O que é decaimento radioativo – definição

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. Dosimetria de Radiação

O que é deterioração radioativa

Notação de reações nucleares - decaimentos radioativos
Notação de reações nucleares – decaimentos radioativos
Fonte: chemwiki.ucdavis.edu

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. Em outras palavras, um núcleo de um radionuclídeo não tem “memória”. Um núcleo não “envelhece” com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de quebra não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa quanto tempo o núcleo exista. Durante sua decadência imprevisível, esse 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.

Existem três modos básicos de decaimento radioativo:

  • Decaimento alfa . O decaimento alfa  representa a desintegração de um  núcleo pai  para uma filha através da emissão do núcleo de um átomo 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 .
  • Decaimento beta . Decaimento beta  ou  decaimento β  representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão da partícula 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.
  • Decaimento gama . Decaimento gama  ou  decaimento γ  representa a desintegração de um núcleo pai para uma filha através da emissão de  raios gama  (fótons de alta energia). 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.

Modos de deterioração importantes adicionais:

  • Captura de elétrons . A captura de elétrons  é um processo no qual um núcleo pai captura um de seus elétrons orbitais e emite um neutrino. A captura de elétrons , também conhecida como  decaimento beta inverso,  às vezes é incluída como um tipo de  decaimento beta , porque o processo nuclear básico, mediado pela interação fraca, é o mesmo.
  • Conversão interna . A conversão interna  é um processo eletromagnético, pelo qual um estado nuclear excitado decai pela  emissão direta  de um de seus  elétrons atômicos . A conversão interna  compete com  a emissão gama , mas, neste caso, os campos multipolares eletromagnéticos do  núcleo  não resultam na emissão de um raio gama; em vez disso, os campos interagem diretamente com os elétrons atômicos. Ao contrário do  decaimento beta , que é governado por uma  força fraca , o  elétron  é emitido pelo átomo radioativo, mas não pelo núcleo.
  • Decaimento de nêutrons . 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 .
  • Decaimento de prótons . 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 .
  • Fissão espontânea . A fissão espontânea (SF) é uma forma de decaimento radioativo que é encontrada apenas em elementos químicos muito pesados.

Natureza da Decadência

O bário-137m é um produto de um produto de fissão comum - césio - 137. O principal raio gama do bário-137m é o fóton de 661keV.
O bário-137m é um produto de um produto de fissão comum – césio – 137. O principal raio gama do bário-137m é o fóton de 661keV.

Como foi escrito, 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 (os 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 . A maioria dos átomos encontrados na natureza é estável e não emite partículas ou energia que mudam de forma ao longo do tempo. 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. Isótopos instáveis decaem espontaneamente através de várias vias de decaimento radioativo , mais comumente decaimento alfa, decaimento beta, decaimento gama ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de deterioração, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos.

Leis de Conservação em Decaimento Nuclear

Ao analisar as reações nucleares , aplicamos as muitas leis de conservação . As reações nucleares estão sujeitas às leis clássicas de conservação de carga, momento, momento angular e energia (incluindo energias de repouso). Leis de conservação adicionais, não previstas pela física clássica, são:

Certas leis são obedecidas em todas as circunstâncias, outras não. Aceitamos a conservação de energia e momento. Em todos os exemplos dados, assumimos que o número de prótons e o número de nêutrons são conservados separadamente. Encontraremos circunstâncias e condições nas quais essa regra não é verdadeira. Onde estamos considerando reações nucleares não-relativísticas, é essencialmente verdade. No entanto, quando estivermos considerando energias nucleares relativísticas ou aquelas que envolvem interações fracas, descobriremos que esses princípios devem ser estendidos.

Alguns princípios de conservação surgiram de considerações teóricas, outros são apenas relações empíricas. Não obstante, qualquer reação que não seja expressamente proibida pelas leis de conservação geralmente ocorrerá, se talvez a um ritmo lento. Essa expectativa é baseada na mecânica quântica. A menos que a barreira entre os estados inicial e final seja infinitamente alta, sempre há uma probabilidade diferente de zero de que um sistema faça a transição entre eles.

Para fins de análise de reações não relativísticas, basta observar quatro das leis fundamentais que governam essas reações.

  1. Conservação de núcleons . O número total de núcleons antes e depois de uma reação é o mesmo.
  2. Conservação de carga . A soma das cargas em todas as partículas antes e depois de uma reação é a mesma
  3. Conservação do momento . O momento total das partículas que interagem antes e depois de uma reação é o mesmo.
  4. Conservação de energia . A energia, incluindo a energia restante da massa, é conservada em reações nucleares.

Referência: Lamarsh, John R. Introdução à engenharia nuclear 2ª edição

Atividade – Atividade Específica

Radioatividade - BecquerelUma medida de radioatividade (atividade) é baseada na contagem de desintegrações por segundo . A unidade de atividade do SI é o becquerel (Bq), igual a um segundo recíproco. A atividade depende apenas do número de decaimentos por segundo, não do tipo de decaimento, da energia dos produtos de decaimento ou dos efeitos biológicos da radiação. Pode ser usado para caracterizar a taxa de emissão de radiação ionizante. Atividade específicaé a atividade por quantidade de um radionuclídeo, portanto, atividade específica é definida como a atividade por quantidade de átomos de um determinado radionuclídeo. Geralmente é dado em unidades de Bq / g, mas outra unidade de atividade comumente usada é a curie (Ci), permitindo a definição de atividade específica em Ci / g.

As unidades de atividade (curie e becquerel) também podem ser usadas para caracterizar uma quantidade total de liberações controladas ou acidentais de átomos radioativos .

Unidades de Atividade

  • Becquerel . O becquerel é a unidade de radioatividade SI definida em 1974. É nomeado em homenagem a Henri Becquerel, físico francês que descobriu a radioatividade em 1896. Um becquerel (1Bq) é igual a 1 desintegração por segundo .
  • Curie . O curie é uma unidade de radioatividade não SIdefinida em 1910. Foi originalmente definida como equivalente ao número de desintegrações pelas quais um grama de rádio-226 sofrerá em um segundo . Atualmente, um curie é definido como 1Ci = 3,7 x 10 10 desintegrações por segundo .
  • Rutherford . Rutherford (símbolo Rd ) também é uma unidade não SI definida como a atividade de uma quantidade de material radioativo na qual um milhão de núcleos decai por segundo .

Lei de Decaimento Radioativo

meias-vidas de mesaOs cálculos do decaimento dos núcleos radioativos são relativamente diretos, devido ao fato de haver apenas uma lei fundamental que governa todo o processo de decaimento. Esta lei afirma que a probabilidade por unidade de tempo que um núcleo decairá é uma constante, independente do tempo. Essa constante é chamada constante de decaimento e é denotada por λ, “lambda”. O decaimento radioativo de certo número de átomos (massa) é exponencial no tempo.

Lei de decaimento radioativo: N = Ne -λt

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. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante. 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 ). Notar quemeia-vida curta acompanha 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.

A lei de decaimento radioativo também pode ser derivada para cálculos de atividade ou massa de cálculos de material radioativo:

(Número de núcleos) N = Ne -λt     (Atividade) A = Ae -λt      (Massa) m = me -λt

, onde N (número de partículas) é o número total de partículas na amostra, A (atividade total) é o número de decaimentos por unidade de tempo de uma amostra radioativa, m é a massa do material radioativo restante.

Meia-vida e constante de decomposição

Nos cálculos de radioatividade, um dos dois parâmetros ( constante de decaimento  ou  meia-vida ), que caracterizam a taxa de decaimento, deve ser conhecido. Existe uma relação entre a meia-vida (t 1/2 ) e a constante de decaimento λ. O relacionamento pode ser derivado da lei de decaimento, definindo N = ½ N o . Isto dá:

onde  ln 2  (o logaritmo natural de 2) é igual a 0,693. Se a constante de decaimento (λ) for dada, é fácil calcular a meia-vida e vice-versa.

Cadeia de Decaimento

Na física, uma  cadeia de decaimento radioativo  é uma sequência de  núcleos atômicos instáveis  e seus  modos de decaimento , que levam a um núcleo estável. As fontes desses núcleos instáveis ​​são diferentes, mas a maioria dos engenheiros lida com  cadeias de decaimento radioativo de ocorrência natural ,  conhecidas como  séries radioativas . Observe que, nos  reatores nucleares , existem muitos tipos de cadeias de decaimento de fragmentos de  fissão . Os fragmentos de fissão são  altamente instáveis  (radioativos) e sofrem mais  decaimentos radioativos  para se  estabilizar .

Veja também: Cadeia de decaimento radioativo

Calor de deterioração no reator

Decay Heat

Quando um reator é desligado, a fissão basicamente cessa, mas a  energia de decomposição  ainda está sendo produzida. A energia produzida após o desligamento é chamada de  calor de decomposição . A quantidade de produção de calor em decomposição após o desligamento é diretamente influenciada pelo  histórico de energia  (acúmulo de produtos de fissão) do reator antes do desligamento e pelo nível de queima de  combustível (acumulação de actinídeos – especialmente em caso de manuseio de combustível usado). Um reator operado em potência máxima por 10 dias antes do desligamento tem uma geração de calor de decomposição muito maior do que um reator operado em baixa potência no mesmo período. Por outro lado, quando o reator altera sua potência de 50% para 100% da potência total, a proporção de calor de decaimento / potência de nêutrons cai para aproximadamente metade do seu nível anterior e depois aumenta lentamente à medida que o estoque de produtos de fissão se ajusta ao novo poder.

O calor de decaimento produzido após o desligamento do reator com potência máxima é inicialmente equivalente a cerca de  6 a 7%  da energia térmica nominal. Como o  decaimento radioativo  é  um processo aleatório  no nível de átomos únicos, é governado pela  lei do decaimento radioativo . Observe que o combustível nuclear irradiado contém um grande número de isótopos diferentes que contribuem para o  calor em decomposição , todos sujeitos à lei de decaimento radioativo. Portanto, um modelo que descreve o  calor de decaimento  deve considerar o calor de decaimento como uma  soma das funções exponenciais com constantes de decaimento diferentes e contribuição inicial para a taxa de calor. Fragmentos de fissão com meia-vida curta são muito mais radioativos (no momento da produção) e contribuem significativamente para diminuir o calor, mas obviamente irão perder sua participação rapidamente. Por outro lado, fragmentos de fissão e elementos transurânicos com meia-vida longa são menos radioativos (no momento da produção) e produzem menos calor em decomposição, mas obviamente perderão sua participação mais lentamente. Essa taxa de geração de calor decaído diminui para  cerca de 1%  aproximadamente  uma hora  após o desligamento.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.