Radioatividade é a emissão espontânea de radiação por núcleos atômicos instáveis. A transformação ou perda de energia de um desses núcleos recebe o nome de decaimento radioativo, decaimento nuclear, desintegração radioativa ou desintegração nuclear. Um material que contém núcleos instáveis é chamado de radioativo. Entre as formas mais conhecidas de decaimento estão as emissões alfa, beta e gama.A nomenclatura varia um pouco entre os países lusófonos. Em Portugal, aparecem com frequência as formas "protão", "neutrão" e "positrão", correspondentes a "próton", "nêutron" e "pósitron" no português do Brasil. Para meia-vida também se encontram "semivida", "tempo de semi-vida" e "período de semidesintegração". O artigo mantém uma forma principal ao longo do texto para evitar alternâncias a cada frase.
Não é possível prever o instante em que um núcleo individual irá decair. Em grandes quantidades de átomos iguais, porém, o comportamento conjunto segue padrões estatísticos bem definidos, que podem ser expressos pela constante de decaimento e pela meia-vida. Dependendo do radionuclídeo, a meia-vida pode ser extremamente curta ou muito maior que a idade do Universo.
Em muitos tipos de decaimento, o núcleo original, chamado de radionuclídeo pai ou radioisótopo pai, transforma-se em um nuclídeo filho."Pai" e "filho" indicam a ordem da transformação, não a idade do átomo. O nuclídeo pai é o que existe antes do decaimento, e o filho é o que surge depois. Essa transformação pode alterar o número de prótons, de nêutrons ou de ambos. Quando muda o número de prótons, o átomo passa a pertencer a outro elemento químico.
Radionuclídeos existem na natureza e também podem ser produzidos em reatores e aceleradores. A radioatividade é usada na datação de materiais, na medicina, na indústria, em pesquisas científicas e na geração de calor para equipamentos espaciais. A quantidade de decaimentos de uma fonte não determina sozinha a dose nem o risco de uma exposição, que também dependem do tipo e da energia da radiação, da forma de contato e do material ou tecido atingido.
Conceitos fundamentais Radioatividade, decaimento, radiação e atividade miniatura|esquerda|upright=0.95|alt=Diagrama de um núcleo atômico emitindo uma partícula alfa, uma partícula beta e um fóton gama|Alfa, beta e gama são vias diferentes de perda de energia nuclear. Emissões de partículas podem mudar a composição do núcleo, enquanto a emissão gama reduz sua energia sem alterar o número de prótons e nêutrons. Quando um núcleo instável se transforma ou perde energia, ocorre um decaimento radioativo. A radioatividade é o fenômeno observado em uma população desses núcleos, a radiação é formada pelas partículas e pelos fótons emitidos, e a atividade mede o número esperado de transformações nucleares por unidade de tempo. Quando o decaimento muda o número de prótons ou nêutrons, ocorre uma transmutação nuclear. Processos que apenas retiram energia de um estado excitado, como a emissão gama ou a conversão interna, não mudam o elemento.Aqui, "atividade" não significa que o material esteja mais ou menos "ativo" no sentido comum da palavra. É uma contagem estatística de transformações nucleares ao longo do tempo.
A atividade informa quantos núcleos decaem em determinado intervalo, mas não diz sozinha quanta energia será absorvida por um corpo. Duas fontes com a mesma atividade podem emitir radiações com energias e poderes de penetração diferentes e, por isso, produzir doses e efeitos biológicos distintos.Contar quantos núcleos decaem é uma pergunta diferente de medir quanta energia chega a um corpo. É por isso que duas fontes com o mesmo número de decaimentos por segundo podem exigir cuidados diferentes.
Estabilidade nuclear e energia de decaimento
Para fins de classificação, costuma-se chamar de nuclídeo um estado nuclear com meia-vida superior a 2 × 10-14 s. Esse limite é convencional. Estados ainda mais breves são tratados como ressonâncias, por exemplo durante uma reação nuclear, porque sua duração é comparável à escala de tempo característica da força forte, responsável pela força nuclear.Nesse uso, uma ressonância é um estado tão breve que faz mais sentido tratá-lo como parte da própria reação do que como um nuclídeo que chegou a existir separadamente. A radioatividade, nesse sentido, é atribuída aos estados que entram na classificação de nuclídeos.
Nuclídeos podem ser estáveis ou instáveis, e os instáveis passam por um ou mais decaimentos até chegar a uma configuração estável. Conhecem-se 251 nuclídeos estáveis. Os dados nucleares avaliados abrangem propriedades de 3.340 nuclídeos em seus estados fundamentais e de 1.938 estados isoméricos com meia-vida de pelo menos 100 nanossegundos, além de separar núcleos ainda não observados cujas propriedades foram estimadas por extrapolação.Um nanossegundo é um bilionésimo de segundo. Mesmo 100 nanossegundos são apenas 0,0000001 segundo. miniatura|esquerda|upright=1.0|alt=Mapa de nuclídeos colorido por estabilidade e por modo de decaimento em função do número de prótons e nêutrons|No mapa de nuclídeos, cada posição corresponde a uma combinação de prótons e nêutrons. As regiões de estabilidade e os modos de decaimento mostram por que isótopos do mesmo elemento podem ter comportamentos nucleares muito diferentes.
Quando um núcleo decai, parte da diferença entre a massa de repouso inicial e a massa de repouso dos produtos pode aparecer como radiação ou como energia de movimento das partículas. Essa quantidade é chamada de energia de decaimento ou energia de desintegração e está relacionada à equivalência entre massa e energia, E = mc2.A energia liberada não desaparece. Ela muda de forma e pode acabar, por exemplo, no movimento das partículas ou no aquecimento do material ao redor. Se as partículas atingirem o equilíbrio térmico com o ambiente e os fótons forem absorvidos, essa energia pode terminar como calor.
miniatura|direita|upright=1.15|alt=Tabela periódica colorida conforme a estabilidade e a meia-vida do isótopo mais duradouro de cada elemento|A distribuição da radioatividade muda ao longo da tabela periódica. As cores agrupam os elementos pela estabilidade e pela meia-vida de seus isótopos mais duradouros, oferecendo uma visão geral que o mapa de nuclídeos detalha pela combinação de prótons e nêutrons.
A contabilidade completa usa a massa invariante do sistema, que inclui a energia dos fótons, a energia cinética das partículas emitidas e, depois da absorção, a energia térmica da matéria ao redor. A soma das massas de repouso das partículas pode mudar, mas a energia total e a massa invariante de um sistema fechado permanecem constantes.Em física nuclear, parte daquilo que antes aparecia como massa de repouso pode sair como energia de movimento ou radiação. A contabilidade completa de massa e energia continua fechando. Essa é a forma relativística de conciliar a conservação da energia com a conservação da massa.
Um modo de decaimento só é energeticamente possível quando seu valor Q é positivo, ou seja, quando a diferença entre as massas inicial e final pode virar energia cinética ou radiação. Mesmo assim, o processo pode ser muito lento, porque barreiras de potencial, regras de seleção e a intensidade da interação responsável alteram a probabilidade de ocorrer.Ter energia suficiente para um decaimento acontecer não quer dizer que ele acontecerá depressa. O núcleo ainda pode enfrentar impedimentos quânticos que tornam o processo muito improvável.
Decaimento espontâneo e reações induzidas Depois que um radionuclídeo existe em determinado estado, ele pode decair sem precisar ser atingido, aquecido ou acionado por algo externo. É nesse sentido que o decaimento é chamado de espontâneo."Espontâneo" não quer dizer que o instante do decaimento seja conhecido. Quer dizer que o núcleo não precisa ser atingido, aquecido ou acionado por algo de fora para poder decair. Uma reação nuclear, em comparação, começa com a interação de outra partícula ou de outro núcleo. Reatores e aceleradores podem provocar essas reações para produzir radionuclídeos, que depois seguem seus próprios decaimentos espontâneos.
Modos de decaimento miniatura|direita|upright=0.85|alt=Diagrama de um núcleo emitindo uma partícula alfa formada por dois prótons e dois nêutrons|Na emissão alfa, o núcleo perde dois prótons e dois nêutrons de uma só vez. Por isso, o número de massa diminui em quatro e o número atômico em dois. Na emissão alfa, a força forte mantém os núcleons unidos e o tunelamento quântico permite que a partícula alfa atravesse a barreira eletromagnética.No tunelamento quântico, uma partícula pode atravessar uma barreira que, pela física clássica, ela não teria energia suficiente para vencer. Esse efeito é essencial para entender a emissão alfa. O decaimento beta ocorre pela interação fraca, enquanto as transições gama dependem do eletromagnetismo. Os três modos envolvem interações fundamentais diferentes.
Emissões alfa, beta e gama
Campos elétricos e campos magnéticos permitiram separar as primeiras emissões radioativas em três feixes. Ernest Rutherford deu a eles os nomes alfa, beta e gama, em ordem crescente de capacidade de atravessar a matéria. Entre os emissores alfa que decaem a partir do estado fundamental, os núcleos mais leves conhecidos ficam na região do telúrio, de número atômico 52. O 104Te tem meia-vida alfa medida de 7,2+2,3-1,5 nanossegundos, a menor medida para um emissor alfa no estado fundamental.Na notação 104Te, "Te" é o símbolo químico do telúrio e 104 é o número de massa, isto é, o total de prótons e nêutrons do núcleo. O berílio-8 é muito mais leve, mas não forma um estado ligado e se separa quase imediatamente em duas partículas alfa.
Raios gama saem de estados nucleares excitados, muitas vezes depois de um decaimento alfa ou beta. O decaimento beta ocorre em nuclídeos leves e pesados. O chumbo, de número atômico 82, é o elemento mais pesado com isótopos estáveis dentro dos limites de medição. A partir do bismuto, de número atômico 83, todos os elementos têm apenas isótopos radioativos. O bismuto-209 decai tão lentamente que sua meia-vida, cerca de 2,0 × 1019 anos, é aproximadamente nove ordens de grandeza maior que a idade do Universo. Radioisótopos com meias-vidas tão longas podem ser tratados como estáveis em muitas aplicações."Estável na prática" não significa que o núcleo nunca decaia. Significa que a chance de observar um decaimento em escalas humanas é tão pequena que ele pode ser tratado como estável para muitos usos.
miniatura|esquerda|upright=0.95|alt=Diagrama com setas que relacionam modos de decaimento a mudanças no número de nêutrons e no número atômico|Os modos de decaimento alteram prótons e nêutrons de formas diferentes. A direção de cada seta permite acompanhar essas mudanças no mapa de nuclídeos, inclusive a captura eletrônica, indicada por EC. O desvio nos campos mostrou que as partículas alfa têm carga positiva, as beta têm carga negativa e os raios gama são neutros. A diferença de curvatura também mostrou que as partículas alfa são muito mais pesadas que as beta. Quando partículas alfa foram recolhidas em um tubo de descarga, seu espectro de emissão mostrou que elas eram núcleos de hélio. Outras experiências estabeleceram que a radiação beta e os raios catódicos são elétrons rápidos, enquanto a radiação gama e os raios X são formas de radiação eletromagnética de alta energia.Raios gama e raios X são da mesma natureza eletromagnética. A distinção usual está na origem: os raios gama vêm de transições nucleares, enquanto os raios X costumam ser produzidos por processos envolvendo elétrons.