Entenda o que são emissões e reações nucleares

As reações químicas envolvem alterações na eletrosfera do átomo e obedecem às Leis Ponderais. No entanto, as reações nucleares ocorrem de maneira diferente. Elas envolvem alterações no núcleo do átomo e não obedecem às Leis Ponderais. Acompanhe esta aula para entender como ocorrem as reações e emissões nucleares.

Os átomos e a radioatividade

O átomo é a menor partícula fundamental da matéria. É formado por duas regiões: a eletrosfera e o núcleo. Os elétrons, que são dotados de carga negativa, se localizam na eletrosfera. Já o núcleo é formado por prótons, que são dotados de carga positiva, e os nêutrons, partículas sem carga.

Todo átomo é neutro, pois a quantidade de cargas positivas é igual à quantidade de cargas negativas. Mas, ao interagirem com outros átomos, podem ganhar ou perder elétrons, tornando-se íons.

Contudo, a radioatividade não está relacionada diretamente à quantidade de elétrons e suas interações. Na verdade, a radioatividade envolve a atividade do núcleo, sendo um fenômeno nuclear e natural.

Radioatividade

A radioatividade representa a capacidade que certos átomos possuem de emitir radiações eletromagnéticas e partículas de seus núcleos instáveis. A finalidade dessa emissão é adquirir estabilidade.

Sendo assim, a emissão de partículas faz com que o átomo radioativo de certo elemento químico se transforme em um átomo de um elemento químico diferente. A esse processo de emissão radioativa damos o nome de decaimento radioativo.

Como dito acima, a estabilidade do núcleo ocorre quando este libera partículas ou energia, sendo que as principais partículas envolvidas na radioatividade são: α, β e γ.

Emissões alfa

As emissões alfa (α) são formadas por partículas com cargas elétricas positivas e são constituídas por dois prótons e dois nêutrons. Apresentam velocidade média equivalente a 20.000 km/s, pois possuem uma massa muito grande e um poder de penetração pequeno, sendo detidas pela pele ou por uma folha de papel.

Podem ser representadas da seguinte maneira: ₂⁴α

Emissões beta

Já as emissões Beta (β) são partículas com cargas negativas e massa desprezível. Apresentam 95% da velocidade da luz e seu poder de penetração é cerca de 50 a 100 vezes maior do que as partículas alfa.

Podem ser detidas por 1 cm de alumínio e 2 mm de chumbo. Os danos causados ao nosso organismo são maiores do que as emissões alfa, podendo penetrar até dois cm no corpo humano e causar sérios danos.

Podem ser representadas da seguinte maneira:  _-1⁰β

Emissões gama

Por fim, as emissões gama (γ) são ondas eletromagnéticas da mesma natureza da luz, sendo semelhantes aos raios-x. Não apresentam carga elétrica e não possuem massa.

Possui uma velocidade igual à da luz, equivalente a 300.000 km/s, e seu poder de penetração é muito alto. Podem ser detidas por 5 cm de chumbo. Assim, causam danos muito sérios ao corpo humano, muitas vezes irreversíveis.

Podem ser representadas da seguinte maneira:

Reações nucleares

Como vimos até aqui, as reações nucleares envolvem alterações no núcleo dos átomos, que emite partículas alfa, beta e gama pela sua desintegração a fim de adquirir estabilidade química.

Para que isso ocorra, as reações nucleares envolvem a transmutação, a fissão e a fusão nuclear.

Transmutação

A transmutação representa a transformação de um núcleo em outro núcleo por bombardeamento de partículas.

Como exemplo podemos citar quando o átomo de nitrogênio é bombardeado com partículas alfa, formando o átomo de oxigênio.

Para entender melhor, veja a representação dessa reação a seguir:

₇N¹⁴     +    ₂α⁴  ⇀      ₈O¹⁷     +  ₁p¹

Ao observamos a reação, verificamos que em ambos os lados temos as mesmas quantidades de número de massa, igual a 18, e mesmo número atômico, igual a 9. Sendo assim, podemos perceber que os prótons mudaram de lugar no momento do bombardeamento.

Como outro exemplo de transmutação podemos citar o bombardeamento de nêutrons em um átomo de cloro, formando o átomo de fósforo, emitindo uma partícula alfa.

Observe a representação dessa reação a seguir:

₁₇Cl³⁵   +   ₀n¹    ⇀    ₁₅P³²    +    ₂α⁴

Da mesma maneira que na reação anterior, somados os números de massa e o número atômico dos elementos em cada lado da reação, teremos o mesmo resultado.

Fissão nuclear

A fissão nuclear representa a quebra do núcleo de um átomo grande em núcleos menores através de um nêutron. Quando se quebra, esse átomo libera dois átomos, três nêutrons e muita energia.

Os nêutrons liberados na reação irão provocar a fissão de novos núcleos, liberar outros nêutrons e provocar uma reação em cadeia. A energia liberada pela fissão provém da massa dos reagentes.

A fissão nuclear do urânio

Essa reação foi descoberta em 1938 pelo alemão Otto Hahn, que utilizou uma técnica de bombardeamento de núcleos atômicos com nêutrons. Ele utilizou um nêutron e disparou contra o átomo, porque o nêutron não sofre repulsão com os elétrons da eletrosfera e também não sofre repulsão com os prótons do núcleo, pois não apresenta carga.

Assim, consegue atravessar a eletrosfera e entra dentro do núcleo, deixando-o instável. O núcleo, por sua vez, irá se dividir em dois átomos menores, liberando grande quantidade de energia.

A primeira fissão nuclear foi feita no urânio 235, que produz bário e kriptônio através da seguinte reação:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹    ⇀   ₅₆Ba¹⁴²  + ₅₆Kr⁹¹ + 3 ₀n¹ + energia

Observe que cada átomo de urânio que se quebra, libera três nêutrons, que irão sucessivamente se chocar com outros núcleos de urânio, formando uma reação em cadeia.

Imagem 1: Desenho esquemático demonstrando a reação em cadeia provocada pela fissão nuclear do urânio através de um nêutron. Fonte da imagem: wikiciencias.casadasciencias.org

É importante destacar aqui que a fissão nuclear serve para construção de bombas atômicas e reatores de usinas nucleares. Portanto, é comum que este fenômeno seja citado em questões de química do Enem e dos vestibulares.

Esse processo apresenta riscos, pois todo núcleo produzido é radioativo. Assim, existe a produção de lixo nuclear, que exige armazenamento e um destino seguro para que não ocorram riscos aos seres vivos e o meio ambiente.

Fusão nuclear

Por fim, a fusão nuclear representa a união de núcleos leves, formando núcleos mais pesados através da absorção de energia.

Podemos citar, por exemplo, o que ocorre no sol, onde o deutério reage e se funde com o trítio, formando o elemento hélio. Temos dois núcleos mais leves que se unem formando um núcleo mais pesado do que eles.

₁H²   +     ₁H³   →    ₂He⁴   +   ₀n¹   +  Energia

É interessante frisar aqui que a bomba de hidrogênio é uma bomba de fusão nuclear, ao contrário da bomba atômica, que é uma bomba de fissão nuclear.

Para explodir uma bomba de hidrogênio, você antes explode uma bomba atômica. Esta irá liberar muita energia, o que faz com que os átomos de hidrogênio se fundam, liberando mais energia. A bomba de hidrogênio é mais potente que a bomba atômica.

Imagem 2: Desenho esquemático demonstrando o processo de explosão da bomba de hidrogênio. Fonte da imagem: infoescola.com.br

Exercícios resolvidos sobre reações nucleares

1- (UFRS-2016)

O Sol é a grande fonte de energia para toda a vida na Terra. Durante muito tempo, a origem da energia irradiada pelo Sol foi um mistério para a humanidade. Hoje, as modernas teorias de evolução das estrelas nos dizem que a energia irradiada pelo Sol provém de processos de ………. que ocorrem no seu interior, envolvendo núcleos de elementos leves.

a) espalhamento

b) fusão nuclear

c) fissão nuclear

d) fotossíntese

e) combustão

Resolução: A fusão nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo. A todo momento ocorrem fusões nucleares de hidrogênio no Sol. Portanto, a alternativa correta é b) fusão nuclear.

2- (Unimontes-MG-2010)

No sol, ocorre a combinação de isótopos do hidrogênio para formar hélio, com subsequente liberação de grande quantidade de energia. A equação dessa reação pode ser representada assim:

₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹

 Reação desse tipo ocorre, por exemplo, na explosão da bomba de hidrogênio. Considerando as informações dadas e as características da referida reação, todas as alternativas estão corretas, exceto

a) A reação nuclear é altamente exotérmica.

b) O novo núcleo é formado através da fusão.

c) A energia liberada pode ser convertida em energia elétrica.

d) A fissão nuclear de isótopos do hidrogênio produz nêutrons.

Resolução: a fissão ocorre quando um isótopo é bombardeado com um nêutron e libera energia. Portanto, a alternativa correta é a letra D.

Videoaula sobre reações nucleares

Para finalizar os seus estudos, veja esta videoaula do prof. Sobis sobre radioatividade no canal do YouTube do Curso Enem Gratuito e, em seguida, resolva os exercícios:

Exercícios sobre reações nucleares

Para terminar, resolva os exercícios sobre reações nucleares a seguir!

1- (FGV-2012)

Fissão nuclear e fusão nuclear:

a) Os termos são sinônimos

b) A fusão nuclear é responsável pela produção de luz e calor no Sol e em outras estrelas

c) Apenas a fissão nuclear enfrenta o problema de como dispor o lixo radioativo de forma segura

d) A fusão nuclear é atualmente utilizada para produzir energia comercialmente em muitos países

e) Ambos os métodos ainda estão em fase de pesquisa e não são usados comercialmente.

2- (MACKENZIE 2017)

A respeito dos processos de fissão e fusão nuclear, assinale a alternativa correta.

a) A fusão nuclear é o processo de junção de núcleos atômicos menores formando núcleos atômicos maiores, absorvendo uma grande quantidade de energia.

b) A fissão nuclear é o processo utilizado na produção de energia nas usinas atômicas, com baixo impacto ambiental, sendo considerada uma energia limpa e sem riscos.

c) No Sol ocorre o processo de fissão nuclear, liberando uma grande quantidade de energia.

d) A equação representa uma reação de fissão nuclear.

e) O processo de fusão nuclear foi primeiramente dominado pelos americanos para a construção das bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki.

3- (UERJ-2015)

O reator atômico instalado no município de Angra dos Reis é do tipo PWR — Reator de Água Pressurizada. O seu princípio básico consiste em obter energia através do fenômeno “fissão nuclear”, em que ocorre a ruptura de núcleos pesados em outros mais leves, liberando grande quantidade de energia. Esse fenômeno pode ser representado pela seguinte equação nuclear:

Os números atômico e de massa do elemento T estão respectivamente indicados na seguinte alternativa:

a) 27 e 91.

b) 37 e 90.

c) 39 e 92.

d) 43 e 93.

4- (ENEM-2011)

O avanço científico e tecnológico da física nuclear permitiu conhecer, com maiores detalhes, o decaimento radioativo dos núcleos atômicos instáveis, desenvolvendo-se algumas aplicações para a radiação de grande penetração no corpo humano, utilizada, por exemplo, no tratamento do câncer. A aplicação citada no texto se refere a qual tipo de radiação?

a) Beta.

b) Alfa.

c) Gama.

d) Raios X

e) Ultravioleta

Gabarito:

1. B
2. D
3. B
4. C

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