitidos um ou mais raios-X característicos . Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr.

Os raios X , também conhecidos como radiação X , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de altas energias. Os raios X são fótons de alta energia, com comprimentos de onda curtos e, portanto, frequência muito alta. A frequência de radiação é o parâmetro chave de todos os fótons, porque determina a energia de um fóton. Os fótons são classificados de acordo com as energias das ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, aos raios X de alta energia e raios gama .

A maioria dos raios X tem um comprimento de onda variando de 0,01 a 10 nanômetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondendo a energias na faixa de 100 eV a 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são mais curtos que os dos raios UV e geralmente mais longos que os dos raios gama.

Como os raios X (especialmente os raios X duros) são substancialmente fótons de alta energia, são matéria muito penetrante e, portanto, são biologicamente perigosos. Os raios X podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar pelo corpo humano.

Características dos raios X – Propriedades

As principais características dos raios X são resumidas nos seguintes pontos:

• Os raios X são fótons de alta energia (cerca de 100 – 1.000 vezes mais energia que os fótons visíveis), os mesmos fótons que os fótons que formam a faixa visível do espectro eletromagnético – luz.
• Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Pode variar de cerca de 20 kV a 300 kV. A radiação com baixa voltagem é chamada de ” suave ” – e a radiação com alta voltagem é chamada de ” forte “.
• 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.
• Os raios X ionizam a matéria via ionização indireta .
• Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
  • Efeito fotoelétrico
  • Efeito Compton
  • dispersão de Rayleigh
• Os raios X viajam na velocidade da luz e podem viajar centenas de metros no ar antes de gastar sua energia.
• Como os raios X duros são matéria muito penetrante, devem ser protegidos por materiais muito densos, como chumbo ou urânio.
• A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .
• Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, existem dois tipos diferentes de espectros de raios X:
  • Bremsstrahlung
  • Raios-X característicos
• Os raios X característicos frequentemente acompanham alguns tipos de decaimento nuclear, como conversão interna e captura de elétrons .

Descoberta de raios X – Wilhelm Conrad Röntgen

Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895 pelo professor de física alemão Wilhelm Conrad Röntgenna Universidade de Würtzburg, na Alemanha. Ele estudava descargas elétricas em tubos de vidro cheios de vários gases a pressões muito baixas. Nessas experiências, Röntgen havia coberto o tubo com um pouco de papel preto e escurecido a sala. Ele então descobriu que um pedaço de papel pintado com um corante fluorescente, a alguma distância do tubo, brilhava quando ele ligava a alta tensão entre os eletrodos no tubo. Ele percebeu que havia produzido uma “luz invisível” ou raio anteriormente desconhecida que estava sendo emitida pelo tubo e um raio capaz de passar pelo papel pesado que cobria o tubo. Röntgen se referiu à radiação como “X”, para indicar que era um tipo desconhecido de radiação.

Percebendo a importância de sua descoberta, Röntgen concentrou toda sua atenção no estudo dessa nova radiação que tinha a propriedade incomum de passar por papel preto. Por meio de experimentos adicionais, ele também descobriu que o novo raio passaria pela maioria das substâncias projetando sombras de objetos sólidos, como blocos de madeira, livros e até a mão dele. Ele descobriu que os raios X se propagam em linhas retas das quais eles não são desviados nem por campos elétricos nem magnéticos. A primeira imagem de raio-x era uma foto da mão de sua esposa em uma placa fotográfica formada devido a raios-x. Sua descoberta se espalhou rapidamente por todo o mundo e Wilhelm Conrad Röntgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física por sua descoberta.

Em geral, a fissão nuclear é uma reação nuclear na qual o núcleo de um átomo se divide em partes menores (núcleos mais leves). O processo de fissão geralmente produz nêutrons e fótons livres (na forma de raios gama ) e libera uma grande quantidade de energia . Na física nuclear, a fissão nuclear é uma reação nuclear ou um processo de decaimento radioativo . O caso do processo de decaimento é chamado de fissão espontânea  e é um processo muito raro.

A fissão espontânea também é possível se estudarmos a curva de ligação nuclear . Esse tipo de decaimento é energeticamente possível para um núcleo com A> 100. Embora se espere que a fissão espontânea se torne mais provável à medida que o número de massa aumenta, ainda é um processo muito raro, mesmo em urânio.

A fissão espontânea é viável durante os tempos de observação práticos apenas para números de massa superiores a 232. Por exemplo, ²³² Th, ²³⁵ U e ²³⁸ U são nuclídeos primordiais e deixaram evidências de sofrer fissão espontânea em seus minerais.

Para elementos transurânicos pesados, a taxa de transição de fissão espontânea aumenta com o número de massa e pode se tornar o modo de decaimento dominante em números de massa maiores que cerca de 260.

Da mesma forma que no decaimento alfa , também ocorre a fissão espontânea devido ao tunelamento quântico . As fissões espontâneas liberam nêutrons como todas as fissões, por isso contribui para o fluxo de nêutrons em um reator subcrítico . Radioisótopos para os quais a fissão espontânea não é desprezível podem ser usados ​​como fontes de nêutrons. Por exemplo, californio-252 (meia-vida de 2.645 anos, razão de ramificação de SF de cerca de 3,1 por cento) pode ser usado para esse fim.

A fissão espontânea de isótopos naturais de urânio (urânio 238 e urânio 235) deixa rastros de danos na estrutura cristalina de minerais que contêm urânio quando os fragmentos de fissão se retraem através deles. Uma técnica de datação radiométrica baseada na análise dessas trilhas ou rastros de danos deixados por fragmentos de fissão em certos minerais e vidros contendo urânio é conhecida como datação por trilha de fissão .

Fissão espontânea de determinados núcleos

Os principais isótopos, que devem ser considerados no ciclo de combustível de todos os reatores comerciais de água leve, são:

Isótopos de urânio

• ²³⁸ U . ²³⁸U pertence ao grupo deisótopos férteis. ²³⁸U decai através dedecaimento alfapara²³⁴Th com meia-vida de ~ 4,5 × 10⁹anos. ²³⁸U decai ocasionalmente por fissão espontânea com probabilidade de 0,000055%. Sua atividade específica é muito baixa ~ 3,4 × 10^-7 Ci / g.
• ²³⁵ L . ²³⁵U pertence ao grupo deisótopos físseis. De fato,²³⁵U é o único núcleo físsil existente a partir de isótopos que ocorrem naturalmente e, portanto, é um material altamente estratégico. ^Odecaimento de²³⁵U por decaimento alfa (via tório-231) em²³¹Pa com meia-vida de ~ 7 × 10⁸anos. ²³⁵U ocasionalmente decai por fissão espontânea com probabilidade muito baixa de 0,0000000072%. Sua atividade específica é muito baixa ~ 2,2 × 10-6 Ci / g.
• ²³⁴ L . ²³⁴U pertence ao grupo deisótopos férteis. Decadências de²³⁴U por decaimento alfa para²³⁰Th com meia-vida de 246 000 anos. ²³⁴U ocasionalmente decai por fissão espontânea com probabilidade muito baixa de 0,0000000017%. Sua atividade específica é muito maior ~ 0,0063 Ci / g.

Isótopos de plutônio

• ²³⁸ Pu . ²³⁸ Pu pertence ao grupo de isótopos férteis. ²³⁸ decaimentos de Pu por decaimento alfa para ²³⁴ U  com meia-vida de 87,7 anos. ²³⁸ Pu gera calor de decomposição muito alto e possui uma taxa muito alta de fissão espontânea.
• ²³⁹ Pu . ²³⁹Pu pertence ao grupo de isótopos físseis. ²³⁹decaimentos de Pu por decaimento alfa para ²³⁵ U com meia-vida de 24100 anos. Este isótopo é o principal isótopo físsil em uso.
• ²⁴⁰ Pu . ²⁴⁰Pu pertence ao grupo deisótopos férteis. ²⁴⁰Pu decai por via alfa para ²³⁶ U com meia-vida de 6560 anos. ^{O 240}Pu possui uma taxa muito alta de fissão espontânea e uma seção transversal de captura radiativa alta para nêutrons térmicos e também para ressonância.
• ²⁴¹ Pu . ²⁴¹Pu pertence ao grupo de isótopos físseis. ²⁴¹Pu decai por via beta negativa para²⁴¹AM com meia-vida de 14,3 anos. Este isótopo físsil decai para isótopo não físsil com alta seção de captura radiativa para nêutrons térmicos. Um impacto na reatividade do combustível nuclear é óbvio.

Outros isótopos

• ²⁴² Cm. Decaimentos de ²⁴² Cm via decaimento alfa com meia-vida de 162 dias. ²⁴² Cm ocasionalmente decai por fissão espontânea com probabilidade de 0,0000061%.
• ²⁵² Cf. ²⁵² Cf (meia-vida 2.645 anos, razão de desvio SF de cerca de 3,1%) pode ser usado na fonte primária de nêutrons para melhor monitoramento das operações de inicialização e desligamento do reator quando o reator é subcrítico.

Fissão espontânea e nêutrons de origem

O termo ” nêutrons de origem “ refere-se a nêutrons que não sejam nêutrons de fissão rápida ou retardada . Em geral, eles vêm de outras fontes que não a fissão induzida por nêutrons. Esses nêutrons são muito importantes durante as operações de inicialização e desligamento do reator quando o reator é subcrítico, porque permitem monitorar a subcriticalidade de um reator geralmente através de detectores de nêutrons excore na faixa da fonte.

Nos reatores nucleares, também a fissão espontânea é muito importante deste ponto de vista. Em um conjunto de combustível nuclear irradiado, existem nuclídeos que passam por um processo de fissão espontânea. Como foi escrito, a fissão espontânea é, de fato, uma forma de decaimento radioativo que é encontrada apenas em elementos químicos muito pesados ​​(especialmente elementos transurânicos). Por exemplo, ²⁴⁰ Pu tem uma taxa muito alta de fissão espontânea. Para combustível de alta combustão, os nêutrons fonte são fornecidos predominantemente por fissão espontânea dos núcleos de cúrio (Cm-242 e Cm-244).

Fonte primária de nêutrons

Às vezes, os nêutrons de origem devem ser adicionados artificialmente ao sistema. A fonte externa de nêutrons contém um material que emite nêutrons e revestimento para fornecer uma barreira entre o refrigerante do reator e o material. Fontes externas geralmente são carregadas diretamente no núcleo do reator (por exemplo, nos tubos de dedal guia). Fontes de nêutrons, baseadas na fissão espontânea, são conhecidas como fontes primárias . A fonte primária de nêutrons não precisa ser irradiada para produzir nêutrons. Essas fontes podem ser usadas especialmente no caso de um primeiro núcleo (ou seja, um núcleo que consiste apenas de combustível novo). A fonte primária de nêutrons é baseada na reação de fissão espontânea. A fonte de fissão espontânea mais comumente usada é o isótopo radioativo californium-252. Cf-252 e todas as outras fontes de nêutrons de fissão espontânea são produzidas por irradiação de urânio ou outro elemento transurânico em um reator nuclear, onde os nêutrons são absorvidos no material de partida e em seus produtos de reação subsequentes, transmutando o material de partida no isótopo SF.

O decaimento de prótons é um tipo raro de decaimento radioativo de núcleos contendo excesso de prótons , no qual um próton é simplesmente ejetado do núcleo . Este artigo descreve principalmente a emissão espontânea de prótons (decaimento de prótons) e não descreve a decadência de um próton livre. Observe que um próton livre (um próton não ligado a núcleons ou elétrons) é uma partícula estável que não se observa quebrar espontaneamente com outras partículas.

Veja também: Estabilidade do próton

A emissão de prótons ocorre nos nuclídeos mais ricos em prótons / com deficiência de nêutrons (emissão imediata de prótons) e também nos estados de excitação mais altos de um núcleo após uma deterioração beta positiva . Da mesma forma que na emissão de nêutrons , a taxa de emissão desses nêutrons após um decaimento beta positivo é governada principalmente por decaimento beta, portanto, essa emissão é conhecida como emissão de prótons com atraso beta.

O mecanismo do processo de decaimento é muito semelhante ao decaimento alfa . O decaimento de prótons também é um processo de tunelamento quântico . Para ser emitido, o próton deve penetrar em uma barreira potencial. Para que um próton escape de um núcleo, a energia de separação de prótons deve ser negativa – o próton é, portanto, desconectado e sai do núcleo em um tempo finito. Alguns núcleos decaem por emissão dupla de prótons, como ⁴⁵ Fe.

Se um núcleo decai por emissão de prótons, os números atômicos e de massa mudam em um e o núcleo filha se torna um elemento diferente. Núcleos que podem decair por esse modo são descritos como estando muito acima da linha de gotejamento de nêutrons. A emissão de prótons não é vista em isótopos que ocorrem naturalmente. Isótopos radioativos de prótons podem ser produzidos através de reações nucleares, geralmente usando aceleradores de partículas.

O decaimento de nêutrons é um tipo de decaimento radioativo de núcleos contendo excesso de nêutrons (especialmente produtos de fissão), no qual 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 . Neste local, devemos distinguir entre:

• Emissão espontânea de nêutrons . A emissão espontânea de nêutrons é um modo de decaimento radioativo no qual um ou mais nêutrons são ejetados de um núcleo.
• Decaimento do nêutron livre . Ao contrário de um nêutron limitado, o nêutron livre está sujeito a decaimento beta radioativo (com uma meia-vida de cerca de 611 segundos). Decai em um próton, um elétron e um antineutrino (a contraparte da antimatéria do neutrino, uma partícula sem carga e com pouca ou nenhuma massa).
• Emissão induzida de nêutrons . Entre as reações nucleares estão também as reações, nas quais um nêutron é ejetado do núcleo e podem ser chamadas de reações de emissão de nêutrons . Essas reações nucleares são, por exemplo:
  • Reações de dispersão
  • Ficão nuclear
  • Emissão de fotoneutrons
  • Outras reações nucleares (por exemplo, reações alfa, n)

Este artigo descreve principalmente a emissão espontânea de nêutrons (decaimento imediato de nêutrons). Esse modo de decaimento ocorre apenas nos nuclídeos mais ricos em nêutrons / com deficiência de prótons (decaimento imediato de nêutrons) e também em estados excitados de outros nuclídeos, como na emissão de fotoneutrons e na emissão de nêutrons com atraso beta. Como pode ser visto, se um núcleo decai por emissão de nêutrons, o número atômico permanece o mesmo, mas a filha se torna um isótopo diferente do mesmo elemento. Núcleos que podem decair por esse modo são descritos como estando além da linha de gotejamento de nêutrons. Dois exemplos de isótopos que emitem nêutrons são o berílio-13 (decaindo para o berílio-12 com uma vida média de 2,7 × ^10-21 s) e o hélio-5 (hélio-4, 7 × ^10-22 s).

Emissão de nêutrons com atraso beta – Nêutrons atrasados

A emissão de nêutrons geralmente ocorre em núcleos que estão excitados, como o ⁸⁷ Kr * excitado produzido a partir do decaimento beta de ⁸⁷ Br. Esse isótopo tem meia-vida de 55,6 segundos . Ele sofre decaimento beta negativo através de seus dois ramos principais com emissão de partículas beta de 2,6 MeV e 8 MeV . Esse decaimento leva à formação de ⁸⁷ Kr * e o núcleo de ⁸⁷ Kr * decai subseqüentemente através de dois decaimentos beta sucessivos no isótopo estável ⁸⁷ Sr. Mas também há uma maneira possível de o núcleo ⁸⁷ Br decair. O núcleo ⁸⁷ Br pode decair em beta para um estado excitado do ⁸⁷Núcleo Kr * a uma energia de 5,5 MeV, que é maior que a energia de ligação de um nêutron no núcleo de ⁸⁷ Kr. Nesse caso, o núcleo de ⁸⁷ Kr * pode sofrer (com probabilidade de 2,5%) uma emissão de nêutrons levando à formação de um núcleo estável ^.Isótopo de Kr. O próprio processo de emissão de nêutrons é controlado pela força nuclear e, portanto, é extremamente rápido, às vezes chamado de “quase instantâneo”. A ejeção do nêutron pode ser um produto do movimento de muitos núcleons, mas, em última análise, é mediada pela ação repulsiva da força nuclear que existe a distâncias extremamente curtas entre os núcleons. O tempo de vida de um ejetado de nêutrons dentro do núcleo antes de ser emitido é geralmente comparável ao tempo de vôo de um nêutron típico antes de sair da pequena nuclear “poço de potencial”, ou cerca de 10 ^-23 segundos. Como pode ser visto, a taxa de emissão desses nêutrons é governada principalmente por decaimento beta, portanto, essa emissão é conhecida como emissão de nêutrons com atraso beta. e é responsável pela produção de nêutrons atrasados ​​em reatores nucleares.

Enquanto a maioria dos nêutrons produzidos na fissão são nêutrons rápidos, os nêutrons atrasados ​​são importantes no controle do reator. De fato, a presença de nêutrons atrasados ​​é talvez o aspecto mais importante do processo de fissão do ponto de vista do controle do reator.

Veja também: Precursores de nêutrons atrasados