Radionuclídeo - Radionuclide

Um radionuclídeo ( nuclídeo radioativo , radioisótopo ou isótopo radioativo ) é um nuclídeo que possui excesso de energia nuclear, tornando-o instável. Esse excesso de energia pode ser usado de três maneiras: emitida do núcleo como radiação gama ; transferido para um de seus elétrons para liberá-lo como um elétron de conversão ; ou usado para criar e emitir uma nova partícula ( partícula alfa ou partícula beta ) do núcleo. Durante esses processos, diz-se que o radionuclídeo sofre decomposição radioativa . Essas emissões são consideradas radiação ionizante porque são poderosas o suficiente para liberar um elétron de outro átomo. O decaimento radioativo pode produzir um nuclídeo estável ou às vezes produzirá um novo radionuclídeo instável que pode sofrer decaimento adicional. O decaimento radioativo é um processo aleatório no nível de átomos individuais: é impossível prever quando um átomo em particular irá decair. No entanto, para uma coleção de átomos de um único nuclídeo, a taxa de decaimento e, portanto, a meia-vida ( t 1/2 ) para essa coleção, pode ser calculada a partir de suas constantes de decaimento medidas . A faixa de meia-vida dos átomos radioativos não tem limites conhecidos e se estende por uma faixa de tempo de mais de 55 ordens de magnitude.

Os radionuclídeos ocorrem naturalmente ou são produzidos artificialmente em reatores nucleares , ciclotrons , aceleradores de partículas ou geradores de radionuclídeos . Existem cerca de 730 radionuclídeos com meia-vida superior a 60 minutos (ver lista de nuclídeos ). Trinta e dois deles são radionuclídeos primordiais que foram criados antes da formação da Terra. Pelo menos outros 60 radionuclídeos são detectáveis ​​na natureza, seja como filhas de radionuclídeos primordiais ou como radionuclídeos produzidos por produção natural na Terra por radiação cósmica. Mais de 2.400 radionuclídeos têm meia-vida inferior a 60 minutos. A maioria deles é produzida apenas artificialmente e tem meias-vidas muito curtas. Para comparação, existem cerca de 252 nuclídeos estáveis . (Em teoria, apenas 146 deles são estáveis, e a outra 106 são acreditados para decaimento através decaimento alfa , decaimento beta , decaimento beta duplo , por captura de electrões , ou por captura de electrões dupla .)

Todos os elementos químicos podem existir como radionuclídeos. Mesmo o elemento mais leve, o hidrogênio , tem um radionuclídeo bem conhecido, o trítio . Elementos mais pesados ​​que o chumbo e os elementos tecnécio e promécio existem apenas como radionuclídeos. (Em teoria, os elementos mais pesados ​​que o disprósio existem apenas como radionuclídeos, mas alguns desses elementos, como ouro e platina , são observacionalmente estáveis e suas meias-vidas não foram determinadas).

A exposição não planejada a radionuclídeos geralmente tem um efeito prejudicial em organismos vivos, incluindo humanos, embora baixos níveis de exposição ocorram naturalmente sem danos. O grau de dano dependerá da natureza e extensão da radiação produzida, da quantidade e natureza da exposição (contato próximo, inalação ou ingestão) e das propriedades bioquímicas do elemento; com aumento do risco de câncer a consequência mais comum. No entanto, radionuclídeos com propriedades adequadas são usados ​​na medicina nuclear para diagnóstico e tratamento. Um traçador de imagem feito com radionuclídeos é chamado de traçador radioativo . Uma droga farmacêutica feita com radionuclídeos é chamada de radiofármaco .

Origem

Natural

Na Terra, os radionuclídeos de ocorrência natural se enquadram em três categorias: radionuclídeos primordiais, radionuclídeos secundários e radionuclídeos cosmogênicos .

  • Os radionuclídeos são produzidos na nucleossíntese estelar e explosões de supernova junto com nuclídeos estáveis. A maioria decai rapidamente, mas ainda pode ser observada astronomicamente e pode desempenhar um papel na compreensão dos processos astronômicos. Radionuclídeos primordiais, como o urânio e o tório , existem atualmente porque suas meias-vidas são tão longas (> 100 milhões de anos) que ainda não se deterioraram completamente. Alguns radionuclídeos têm meia-vida tão longa (muitas vezes a idade do universo) que a decadência só foi detectada recentemente e, para a maioria dos propósitos práticos, eles podem ser considerados estáveis, principalmente o bismuto-209 : a detecção dessa decadência significa que o bismuto foi não é mais considerado estável. É possível que a decadência seja observada em outros nuclídeos, acrescentando-se a esta lista de radionuclídeos primordiais.
  • Os radionuclídeos secundários são isótopos radiogênicos derivados da decomposição dos radionuclídeos primordiais. Eles têm meia-vida mais curta do que os radionuclídeos primordiais. Eles surgem na cadeia de decaimento dos isótopos primordiais tório-232 , urânio-238 e urânio-235 . Os exemplos incluem os isótopos naturais de polônio e rádio .
  • Isótopos cosmogênicos , como o carbono-14 , estão presentes porque estão continuamente sendo formados na atmosfera devido aos raios cósmicos .

Muitos desses radionuclídeos existem apenas em pequenas quantidades na natureza, incluindo todos os nuclídeos cosmogênicos. Os radionuclídeos secundários ocorrerão em proporção à sua meia-vida, então os de curta duração serão muito raros. Por exemplo, o polônio pode ser encontrado em minérios de urânio em cerca de 0,1 mg por tonelada métrica (1 parte em 10 10 ). Outros radionuclídeos podem ocorrer na natureza em quantidades virtualmente indetectáveis ​​como resultado de eventos raros, como fissão espontânea ou interações de raios cósmicos incomuns.

Ficão nuclear

Os radionuclídeos são produzidos como resultado inevitável da fissão nuclear e explosões termonucleares . O processo de fissão nuclear cria uma ampla gama de produtos de fissão , a maioria dos quais são radionuclídeos. Outros radionuclídeos podem ser criados a partir da irradiação do combustível nuclear (criando uma variedade de actinídeos ) e das estruturas circundantes, produzindo produtos de ativação . Essa mistura complexa de radionuclídeos com diferentes químicas e radioatividade torna o manuseio de resíduos nucleares e a precipitação nuclear particularmente problemáticos.

Sintético

Nuclídeo artificial amerício-241 emitindo partículas alfa inseridas em uma câmara de nuvem para visualização

Os radionuclídeos sintéticos são sintetizados deliberadamente usando reatores nucleares , aceleradores de partículas ou geradores de radionuclídeos:

  • Além de serem extraídos do lixo nuclear, os radioisótopos podem ser produzidos deliberadamente com reatores nucleares, explorando o alto fluxo de nêutrons presente. Esses nêutrons ativam elementos colocados dentro do reator. Um produto típico de um reator nuclear é o irídio-192 . Os elementos que têm uma grande propensão a absorver os nêutrons no reator são considerados como tendo uma alta seção transversal de nêutrons .
  • Aceleradores de partículas, como os ciclotrons, aceleram as partículas para bombardear um alvo para produzir radionuclídeos. Os ciclotrons aceleram os prótons em um alvo para produzir radionuclídeos emissores de pósitrons, por exemplo, flúor-18 .
  • Os geradores de radionuclídeos contêm um radionuclídeo pai que decai para produzir uma filha radioativa. O pai geralmente é produzido em um reator nuclear. Um exemplo típico é o gerador de tecnécio-99m usado na medicina nuclear . O pai produzido no reator é o molibdênio-99 .

Usos

Os radionuclídeos são usados ​​de duas maneiras principais: ou apenas para sua radiação ( irradiação , baterias nucleares ) ou para a combinação de propriedades químicas e sua radiação (traçadores, biofármacos).

Exemplos

A tabela a seguir lista as propriedades dos radionuclídeos selecionados, ilustrando a gama de propriedades e usos.

Isótopo Z N meia-vida DM DE
keV
Modo de formação Comentários
Trítio ( 3 H) 1 2 12,3 anos β - 19 Cosmogênico o radionuclídeo mais leve, usado na fusão nuclear artificial , também usado para radioluminescência e como traçador transiente oceânico. Sintetizado a partir do bombardeio de nêutrons de lítio-6 ou deutério
Berílio-10 4 6 1.387.000 anos β - 556 Cosmogênico usado para examinar a erosão do solo, a formação do solo a partir do regolito e a idade dos núcleos de gelo
Carbon-14 6 8 5.700 anos β - 156 Cosmogênico usado para datação por radiocarbono
Flúor-18 9 9 110 min β + , EC 633/1655 Cosmogênico fonte de pósitrons, sintetizada para uso como um radiotraçador médico em exames PET .
Alumínio-26 13 13 717.000 anos β + , EC 4004 Cosmogênico exposição, datação de rochas, sedimentos
Cloro-36 17 19 301.000 anos β - , EC 709 Cosmogênico datação de exposição de rochas, traçador de água subterrânea
Potássio-40 19 21 1,24 × 10 9 y β - , EC 1330/1505 Primordial usado para datação de potássio-argônio , fonte de argônio atmosférico , fonte de calor radiogênico , maior fonte de radioatividade natural
Cálcio-41 20 21 99.400 anos CE Cosmogênico exposição de datação de rochas carbonáticas
Cobalt-60 27 33 5,3 anos β - 2824 Sintético produz raios gama de alta energia, usados ​​para radioterapia, esterilização de equipamentos, irradiação de alimentos
Krypton-81 36 45 229.000 anos β + Cosmogênico datação de águas subterrâneas
Estrôncio-90 38 52 28,8 anos β - 546 Produto de fissão produto de fissão de vida média ; provavelmente o componente mais perigoso da precipitação nuclear
Tecnécio-99 43 56 210.000 anos β - 294 Produto de fissão isótopo mais comum do elemento instável mais leve, mais significativo dos produtos de fissão de longa duração
Tecnécio-99m 43 56 6 horas γ, IC 141 Sintético radioisótopo médico mais comumente usado, usado como um traçador radioativo
Iodo-129 53 76 15.700.000 anos β - 194 Cosmogênico produto de fissão de vida mais longa ; traçador de água subterrânea
Iodo-131 53 78 8 d β - 971 Produto de fissão perigo de saúde de curto prazo mais significativo da fissão nuclear, usado na medicina nuclear, rastreador industrial
Xenon-135 54 81 9,1 h β - 1160 Produto de fissão mais forte conhecido "veneno nuclear" (absorvedor de nêutrons), com um efeito importante na operação do reator nuclear.
Césio-137 55 82 30,2 anos β - 1176 Produto de fissão outro grande produto de fissão de vida média de preocupação
Gadolínio-153 64 89 240 d CE Sintético Calibrando equipamento nuclear, triagem de densidade óssea
Bismuto-209 83 126 2,01 × 10 19 y α 3137 Primordial há muito considerado estável, decadência detectada apenas em 2003
Polônio-210 84 126 138 d α 5307 Produto decadente Altamente tóxico, usado no envenenamento de Alexander Litvinenko
Radon-222 86 136 3,8 d α 5590 Produto decadente gás, responsável pela maior parte da exposição pública à radiação ionizante, segunda causa mais frequente de câncer de pulmão
Thorium-232 90 142 1,4 × 10 10 y α 4083 Primordial base do ciclo de combustível de tório
Urânio-235 92 143 7 × 10 8 y α 4679 Primordial físsil , combustível nuclear principal
Urânio-238 92 146 4,5 × 10 9 y α 4267 Primordial Isótopo de urânio principal
Plutônio-238 94 144 87,7 a α 5593 Sintético usado em geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) e unidades de aquecedores de radioisótopos como uma fonte de energia para espaçonaves
Plutônio-239 94 145 24.110 anos α 5245 Sintético usado para a maioria das armas nucleares modernas
Americium-241 95 146 432 anos α 5486 Sintético usado em detectores de fumaça domésticos como um agente ionizante
Californium-252 98 154 2,64 y α / SF 6217 Sintético sofre fissão espontânea (3% de decaimentos), tornando-se uma poderosa fonte de nêutrons, usada como um iniciador de reator e para dispositivos de detecção

Chave: Z  =  número atômico ; N  =  número de nêutrons ; DM = modo de decaimento; DE = energia de decaimento; EC =  captura de elétrons

Detectores de fumaça domésticos

Recipiente de Americium-241 em um detector de fumaça.
Cápsula de Americium-241 encontrada no detector de fumaça. O círculo de metal mais escuro no centro é amerício-241; a caixa circundante é de alumínio.

Os radionuclídeos estão presentes em muitas casas, pois são usados ​​dentro dos detectores de fumaça domésticos mais comuns . O radionuclídeo usado é o amerício-241 , criado pelo bombardeio de plutônio com nêutrons em um reator nuclear. Ele decai emitindo partículas alfa e radiação gama para se tornar neptúnio-237 . Os detectores de fumaça usam uma quantidade muito pequena de 241 Am (cerca de 0,29 microgramas por detector de fumaça) na forma de dióxido de amerício . O 241 Am é usado porque emite partículas alfa que ionizam o ar na câmara de ionização do detector . Uma pequena tensão elétrica é aplicada ao ar ionizado que dá origem a uma pequena corrente elétrica. Na presença de fumaça, parte dos íons são neutralizados, diminuindo a corrente, o que ativa o alarme do detector.

Impactos nos organismos

Os radionuclídeos que chegam ao meio ambiente podem causar efeitos prejudiciais como a contaminação radioativa . Eles também podem causar danos se forem excessivamente usados ​​durante o tratamento ou de outras formas expostos a seres vivos, por envenenamento por radiação . Os danos potenciais à saúde decorrentes da exposição a radionuclídeos dependem de vários fatores e "podem prejudicar as funções de tecidos / órgãos saudáveis. A exposição à radiação pode produzir efeitos que vão desde vermelhidão da pele e queda de cabelo a queimaduras de radiação e síndrome de radiação aguda . A exposição prolongada pode levar a células sendo danificadas e, por sua vez, levar ao câncer. Os sinais de células cancerosas podem não aparecer até anos, ou mesmo décadas, após a exposição. "

Tabela de resumo para classes de nuclídeos, estáveis ​​e radioativos

A seguir está uma tabela de resumo para a lista de 989 nuclídeos com meia-vida superior a uma hora. Um total de 252 nuclídeos nunca foram observados em decadência e são classicamente considerados estáveis. Destes, acredita-se que 90 sejam absolutamente estáveis, exceto pelo decaimento do próton (que nunca foi observado), enquanto o resto é " observacionalmente estável " e teoricamente pode sofrer decaimento radioativo com meias-vidas extremamente longas.

Os restantes radionuclídeos tabulados têm meia-vida superior a 1 hora e são bem caracterizados (ver lista de nuclídeos para uma tabulação completa). Eles incluem 30 nuclídeos com meia-vida medida maior do que a idade estimada do universo (13,8 bilhões de anos), e outros quatro nuclídeos com meia-vida longa o suficiente (> 100 milhões de anos) que são nuclídeos primordiais radioativos e podem ser detectados na Terra, tendo sobrevivido de sua presença na poeira interestelar desde antes da formação do sistema solar, cerca de 4,6 bilhões de anos atrás. Outros 60+ nuclídeos de vida curta podem ser detectados naturalmente como filhas de nuclídeos de vida mais longa ou produtos de raios cósmicos. Os restantes nuclídeos conhecidos são conhecidos apenas por transmutação nuclear artificial .

Os números não são exatos e podem mudar um pouco no futuro, visto que "nuclídeos estáveis" são considerados radioativos com meias-vidas muito longas.

Esta é uma tabela-resumo para os 989 nuclídeos com meia-vida superior a uma hora (incluindo aqueles que são estáveis), fornecidos na lista de nuclídeos .

Classe de estabilidade Número de nuclídeos Execução total Notas sobre total de execução
Teoricamente estável para tudo, exceto decaimento de prótons 90 90 Inclui os primeiros 40 elementos. Decadência de prótons ainda a ser observada.
Teoricamente estável para decaimento alfa , decaimento beta , transição isomérica e decaimento beta duplo, mas não fissão espontânea , o que é possível para nuclídeos "estáveis" ≥ nióbio-93 56 146 Todos os nuclídeos que são possivelmente completamente estáveis ​​(fissão espontânea nunca foi observada para nuclídeos com número de massa <232).
Energeticamente instável para um ou mais modos de decaimento conhecidos, mas nenhum decaimento ainda visto. Todos considerados "estáveis" até que a decadência seja detectada. 106 252 Total de nuclídeos classicamente estáveis .
Nuclídeos primordiais radioativos . 34 286 Os elementos primordiais totais incluem urânio , tório , bismuto , rubídio-87 , potássio-40 , telúrio-128 mais todos os nuclídeos estáveis.
Radioativo não primordial, mas de ocorrência natural na Terra. 61 347 Carbono-14 (e outros isótopos gerados por raios cósmicos ) e filhas de elementos primordiais radioativos, como rádio , polônio , etc. 41 deles têm meia-vida superior a uma hora.
Meia-vida sintética radioativa ≥ 1,0 hora). Inclui a maioria dos radiotraçadores úteis . 662 989 Esses 989 nuclídeos estão listados no artigo Lista de nuclídeos .
Sintético radioativo (meia-vida <1,0 hora). > 2400 > 3300 Inclui todos os nuclídeos sintéticos bem caracterizados.

Lista de radionuclídeos disponíveis comercialmente

Esta lista cobre os isótopos comuns, muitos dos quais estão disponíveis em quantidades muito pequenas para o público em geral na maioria dos países. Outros que não são acessíveis ao público são negociados comercialmente nos campos industrial, médico e científico e estão sujeitos à regulamentação governamental.

Apenas emissão gama

Isótopo Atividade Meia-vida Energias ( keV )
Bário-133 9694 TBq / kg (262 Ci / g) 10,7 anos 81,0, 356,0
Cádmio-109 96200 TBq / kg (2600 Ci / g) 453 dias 88,0
Cobalt-57 312280 TBq / kg (8440 Ci / g) 270 dias 122,1
Cobalt-60 40700 TBq / kg (1100 Ci / g) 5,27 anos 1173,2, 1332,5
Europium-152 6660 TBq / kg (180 Ci / g) 13,5 anos 121,8, 344,3, 1408,0
Manganês-54 287120 TBq / kg (7760 Ci / g) 312 dias 834,8
Sódio-22 237540 Tbq / kg (6240 Ci / g) 2,6 anos 511,0, 1274,5
Zinco-65 304510 TBq / kg (8230 Ci / g) 244 dias 511,0, 1115,5
Tecnécio-99m 1,95 × 10 7  TBq / kg (5,27 × 10 5 Ci / g) 6 horas 140

Apenas emissão beta

Isótopo Atividade Meia-vida Energias (keV)
Estrôncio-90 5180 TBq / kg (140 Ci / g) 28,5 anos 546,0
Thallium-204 17057 TBq / kg (461 Ci / g) 3,78 anos 763,4
Carbon-14 166,5 TBq / kg (4,5 Ci / g) 5730 anos 49,5 (média)
Trítio (hidrogênio-3) 357050 TBq / kg (9650 Ci / g) 12,32 anos 5,7 (média)

Apenas emissão alfa

Isótopo Atividade Meia-vida Energias (keV)
Polônio-210 166500 TBq / kg (4500 Ci / g) 138,376 dias 5304,5
Urânio-238 12.580 kBq / kg (0,00000034 Ci / g) 4,468 bilhões de anos 4267

Múltiplos emissores de radiação

Isótopo Atividade Meia-vida Tipos de radiação Energias (keV)
Césio-137 3256 TBq / kg (88 Ci / g) 30,1 anos Gama e beta G: 32, 661,6 B: 511,6, 1173,2
Americium-241 129,5 TBq / kg (3,5 Ci / g) 432,2 anos Gama e alfa G: 59,5, 26,3, 13,9 A: 5485, 5443

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos