PROFESSOR

PAULO CESAR

PORTAL DE ESTUDOS EM QUÍMICA
 

DICAS PARA O SUCESSO NO VESTIBULAR: AULA ASSISTIDA É AULA ESTUDADA - MANTER O EQUILÍBRIO EMOCIONAL E O CONDICIONAMENTO FÍSICO - FIXAR O APRENDIZADO TEÓRICO ATRAVÉS DA RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS.

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Radioatividade

 

RADIOATIVIDADE

ÍNDICE

bulletDefinição
bulletDescoberta da Radioatividade Natural
bulletTipos de Radiações
bulletLeis da Radiatividade
bulletCinética das Radiações
bulletTransmutação artificial
bulletEnergia Nuclear
bulletBomba Atômica
bulletBomba de Nêutrons
bulletReator Nuclear
bulletAplicações de alguns radioisótopos
bulletMétodo da datação com carbono-14
bulletIdade da Terra

 

1. Definição

Radioatividade é o fenômeno pelo qual um núcleo instável emite espontaneamente entidades (partículas, ondas) numa reação nuclear denominada decomposição radioativa ou decaimento, transformando-se em outro núcleo mais estável.

As entidades emitidas pelo núcleo são denominadas de radiações.

O fenômeno da radioatividade é exclusivamente nuclear, isto é, ele se deve unicamente ao núcleo do átomo. Ela não é afetada por nenhum fator externo como pressão e temperatura.

2. Descoberta da Radioatividade Natural

Este processo foi descoberto, quase acidental-mente, por Henri Becquerel, um cientista francês, em 1896. Quando estudava fluorescência dos sais de urânio, descobriu que eles liberavam um novo tipo de radiação de alta energia, capaz de escurecer uma chapa fotográfica. Aparentemente, esta radiação nunca tinha sido detectada antes, apesar do elemento urânio ser conhecido há mais de um século.

Becquerel mostrou que a velocidade de emissão da radiação a partir de um sal de urânio [K2UO2(SO4)2 — sulfato duplo de Potássio e Uranilo] era diretamente proporcional à quantidade de urânio presente.

Havia uma exceção a esta regra. Um certo mineral de urânio denominado Pechblenda liberava radiação a uma velocidade quatro vezes maior do que se calculava com base no conteúdo de urânio. Em 1898, Marie e Pierre Curie, colegas de Becquerel na Universidade de Sourbone, tentaram encontrar o ingrediente ativo de Pechblenda. Eles isolaram uma fração de um grama de um novo elemento a partir de uma tonelada de minério. Este elemento era mais intensamente radioativo do que o urânio. Eles denominaram-no polônio, em homenagem à Polônia, o país de origem de Marie Curie. Seis meses mais tarde, os Curie isolaram outro elemento novo, fortemente radioativo: o rádio. O prêmio Nobel de Física, em 1903, foi concedido conjuntamente a Becquerel e aos Curie, devido ao feito realizado.

A radiação liberada na radioatividade natural pode ser separada por um campo elétrico ou magnético em três tipos distintos. A figura a seguir ilustra tal separação através de utilização de um campo elétrico.

Resumindo temos:

Tipos de radiação mais comuns

 

 

 

 

 

 

3. Tipos de Radiações

3.1. Radiação Alfa (α)

Consiste em um feixe de partículas carregadas positivamente (partículas alfa) com cargas 2 + e uma massa 4 na escala de massa atômica, que se refere a dois prótons e dois nêutrons. Essas partículas são idênticas aos núcleos de átomos de hélio comuns, .

Ao que parece, são emitidas com velocidade não muito inferior a 20 000 km/s. Têm pequeno poder de penetração. Quando atravessam uma camada de ar, perdem rapidamente energia pela colisão com as moléculas do ar, sendo, por este motivo, retidas em poucos centímetros. A radiação alfa é interceptada por uma folha de papel ou pela camada de células mortas da superfície da pele.

3.2. Radiação Beta (β)

A radiação beta é constituída por um feixe de partículas carregadas negativamente (partículas beta), idênticas, em propriedade, aos elétrons. A ejeção de uma partícula beta (massa 0, carga = -1) converte um nêutron (massa = 1, carga = 0) no núcleo em próton (massa = 1, carga = +1).

A partícula beta é cerca de sete mil vezes mais leve que a partícula alfa, com velocidade que pode chegar a 95% da velocidade da luz, daí possuindo maior poder de penetração. Ela atravessa uma forma de papel, porém é interceptada por uma fina placa de chumbo. A radiação beta atravessa a camada superficial da pele, podendo causar queimaduras, porém sem chegar a atingir órgãos internos.

3.3. Radiação Gama (γ)

Consiste em fótons de alta energia, de comprimento de onda muito curto (γ = 0,0005 a 1,0 mm). A emissão de radiação gama acompanha a maioria dos processos radioativos. Um núcleo excitado, resultante de uma emissão alfa ou beta, libera um fóton (ondas eletromagnéticas) e passa para um nível de energia mais baixo e mais estável.

Por causa de sua grande energia e, praticamente, ausência de massa, tem alto poder de penetração. Atravessa facilmente a folha de papel, a placa de chumbo e até uma chapa de aço. Só uma parede de chumbo ou um enorme bloco de concreto são capazes de detê-la. A radioatividade gama passa facilmente através do corpo humano, causando danos irreparáveis às células. Entretanto, quando convenientemente dosadas, as radiações gama podem ser utilizadas para tratar algumas espécies de câncer, pois destroem as células cancerosas.

A figura acima mostra uma bomba de Cobalto: as radiações do Cobalto-60, usadas cuidadosamente, bloqueiam o crescimento das células cancerosas.

Veja o esquema:

As radiações gama são dirigidas através de um dispositivo para as células cancerosas, destruindo-as.

Resumindo:

 

4. Leis da Radioatividade

A emissão de partículas do núcleo de um átomo instável ocorre de acordo com algumas leis básicas, que foram formuladas por Ernest Rutherford em 1903, por Kasumir Fajans, professor de físico-química da Universidade de Munique, e por Frederick Soddy, professor em Oxford.

4.1. 1a Lei da Radioatividade (Soddy)

Quando um átomo emite uma partícula alfa , transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) duas unidades menor e de no de massa (A) quatro unidades menor.

Genericamente temos:

Exemplo:

4.2. 2a Lei da Radioatividade (Fajans)

Quando um átomo emite partículas beta , transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade superior e de mesmo número de massa (A). Quando um átomo emite partículas beta , transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade superior e de mesmo número de massa (A).

Genericamente temos:

Exemplo

4.3. Hipótese de Fermi

Enrico Fermi, um físico italiano, lançou a seguinte hipótese para explicar a emissão de partículas (semelhante aos elétrons) a partir do núcleo de um átomo:

“A partícula é emitida quando um nêutron instável se desintegra, convertendo-se em um próton."

O próton fica no núcleo e, como a massa do próton é praticamente igual à massa do nêutron, a massa total do átomo não se altera.

A partícula é expulsa do núcleo junto com a radiação e uma outra partícula subatômica chamada de neutrino , de carga elétrica igual a zero e massa desprezível.

 

 

Na figura ao lado, representa-se toda a série de decaimento radioativo do Urânio-238. Cada emissão ALFA corresponde a uma diminuição de 4 unidades no número de massa atômica e de 2 unidades no número atômico, pois a partícula alfa é o 4He2+. Uma emissão BETA não provoca alteração no número de massa, uma vez que um nêutron se transforma em um próton: com um consequente aumento do número atômico. O processo culmina com a emissão de elétrons - as partículas beta.

 

 

 

5. Cinética das Radiações

A radioatividade é um fenômeno estatístico. Isso significa que não é possível prever quanto tempo um determinado átomo levará para se desintegrar emitindo partículas ou ; mas é possível determinar quanto tempo uma amostra desses átomos levará para se desintegrar.

Período de Semidesintegração ou Meia-vida (p ou t1/2)

É o tempo necessário para que metade do número de átomos de determinada substância radioativa se desintegre.

Exemplo

Outros exemplos

Radioisótopos

Considere uma amostra de substância radioativa qualquer, tendo N0 átomos:

Podemos observar que, a cada período de meia-vida (P) que se passa, o número de átomos radioativos na amostra diminui pela metade.

Concluímos, então, que, após x períodos de meia-vida, o número de átomos radioativos que resta na amostra (n) pode ser calculado pela relação:

onde:

n = número de átomos final (restantes)

n0 = número de átomos inicial

X = número de períodos de meia-vida que se passou.

O tempo (t) necessário para que dos n0 átomos radioativos iniciais restem apenas n pode ser calculado pelo produto:

Sendo o números de átomos (n) diretamente proporcional à massa (m) de átomos na amostra, vale ainda a relação:

onde:

m = massa de átomos final (restantes)

m0 = massa de átomos inicial

X = número de períodos de meia-vida que se passou

Graficamente, podemos representar o processo de decaimento radioativo através da curva exponencial de decaimento:

6. Transmutação Artificial

A transmutação, velho sonho dos alquimistas, consiste em transformar um elemento em outro.

A primeira transmutação artificial foi realizada em 1919 por Rutherford, que colocou uma amostra de um material radioativo (polônio) em um frasco contendo nitrogênio. Após um certo tempo, verificou que o frasco continha oxigênio e não mais nitrogênio. Então, concluiu que o nitrogênio transformara-se em oxigênio.

O polônio emite partículas alfa, as quais bombardeiam os núcleos de nitrogênio transformando-os em núcleos de oxigênio.

Assim:

As partículas são hoje aceleradas em grandes aceleradores, como o ciclotron, o betatron e outros.

Em 1932, o cientista James Chadwick descobriu o nêutron através do bombardeamento do isótopo 9 do berílio com partículas alfa.

Em 1934, Irene Joliot-Curie, filha do casal Curie, conseguiu transformar núcleos de alumínio em núcleos de fósforos, também através de bombardeamento com partículas alfa.

Atualmente, realiza-se um grande número de reações nucleares bombardeando núcleos por núcleos mais leves, por partículas alfa, por nêutrons, por núcleos de deutério , etc.

Com o desenvolvimento da física nuclear, criaram-se em laboratório novos elementos graças às reações nucleares.  É  o  caso  do  Tc (Z = 43),  Pm (Z = 61), At (Z = 85), Fr (Z = 87) e de todos com número atômico acima de 92.

Além disso, provocando bombardeamento de núcleos leves com ou , obtemos emissão de nêutrons com alta velocidade.

A seguir, damos alguns exemplos de reações de transmutação artificial.

 

7. Energia Nuclear

A preocupação do homem, principalmente nesta segunda metade do século XX, tem sido a obtenção de energia. Todos nós sabemos da enorme quantidade de energia que pode ser obtida de um processo nuclear. De onde esta provém? A resposta é dada pela equação de Einsten , baseada na idéia de que a massa pode ser convertida em energia e vice-versa ou, melhor, massa e energia são diferentes, mas são manifestações interconvertíveis da mesma coisa.

Essa energia nuclear tão poderosa pode ser obtida através das reações de fissão e fusão.

7.1. Fissão Nuclear

Os descobridores da fissão nuclear

Em 1934, Enrico Fermi bombardeou átomos de urânio com nêutrons. A princípio, ele desconfiou da formação de elementos com número atômico maior que 92 (elementos transurânicos).

Em 1938, Otto Hahn Strassmann, repetindo a mesma experiência, constatou a existência do bário entre os produtos obtidos. Estranho, pois o bário, tendo número atômico 56, é um átomo com número atômico menor que 92 (elemento cisurânico). No mesmo ano, Meitner e Frisch explicaram o fenômeno admitindo a quebra ou fissão, ou desintegração do átomo de urânio.

Equacionado o processo temos:

 

Saiba Mais sobre...

Bomba Atômica

Testes com bombas nucleares nos EUA

O processo de fissão nuclear foi utilizado por um grupo de cientistas, liderados por J. Robert Oppenheimer, em Los Álamos (Novo México), na fabricação da bomba atômica (Bomba A), que foi detonada em 16 de julho de 1945, no campo experimental do Novo México (EUA), e militarmente usada no fim da Segunda Guerra Mundial contra as cidades japonesas de Hiroshima (Bomba A de urânio-235 em 6/8/45) e de Nagasaki (Bomba A de plutônio-238 em 9/8/45).

Como funciona a Bomba “A”

No processo de fissão ocorre uma reação em cadeia. Teoricamente, bastaria apenas um nêutron para iniciar o processo, mas na prática exige-se uma massa mínima para que isto ocorra.

Essa massa mínima, acima da qual haverá detonação com reação em cadeia, é denominada massa crítica. Para o urânio-235, essa massa vale cerca de 40 kg.

 

Observe a animação:

 

 

Como a Bomba “A” Mata

A Bomba “A”, lançada em Hiroshima, em 6/8/45, era carregada com urânio-235, com uma potência de 20 quilotons, isto é, correspondente à carga de 20 000 toneladas de TNT (dinamite).

A bomba foi lançada a mais de mil metros de altitude, e a explosão teve início no momento em que duas massas subcríticas foram postas em contato através de um explosivo comum, iniciando a reação em cadeia. Nesse instante, a bomba é uma massa gasosa com temperatura da ordem de milhões de graus.

Imediatamente depois (0,0001 segundos), a massa gasosa se expandiu e emitiu elevadas quantidades de raio X e raios ultravioleta. Essa emissão de radiação eletromagnética foi absorvida pelo ar e provocou uma luminosidade tão intensa que poderia cegar as pessoas que a encarassem.

Uma vez absorvida a radiação, a massa detonou e o ar em redor dela formou uma bola de fogo que, ao expandir-se, destruiu todos os materiais inflamáveis e provocou queimaduras de primeiro, segundo e terceiro graus. O brilho luminoso podia destruir a retina.

Só agora, cerca de 6 segundos após a primeira fissão, a onda de choque atinge o solo iniciando a devastação mecânica.

A onda de choque se propagou rapidamente, seguida de deslocamento de ar provocado pela esfera de fogo. O fenômeno equivale a um furacão com ventos de 200 a 400 km/h.

Dois minutos depois da explosão, a esfera de fogo já estava completamente transformada em cogumelo que iria atingir a estratosfera. Os ventos que aí ocorrem disparam partículas pela atmosfera.

Nagasagi: 4 horas após touchdown

Hiroshima: 2 horas após touchdown

Fotografias de Hiroshima e Nagasaki obtidas algumas horas após as explosões. Os fotógrafos também foram vítimas da radiação

Aprecipitação radioativa pode prolongar-se por muitos anos e cair sobre qualquer ponto da Terra. Basicamente, este é o momento pelo qual ecologistas de todo o mundo e particularmente da Europa, se opõem à construção de usinas nucleares, pois as reações que ocorrem no reator nuclear são as mesmas verificadas durante a explosão da bomba atômica.

 

Saiba Mais Como Funciona....

BOMBA DE NÊUTRONS

A preocupação em uma guerra não é apenas conquistar o território inimigo a qualquer custo, mas proteger as tropas aliadas e manter as edificações e as armas dos inimigos para que sejam utilizadas posteriormente pelo exercito conquistador ou defensor.

A bomba de nêutron faz muito bem seu dever de casa quando se fala em eliminar, quer dizer, imobilizar o inimigo e preservar os prédios, casas, etc. sendo possível a utilização posterior destes. Então, como funciona a bomba de nêutron, como ela consegue isso?

Bom, a bomba de nêutron é uma bomba nuclear, melhor dizendo, termonuclear, que após uma reação de fusão entre os elementos que compõem a bomba os nêutrons não são absorvidos pela reação, o que permite que eles escapem com uma alta energia, bem como os raios-X que também são gerado nessa fusão nuclear.

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O nêutron, em altíssima energia gerada pela reação nuclear, é mais penetrante que outros tipos de radiação, como a radiação gama, então ela penetra em locais onde possa existir blindagem contra radiações.

A bomba de nêutron só tem ação sobre organismos vivos, o que dão as vantagens citadas acima para o exercito que a tem. Daí você me pergunta: Como assim ela só tem ação em organismos vivos? Como ela sabe o que é vivo e não é? Bom, os nêutrons não sabem o que é vivo ou não, o que acontece é que eles atingem a nível celular, ou seja, eles matam as células, e só têm célula os organismos vivos. Por exemplo, se uma bomba for lançada sobre Brasília, todos os prédios, carros, o Congresso, a Granja do Torto, permanecerão intactos. Porém, todas as pessoas, plantas e animais que lá estiverem, morrerão. Permaneceria intacta, de igual modo, a estrutura do corpo humano que for atingido pelos nêutrons. As pessoas não se desintegrariam ou virariam pó (como alguns poderiam imaginar)(com exceção daquelas que estiverem no epicentro da bomba), o individuo morreria porque todas as suas células estariam mortas, mas o seu corpo permaneceria intacto assim como as edificações do local.

A radiação dos nêutrons são dispersos, isto é, perde sua força, em um raio de 1,7km e desaparecem rapidamente.

O conceito da bomba de nêutron desenvolvido criado em 1958 por Samuel Cohen e testado em 1963, contra a vontade do presidente Kennedy. Em 1978 seu desenvolvimento foi adiado pelo presidente Jimmy Carter mas foi retomado em 1981 pelo presidente Ronald Reagan.

31983

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REATOR NUCLEAR

O reator nuclear do tipo PLUR (Pressurized Water Reactor) é um sistema em que a reação de fissão em cadeia é mantida sob controle e a energia liberada na fissão é usada como fonte de calor para ferver água, cujo vapor aciona uma turbina geradora que produz eletricidade como uma máquina térmica convencional. Tem-se, então, uma usina núcleo-elétrica, onde a fornalha convencional é substituída pelos núcleos em fissão.É o que chamamos de usina termonuclear.

As usinas termonucleares são utilizadas há vários anos em muitos países. No Brasil, a Central Nuclear de Angra dos Reis emprega a fissão de urânio.

1 g de madeira 0,0018 kWh energia para iluminar 1 lâmpada de 100 W, durante 1 min.

1 g de carvão 0,0037 kWh energia para iluminar 2 lâmpadas de 100 W, durante 1 min.

1 g de 235U 150 000 kWh energia para iluminar uma cidade de 500 000 habitantes durante 1 hora.

Visão seccional de uma usina nuclear tipo PWR

Reator nuclear (esquemático)

Usina Nuclear Brasileira

A Usina Nuclear de Angra dos Reis está localizada na praia de Itacuna, município de Angra dos Reis (RJ), a 130 km do Rio de Janeiro, 220 km de São Paulo e 350 km de Belo Horizonte. Esta localização atende a três requisitos fundamentais:

— Existe água fria em abundância por estar a usina à beira-mar;

— Possibilita o transporte de peças extremamente pesadas;

— Atende aos principais centros de consumo de energia elétrica da região Sudeste, já interligados por um sistema de transmissão confiável.

Lixo Atômico

Um dos maiores problemas de uso de reatores nucleares, descartando a constante possibilidade de um acidente, são os produtos residuais radioativos, ou chamado lixo atômico, produzido em grande escala.

Quando o urânio-235 está sobre fissão nuclear, ele desaparece, surgindo em seu lugar átomos radioativos de Ba e Kr. Os átomos de urânio-238, que absorvem nêutrons, também se transformam a partir de sucessivas emissões. Todo esse material é altamente radioativo e perigoso, constituindo-se num lixo incômodo. Anualmente, 1/3 do combustível é substituído. Se esses resíduos forem enterrados e se infiltrarem nos depósitos subterrâneos de água, ou então, se forem jogados ao mar em tambores que venham a sofrer corrosão ao longo dos anos, liberando seu conteúdo, os resultados serão desastrosos.

Alguns fragmentos radioativos desse lixo esgotam a sua atividade em pouco tempo. Outros demoram meses ou anos, enquanto poucos, como o Césio-137 e o Estrôncio-90, levam 600 anos para atingir um estado estável.

No processo de transmutação do reator nuclear surge o plutônio-239, material que, além de tóxico, é apropriado para uso explosivos em bombas atômicas. Politicamente, uma usina nuclear torna-se estratégica porque, em alguns anos, haverá suficiente plutônio para fazer uma bomba atômica.

O Acidente de Chernobyl

Chernobyl_1986

Apesar de toda a repercursão negativa, o acidente em Chernobyl matou menos de 30 pessoas, no total. A usina continha funcionando.

Uma das conseqüências ligada ao uso de reatores nucleares ocorreu em abril de 1986, na usina nuclear de Chernobyl, na Ucrânia (ex-URSS). Ocorreu falha no controle da temperatura interna do reator, superaquecendo a água do reator, rompendo a blindagem e lançando material radioativo na atmosfera, formando uma nuvem radioativa, observada pelos países vizinhos.

No interior da usina, o processo de fissão contínuo foi aumentando cada vez mais a temperatura e derretendo o piso. O reator começou a descer devido à ação do próprio peso. Os técnicos conseguiram introduzir uma grossa camada de concreto abaixo do nível em que se encontrava o reator, impedindo que ele atingisse os lençóis subterrâneos de água, o que seria desastroso em termos de espalhamento de lixo radioativo. A usina foi recoberta com várias toneladas de concreto. Debaixo dessa capa protetora, a fissão do material lá existente continuará por muitos anos.

7.2. Fusão Nuclear

Consiste na síntese (reunião) de núcleos, dando origem a um núcleo maior e mais estável, e na emissão de grande quantidade de energia. São necessárias altas temperaturas para que ocorra a fusão nuclear.

Esse processo é o que ocorre no Sol, onde núcleos de hidrogênio leve (prótio) se fundem, formando núcleos de hélio com liberação de alta quantidade de energia.

Essa reação que ocorre no Sol não pode ser realizada artificialmente, pois exige uma temperatura elevadíssima, da ordem de 10 milhões de graus Celsius.

Entretanto, em 1952, os cientistas conseguiram realizar a fusão-controlada, envolvendo não só prótio, mas também deutério, trítio e até mesmo núcleos de hélio.

Cientistas prevêem a construção de reatores de fusão com muitas vantagens sobre os reatores de fissão. As principais vantagens de um reator de fusão seriam sua economia e a virtual ausência de detritos radioativos e, portanto, não-poluentes. O maior problema que se encontra neste tipo de reator está, não somente em se reproduzirem as temperaturas necessárias à fusão, mas também em se conseguir um meio que suporte tais temperaturas.

 

Saiba mais sobre....

 

8. Aplicações de alguns radioisótopos

A fissão nuclear não é usada apenas para artefatos nucleares ou reatores nucleares, produtores de energia elétrica.

Através da fissão nuclear, podemos obter importantes isótopos radioativos, denominados radioisótopos, que apresentam muitas aplicações pacíficas no mundo moderno, como mostram as tabelas abaixo.

Na indústria, os isótopos radioativos são usados no controle de qualidade de chapas de metal e de outros materiais. Na medicina, os radioisótopos são empregados no diagnóstico e no tratamento de uma série de moléstias. Na agricultura, eles são usados para estudar o grau de absorção de fertilizantes, na obtenção de cereais mais resistentes e na destruição de insetos e fungos. A idade dos fósseis e da Terra pode também ser determinada através do estudo das radiações.

 

9. Método da Datação com Carbono-14

Este método é usado para determinar a idade de plantas e animais fósseis, de múmias, etc. e se baseia no processo a seguir descrito.

O isótopo carbono-14 forma-se a partir do 14N, pela ação dos raios cósmicos que vêm do espaço sideral, atravessam a atmosfera e arrancam nêutrons do ar. Estes, ao penetrarem na atmosfera, incidem sobre núcleos de nitrogênio, transformando-os em 14C radioativo, cuja meia-vida é de 5 600 anos.

O carbono reage com o oxigênio do ar, formando gás carbônico , que é absorvido pelas plantas (fotossíntese). Os animais que se alimentam de plantas fixam carbono em seus tecidos. Para cada átomo de existem 1012 átomos de carbono comum. Essa proporção é constante enquanto o animal ou vegetal estiver vivo. Ao morrerem, não havendo renovação dos organismos, a quantidade de 14C diminui progressivamente, por desintegração, segundo a reação.

Deste modo, medindo a radioatividade residual do fóssil, devemos calcular a sua idade. A grande dificuldade está no fato de essa radioatividade ser muito fraca.

São necessários, pois, contadores de grande proporção e, ainda por cima, isolados da influência de raios cósmicos e de seus subprodutos que chegam com freqüência à superfície da Terra. Com outras precauções, podemos efetuar datações de até 40 000 anos, com erros da ordem de 200 anos.

Assim que um organismo morre, ele pára de absorver novos átomos de carbono. A relação de carbono 12 por carbono 14 no momento da morte é a mesma que nos outros organismos vivos, mas o carbono 14 continua a decair e não é mais reposto. Numa amostra a meia-vida do carbono 14 é de 5.600 anos, enquanto a quantidade de carbono 12, por outro lado, permanece constante. Ao olhar a relação entre carbono 12 e carbono 14 na amostra e compará-la com a relação em um ser vivo, é possível determinar a idade de algo que viveu em tempos passados de forma bastante precisa.

Uma fórmula usada para calcular a idade de uma amostra usando a datação por carbono 14 é:

t = [ ln (Nf/No) / (-0,693) ] x t1/2

em que In é o logaritmo neperiano, Nf/No é a porcentagem de carbono 14 na amostra comparada com a quantidade em tecidos vivos e t1/2 é a meia-vida do carbono 14 (5.600 anos).

Por isso, se você tivesse um fóssil com 10% de carbono 14 em comparação com uma amostra viva, o fóssil teria:

t = [ln (0,10)/(-0,693)] x 5.700 anos

t = [(-2,303)/(-0,693)] x 5.700 anos

t = [3,323] x 5.700 anos

t = 18.940 anos de idade

Como a meia-vida do carbono 14 é de 5.700 anos, ela só é confiável para datar objetos de até 60 mil anos. No entanto, o princípio usado na datação por carbono 14 também se aplica a outros isótopos. O potássio 40 é outro elemento radioativo encontrado naturalmente em seu corpo e tem meia-vida de 1,3 bilhão de anos. Além dele, outros radioisótopos úteis para a datação radioativa incluem o urânio 235 (meia-vida = 704 milhões de anos), urânio 238 (meia-vida = 4,5 bilhões de anos), tório 232 (meia-vida = 14 bilhões de anos) e o rubídio 87 (meia-vida = 49 bilhões de anos).

O uso de radioisótopos diferentes permite que a datação de amostras biológicas e geológicas seja feita com um alto grau de precisão. No entanto, a datação por radioisótopos pode não funcionar tão bem no futuro. Qualquer coisa que tenha morrido após os anos 40, quando bombas nucleares, reatores nucleares e testes nucleares em céu aberto começaram a causar mudanças, será mais difícil de se datar com precisão.

 

Resumindo temos:

Com este tipo de datação, podemos fazer gráficos da história e da pré-história como o esquema abaixo.

 

Foram experimentos de datação com 14C que estimaram a idade do pedaço de tecido conhecido como Sudário de Turin ou, simplesmente, Santo Sudário. Milhões de pessoas acreditam que a imagem impressa no tecido seja o corpo de Cristo crucificado. Entretanto, os experimentos de datação mostraram que as plantas que forneceram as fibras do tecido (linho) foram cultivadas por volta de 1260 a 1390 D.C.. As análises foram feitas em 3 laboratórios independentes e diferentes, e apresentaram resultados similares. Céticos e religiosos têm questionado estes resultados, justificando que, talvez, um incêndio em 1532 D.C. e bactérias tenham contaminado o tecido com matéria orgânica mais recente. Várias outras técnicas de análise foram aplicadas e, hoje, um grupo de cientistas esta tentando reproduzir, artificialmente, o sudário e sua inscrição.

 

10. A Idade da Terra

Para estimar a idade da Terra, tomam-se duas amostras de minério de urânio: uma formada recentemente e outra presumivelmente datada da época de formação da Terra. A comparação entre as quantidades de urânio e de chumbo presentes nas amostras permite avaliar a idade do planeta. Para tanto, supõe-se que o chumbo presente nesses minérios provenha do isótopo do urânio-238.

Cada átomo de dá origem a um átomo de chumbo (); o número de átomos de existentes em um minério de urânio indica o número de átomos de que sofreu redução. Com base nesse raciocínio, os cientistas estimaram em 2,8 · 109 anos a idade do sistema solar.

 

Saiba Mais Como funciona.....

O Contador de Geiger

O contador Geiger (ou contador Geiger-Müller ou contador G-M) serve para medir certas radiações ionizantes (partículas alfa, beta ou radiação gama e raios-X, mas não os nêutrons). Este instrumento de medida, cujo princípio foi imaginado por volta de 1913 por Hans Geiger, foi aperfeiçoado por Geiger e Walther Müller em 1928.

O contador Geiger é constituído de um tubo Geiger-Müller e de um sistema de amplificação e de registro do sinal. O tubo Geiger-Müller, uma câmara metálica cilíndrica no eixo da qual é tendido um fino fio metálico, é enchido por um gás a baixa pressão. Uma tensão elétrica de ordem de 1000 volts é estabelecida entre o cilindro (que tem papel de cátodo) e o fio (ânodo).

Quando uma radiação ionizante penetra no contador, ela ioniza o gás, isto é, faz com que elétrons sejam liberados. Esses elétrons se multiplicam rapidamente por avalanche eletrônica, tornando o gás condutor durante um curto tempo (fenômeno de descarga elétrica). Após amplificação, o sinal elétrico assim produzido é registrado e traduzido para uma indicação visual (agulha, lâmpada) ou sonoro.

 

A Medicina Nuclear

Você provavelmente já viu, seja em hospitais ou em seriados médicos na TV, pacientes submetendo-se a radioterapia para câncer, e médicos requisitando tomografias computadorizadas para diagnósticos em seus pacientes. Essas são partes de uma especialidade médica chamada medicina nuclear. A medicina nuclear usa substâncias radioativas para obter imagens do corpo humano e tratar doenças. Tanto a fisiologia como a anatomia do organismo são consideradas para estabelecer o diagnóstico e o tratamento.

Neste artigo, explicaremos algumas das técnicas e termos usados em medicina nuclear. Você aprenderá como a radiação auxilia os médicos a ver o interior do corpo humano.

Principais radioisótopos usados na Medicina
Isótopo
Principais usos
3H
Trítio (hidrogênio-3)
Determinação do conteúdo de água no corpo
11C
Carbono-11
Varredura do cérebro com tomografia de emissão positrônica transversa (PET) para traçar o caminho da glucose
14C
Carbono-14
Ensaios de radioimunidade.
24Na
Sódio-24
Sistema circulatórioDetecção de constrições e obstruções do sistema circulatório.
32P
Fósforo-32
Detecção de tumores oculares, câncer de pele, ou tumores pós-cirúrgicos.
51Cr
Cromo-51
Diagnóstico de albumina, tamanho e forma da baço, disordens gastrointestinais.
59Fe
Ferro-59
Mal função das juntas ósseas, dianóstico de anemias
60Co
Cobalto-60
Tratamento do câncer.
67Ga
Gálio-67
Varredura de corpo inteiro com gálio-67Varredura do corpo inteiro para tumores.
75Se
Selênio-75
Varredura do pâncreas
81mKr
Criptônio-81m
varredura do pulmão com criptônio-81mVarredura da ventilação no pulmão.
85Sr
Estrôncio-85
Varredura dos ossosVarredura dos ossos para doenças, incluindo câncer.
99mTc
Tecnécio-99m
Fotoscan de corpo inteiro com Tc-99mUm dos mais utilizados: diagnóstico do cérebro, ossos, fígado, rins, músculos e varredura de todo o corpo..
131I
Iodo-131
fotoscan da tireóideDiagnóstico de mal funcionamento da glândula tireóide, tratamento do hipertireoidismo e câncer tireoidal.
197Hg
Mercúrio-197

Varredura dos rins
Varredura dos rins.


 
Tipos de radiação comumente empregados na medicina
 
Tipo de Radiação Fontes mais comuns Energia aproximada
(no uso)
Profundidade de penetração aproximada no
Ar Tecido Chumbo
Raios Alfa
(4He2+)
Rádio-226
Radônio-222
Polônio-210
5 MeV 4cm 0,05 mm 0
Raios Beta
(e-)
Trítio
Estrôncio-90
Iodo-131
Carbono-14
0,01 a 0,02 MeV 0,3 a 6 cm 0,06 a
4 mm
0,005 a 0,3 mm
Raios Gama
(fótons)
Cobalto-60
Césio-137
produtos do decaimento do Rádio-226
Tecnécio-99m
1 MeV 400 cm 50 cm 30 cm
Raios X
(fótons)
  90 a 250 keV 120 a 240 m 30 cm 1,5 mm

 

 

Diagnóstico por imagens na medicina nuclear

Como nosso corpo não é transparente, olhar para seu interior geralmente constitui um processo doloroso. No passado, a cirurgia exploratória era uma forma comum de examinar o interior do organismo, mas os médicos modernos têm à disposição uma enorme variedade de técnicas não invasivas. Alguns desses métodos incluem os raios X, ressonância magnética, tomografia computadorizada, ultra-som e assim por diante. Cada uma dessas técnicas têm vantagens e desvantagens que as torna úteis para diferentes condições clínicas e diferentes partes do organismo.

As técnicas de diagnóstico com imagens na medicina nuclear proporcionam aos médicos uma alternativa para investigar o nosso corpo. Elas combinam o uso de computadores, detectores, e substâncias radioativas. Entre essas técnicas estão:

bullettomografia por emissão de pósitrons (PET)
bullettomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)
bulletimagem cardiovascular
bulletvarredura óssea

Todos esses métodos usam diferentes propriedades de elementos radioativos para criar uma imagem. Veja como funciona a radioatividade para obter informações mais completas.

O diagnóstico por imagens em medicina nuclear é útil na detecção de:

bullettumores
bulletaneurismas (pontos frágeis na parede dos vasos sangüíneos)
bulletcirculação sangüínea irregular ou inapropriada em diversos tecidos
bulletdistúrbios nas células sangüíneas e funcionamento inadequado dos órgãos, como deficiências da tiróide e funções pulmonares
O uso de um teste específico, ou de uma combinação deles, dependerá dos sintomas do paciente e da doença a ser diagnosticada.

 

Radiografia de raios-X

Radiografia de raios-X dos ossos

Os raios passam através do corpo, mas são absorvidos mais nas regiões mais densas, como, por exemplo, nos ossos. A radiação, então, incide e impressiona uma chapa fotográfica: o filme fica escuro e opaco nas regiões atingidas pelos raios-X. Os órgãos que absorvem a radiação (e.g., ossos) protegem áreas correspondentes, no filme, contra e exposição. Com facilidade, pode-se perceber anomalias nos ossos (fraturas, descalcificação) ou nas juntas. Mesmo tecidos pouco densos podem ser visualisados por esta técnica, desde que com a introdução prévia de um contraste - qualquer material que absorva raios-X. Um dos contrastes mais utilizados é um sal de bário, que serve para contrastar regiões do trato digestivo. O paciente ingere um "leite de bário", que é uma solução aquosa do sal, antes de fazer o exame.

 

Tomografia por emissão de pósitrons (PET)

A PET produz imagens do organismo pela detecção da radiação emitida por substâncias radioativas. Essas substâncias são injetadas no corpo, sendo normalmente marcadas com um átomo radioativo, como carbono-11, flúor-18, oxigênio-15, ou nitrogênio-13, que têm um tempo de decaimento curto. Esses átomos radioativos são formados bombardeando substâncias químicas normais com nêutrons, para criar isótopos radioativos de meia vida curta. A PET detecta os raios gama emitidos no local onde um pósitron, emitido da substância radioativa, colide com um elétron no tecido (Figura 1).


Figura 1
 

Em uma varredura PET, uma substância radioativa é injetada no paciente, e este é colocado sobre uma mesa plana que se move gradualmente através de uma cobertura em forma de anel. Esta cobertura contém um arranjo circular de detectores de raios gama (Figura 2), que possui uma série de cristais de cintilação, cada um conectado a um tubo fotomultiplicador. Os cristais convertem os raios gama emitidos do paciente em fótons de luz, e os tubos fotomultiplicadores convertem os fótons em sinais elétricos e os amplificam. Estes sinais elétricos são então processados pelo computador para gerar imagens. A mesa é então movida, e o processo é repetido, resultando em uma série de imagens de finas fatias do corpo na região de interesse (por exemplo, cérebro, seios, fígado). Essas imagens de fatias podem ser montadas em uma representação tridimensional do corpo do paciente.


Figura 2

 

A PET mostra imagens da corrente sangüínea ou outras funções bioquímicas, dependendo do tipo de molécula que é radioativamente marcada. Por exemplo, a PET pode exibir imagens do metabolismo da glicose no cérebro, ou alterações rápidas da atividade de várias partes do corpo. Entretanto, existem poucas clínicas com PET no país porque elas precisam estar próximas a um acelerador de partículas que produza os radioisótopos de meia vida curta usados nessa técnica.

 

Tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)

A figura acima, por exemplo, é o resultado de uma análise de SPECT do coração, mostrando o dinamismo de seus movimentos, a sístole e a diástole. Para a leitura, é necessário a admissão prévia de compostos radioativos emissores de pósitrons - tal como o carbono-11. Este isótopo produz um pósitron por átomo, no decaimento. Um pósitron pode se combinar com um elétron (presente na matéria ordinária) e formar dois fótons, sob a forma de raios gama, que assumem direções completamente opostas.

+1e + -1e 2 g

 

SPECT é uma técnica similar à PET. Mas as substâncias radioativas usadas na SPECT (xenônio-133, tecnécio-99, iodo-123) possuem tempos de decaimento mais longos, e emitem raios gama simples ao invés de duplos. A SPECT pode fornecer informações acerca da circulação sanguínea e da distribuição de substâncias radioativas no organismo. Suas imagens são menos sensíveis e detalhadas, mas a técnica de SPECT é menos cara que a PET. Além disso, os centros com SPECT são mais acessíveis, porque não necessitam estar próximos a um acelerador de partículas.

 

Imagem cardiovascular

Imagem cardiovascular é uma técnica que usa substâncias radioativas para mapear a passagem do sangue através do coração e dos vasos sanguíneos. Um exemplo da técnica de imagem cardiovascular é o teste de estresse com tálio, no qual o paciente recebe uma injeção do composto de tálio radioativo, exercita-se em uma esteira mecânica e é filmado com uma câmera de raios gama. Depois de um período de descanso, o estudo é repetido sem o exercício. As imagens geradas antes e depois do exercício são comparadas e revelam mudanças no fluxo sangüíneo do coração em atividade. Estas técnicas são úteis para detectar artérias ou vasos capilares obstruídos no coração e outros tecidos.

 

Varredura óssea

Varredura óssea detecta a radiação emitida por uma substância radioativa (metilenodifosfonato marcado com tecnécio) que, quando injetado no organismo, acumula-se no tecido ósseo, já que esse tipo de tecido é um bom acumulador de compostos de fósforo. A substância se acumula em áreas de alta atividade metabólica, e a imagem produzida mostra os "pontos brilhantes" de alta atividade e os "pontos escuros" de baixa atividade. A varredura óssea é vantajosa para detecção de tumores, que normalmente têm alta atividade metabólica.

 

Tratamento usando medicina nuclear

As substâncias radioativas injetadas durante os exames com imagem não prejudicam o organismo. Os radioisótopos usados na medicina nuclear decaem rapidamente, em questão de horas ou até mesmo minutos, têm níveis de radiação menores que os raios X comuns ou que as tomografias computadorizadas, e são eliminados pela urina ou atividade intestinal.

 

Mas algumas células são  gravemente afetadas pela radiação ionizante (alfa, beta, gama e raios X). As células multiplicam-se em padrões diferentes e as que se multiplicam mais rápido são mais fortemente afetadas do que as outras células em razão de duas características:

bullet

as células possuem um mecanismo capaz de reparar o DNA danificado;

bullet

se, no momento da sua divisão, a célula perceber que o seu DNA está adulterado, ela irá se auto-destruir.

O mecanismo de reparo das células de multiplicação rápida tem menos tempo para detectar e consertar problemas com o DNA antes que a célula se divida, de forma que é mais provável que elas se auto-destruam quando corrompidas por radiação nuclear.

Já que muitas formas de câncer são caracterizadas pela rápida multiplicação de células, elas  podem ser tratadas com radioterapia. Geralmente são colocados cabos ou ampolas radioativas na região do tumor. Para tumores profundos ou situados em locais inoperáveis, são utilizados raios X de alta intensidade, focalizados sobre o tumor.

O problema com este tipo de tratamento é que as células normais que se reproduzem rapidamente podem ser também afetadas. Células de cabelo, células que revestem o estômago e intestinos, células da pele e sangüíneas, todas reproduzem-se rapidamente, podendo ser fortemente afetadas pela radiação. Isso ajuda a explicar por que as pessoas submetidas a essa terapia freqüentemente sofrem queda de cabelo e náuseas.

Os materiais nucleares também podem ser usados para criar traçadores radioativos, que podem ser injetados na corrente sangüínea. Um certo tipo de traçador trafega pelo sangue, permitindo que a estrutura dos vasos sangüíneos possa ser observada. Esse método de observação permite que coágulos e outras anormalidades do sangue possam ser facilmente detectadas. Além disso, certos órgãos concentram diferentes tipos de substâncias químicas: a glândula tireóide acumula iodo, assim, a injeção de iodo radioativo na corrente sangüínea poderá revelar certos tumores da tiróide. Da mesma forma, como os tumores cancerígenos acumulam fosfatos, podem ser descobertos com a introdução do isótopo de fósforo-32 radioativo na circulação sangüínea, já que este contém maior radioatividade.

 

Como funciona a Ressonância Nuclear Magnética Funcional (RNMf)

Visão geral de um aparelho de ressonância magnética
Visão geral de um aparelho de ressonância magnética

A tecnologia médica evoluiu tanto nos últimos anos que, hoje, os exames por imagem conseguem cortar o corpo em fatias extremamente finas obtendo imagens e criando modelos tridimensionais de órgãos e tecidos para descobrir anormalidades e diagnosticar doenças. Entretanto, um tipo relativamente novo de exame chamado  ressonância nuclear magnética funcional (RNMf) leva a tecnologia um passo além. Ele não apenas consegue ajudar a diagnosticar doenças cerebrais, como também permite que os médicos entrem em nossos processos mentais para determinar o que estamos pensando e sentindo. A RNMf ainda pode ser capaz de detectar se estamos falando a verdade.

 

O exame se baseia na mesma tecnologia da ressonância nuclear magnética (RNM) - um teste não-invasivo que utiliza um forte campo magnético e ondas de rádio para criar imagens detalhadas do corpo. Mas em vez disso, a RNMf analisa o fluxo sanguíneo no cérebro para detectar as áreas de atividade. Essas mudanças no fluxo, que são capturadas em um computador, ajudam os médicos a compreender melhor a forma como o cérebro funciona.

O conceito por trás de RNM existe desde o início do século 20. E no início da década de 30, Isidor Isaac Rabi, físico da Universidade de Columbia, fez experimentos com as propriedades magnéticas dos átomos. Ele descobriu que um campo magnético associado a ondas de rádio fazia com que os núcleos dos átomos "se movessem", uma propriedade conhecida hoje como ressonância magnética. Em 1944, Rabi ganhou o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho pioneiro.

Na década de 70, Paul Lauterbur, professor de química da Universidade Estadual de Nova Iorque, e Peter Mansfield, professor de física da Universidade de Nottingham, na Inglaterra, usaram individualmente a ressonância magnética como base para o desenvolvimento de uma nova técnica diagnóstica chamada de ressonância nuclear magnética. O primeiro scanner de RNM comercial foi produzido em 1980.

Então, no início da década de 90, o físico Seiji Ogawa - que estava trabalhando na Bell Laboratories, em Nova Jersey - descobriu, enquanto realizava estudos com animais, que a hemoglobina pobre em oxigênio (a molécula no sangue que conduz o oxigênio) era afetada por um campo magnético de forma diferente da hemoglobina rica em oxigênio. O físico percebeu que podia usar esses contrastes na quantidade de oxigênio do sangue para mapear as imagens da atividade cerebral em um exame normal de RNM.

A ideia básica por trás da descoberta de Ogawa foi proposta mais de meio século antes pelo químico Linus Pauling. Na década de 30, Pauling descobriu que a reação do sangue rico em oxigênio e do sangue pobre em oxigênio à força de um campo magnético era diferente em até 20%. Na RNMf, a localização dessas diferenças permite que os cientistas determinem as partes do cérebro que estão sendo irrigadas por sangue e por isso são mais ativas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Este site foi atualizado em 09/07/10