miniatura|Mapa dos nuclídeos conhecidos em 2013. A grande maioria é formada por radionuclídeos. Alguns nuclídeos considerados estáveis por observação aparecem como radionuclídeos no mapa.
Um radionuclídeo ou nuclídeo radioativo é um nuclídeo que apresenta radioatividade. Um radioisótopo é um isótopo radioativo de um elemento específico. Os dois termos são usados com frequência como sinônimos, embora "radionuclídeo" permita distinguir estados nucleares diferentes do mesmo isótopo. O tecnécio-99 e o tecnécio-99m, por exemplo, têm o mesmo número de prótons e nêutrons, mas correspondem a estados nucleares diferentes. Um radionuclídeo instável sofre decaimento radioativo. Seu produto pode ser outro radionuclídeo, formando uma cadeia de decaimento, ou um nuclídeo estável.
O decaimento radioativo é um processo aleatório no nível de átomos individuais. Não é possível prever quando um átomo específico irá decair. Em uma coleção de átomos do mesmo radionuclídeo, a taxa de decaimento pode ser medida e sua meia-vida, t1/2, determinada. A meia-vida está relacionada à constante de decaimento, λ, por . As meias-vidas dos radionuclídeos conhecidos abrangem mais de 50 ordens de grandeza. Entre os nuclídeos de vida muito longa, o telúrio-128 apresenta uma meia-vida de duplo decaimento beta estimada por medições geoquímicas em cerca de 2,25 × 1024 anos.
Todos os elementos químicos têm radionuclídeos. Até o hidrogênio, o elemento mais leve, possui um radioisótopo, o trítio, embora hélio, lítio e boro não tenham nenhum com meia-vida superior a um segundo. Os elementos mais pesados que o chumbo, com número atômico Z > 82, além do tecnécio e do promécio, não possuem isótopos estáveis. O bismuto pode ser considerado estável em muitas aplicações, pois a meia-vida do bismuto-209 é de cerca de 2 × 1019 anos, aproximadamente 1,5 bilhão de vezes a idade do Universo.
A radiação emitida por radionuclídeos pode ionizar a matéria. A exposição à radiação ionizante pode danificar organismos vivos, e seus efeitos dependem da dose, do tipo de radiação, da duração da exposição e dos tecidos atingidos.
Decaimento e notação
Um nuclídeo pode ser escrito pelo símbolo químico do elemento acompanhado do número de massa no sobrescrito à esquerda, como 60Co. O número atômico pode aparecer no subscrito à esquerda, como , mas costuma ser omitido porque já é determinado pelo símbolo químico. Outra forma comum é escrever o nome ou símbolo seguido do número de massa, como cobalto-60 ou Co-60. Um estado nuclear metaestável recebe a letra m junto ao número de massa, como em 99mTc. Quando há mais de um estado metaestável, podem ser usados índices como m1 e m2.
No decaimento alfa, o núcleo emite uma partícula alfa, formada por dois prótons e dois nêutrons ligados entre si. O número de massa diminui em quatro unidades e o número atômico em duas. No decaimento beta negativo, um nêutron do núcleo se transforma em um próton com a emissão de um elétron e de um antineutrino. O número atômico aumenta em uma unidade, enquanto o número de massa permanece o mesmo. No decaimento beta positivo, um próton do núcleo se transforma em um nêutron, com emissão de um pósitron e de um neutrino. O número atômico diminui em uma unidade, sem mudança do número de massa. A captura eletrônica produz a mesma mudança em Z ao converter um próton em um nêutron pela captura de um elétron. A emissão de radiação gama reduz a energia do núcleo sem alterar seus números atômico e de massa.
Produção e efeitos
Métodos de produção artificial de radionuclídeos usam fontes de nêutrons, entre elas os reatores nucleares, e aceleradores de partículas, como os cíclotrons.
A exposição à radiação proveniente de radionuclídeos pode causar danos a organismos, inclusive seres humanos, embora a exposição à radiação natural faça parte do ambiente. Os efeitos dependem do tipo de radiação, como alfa, beta, gama ou radiação de nêutrons, da dose e da forma de exposição. A inalação e a ingestão podem levar radionuclídeos ao interior do organismo, onde suas propriedades químicas afetam a distribuição e o tempo de permanência nos tecidos. A toxicidade química do material é distinta de seus efeitos radiológicos. Doses altas podem provocar síndrome aguda da radiação. A exposição à radiação ionizante também pode elevar a probabilidade de câncer induzido por radiação. A síndrome crônica da radiação pode ocorrer em condições de exposição prolongada suficientemente intensa. Radionuclídeos fazem parte da precipitação nuclear produzida por armas nucleares e podem ser empregados em armas radiológicas.
Na medicina nuclear, radionuclídeos são usados no diagnóstico e no tratamento. A teranóstica, também chamada de teragnóstica, combina diagnóstico e terapia usando agentes relacionados ou o mesmo alvo molecular. Um traçador de imagem produzido com radionuclídeos é um traçador radioativo. A terapia com radionuclídeos é uma forma de radioterapia. Um medicamento que contém radionuclídeos é chamado de radiofármaco.
Origens
Os radionuclídeos encontrados na Terra têm origens diferentes. Os primordiais estavam presentes no material que formou o Sistema Solar e persistem por terem meias-vidas muito longas. Os radiogênicos são produzidos pelo decaimento de outros nuclídeos. Os cosmogênicos surgem da interação de raios cósmicos e de suas partículas secundárias com núcleos na atmosfera, no solo e em outros materiais. Reações nucleares naturais também produzem nuclídeos nucleogênicos. Radionuclídeos artificiais são produzidos em reatores e aceleradores, ou obtidos de geradores de radionuclídeos.
Visão geral
As listas de nuclídeos distinguem estados fundamentais e estados isoméricos. A avaliação NUBASE2020, publicada em 2021 com dados disponíveis até outubro de 2020, reuniu propriedades dos estados fundamentais de 3.340 nuclídeos e de 1.938 estados isoméricos com meia-vida igual ou superior a 100 ns. Também apresentou estimativas para núcleos ainda não observados, separadas dos dados experimentais. Esses números pertencem àquela avaliação e não constituem uma contagem permanentemente atualizada.
miniatura|Mapa dos nuclídeos em função do número de prótons, Z, e do número de nêutrons, N. As cores correspondem às meias-vidas. Os dados usados na figura são do National Nuclear Data Center e correspondem à base disponível em 2012.
Naturais
Entre os radionuclídeos naturais estão os primordiais e aqueles continuamente produzidos por decaimento ou por outras reações nucleares.
Radionuclídeos são produzidos pela nucleossíntese estelar e em explosões de supernova, juntamente com nuclídeos estáveis. Muitos decaem rapidamente, mas alguns podem ser observados astronomicamente e usados no estudo de processos astrofísicos. Radionuclídeos primordiais, como isótopos de urânio e tório, têm meias-vidas suficientemente longas para que parte do material anterior à formação da Terra ainda esteja presente. Alguns têm meias-vidas muito maiores que a idade do Universo e podem ser considerados estáveis em muitas aplicações. O bismuto-209 foi classificado como estável até a detecção de seu decaimento alfa em 2003. Outros nuclídeos classificados como estáveis por observação podem apresentar decaimentos ainda não detectados. Radionuclídeos secundários são produzidos pelo decaimento de outros radionuclídeos. Nas cadeias de decaimento do tório-232, urânio-238 e urânio-235, encontram-se isótopos naturais de polônio e rádio, com meias-vidas menores que as dos nuclídeos primordiais que iniciam essas cadeias. Produtos radiogênicos também podem ser estáveis, como os isótopos de chumbo nos quais essas cadeias terminam. Radionuclídeos cosmogênicos, como o carbono-14, permanecem presentes porque são continuamente produzidos na Terra pela ação de raios cósmicos e das partículas secundárias que eles geram.
Outros radionuclídeos naturais surgem por fissão espontânea, captura de nêutrons e outras reações nucleogênicas. A origem de um radionuclídeo não é necessariamente exclusiva, pois a mesma espécie nuclear pode ser produzida por processos diferentes.
Atividades humanas também podem concentrar radionuclídeos que já estavam presentes em materiais naturais. Rochas fosfáticas contêm urânio, tório e rádio, e a produção de fertilizantes fosfatados transfere parte desses radionuclídeos para resíduos como o fosfogesso. A combustão de carvão concentra parte dos radionuclídeos presentes no combustível em cinzas e outros resíduos de combustão.
Muitos radionuclídeos naturais existem apenas em quantidades-traço. Em uma cadeia que atingiu o equilíbrio secular, com um nuclídeo-pai de meia-vida muito maior que a dos descendentes e sem perdas relevantes de material, as atividades dos membros de um ramo sem bifurcações são aproximadamente iguais. Nessas condições, seus números de átomos são proporcionais às respectivas meias-vidas. Essa relação não vale para qualquer amostra, pois processos químicos, transporte e escape de gases podem romper o equilíbrio. O polônio-210, por exemplo, ocorre em quantidades muito pequenas nos minérios de urânio, da ordem de menos de 0,1 mg por tonelada de urânio natural.
Fissão nuclear
Radionuclídeos são produzidos pela fissão nuclear e por explosões de armas nucleares. A fissão cria muitos produtos de fissão, e a maior parte deles é radioativa. Outros radionuclídeos surgem pela irradiação do combustível nuclear, que forma diferentes actinídeos, e das estruturas ao redor, produzindo produtos de ativação. A mistura de radionuclídeos com propriedades químicas e meias-vidas diferentes exige métodos de tratamento, armazenamento e contenção adequados para os resíduos radioativos. Os mesmos fatores afetam o comportamento da precipitação nuclear no ambiente.
Sintéticos
miniatura|Amerício-241 emitindo partículas alfa em uma câmara de nuvens
Radionuclídeos sintéticos são produzidos em reatores nucleares ou aceleradores de partículas, de forma deliberada ou como subproduto. Outros surgem pelo decaimento dos nuclídeos assim produzidos.
Além da extração de produtos de fissão, radioisótopos podem ser produzidos deliberadamente em reatores, aproveitando o alto fluxo de nêutrons. Os nêutrons ativam materiais colocados no reator. Um produto típico é o irídio-192, obtido pela captura de nêutrons pelo irídio-191 presente em alvos de irídio. A seção de choque de nêutrons quantifica a probabilidade de uma determinada interação e depende da energia dos nêutrons. Aceleradores de partículas, como os cíclotrons, aceleram partículas que bombardeiam um alvo para produzir radionuclídeos. O flúor-18, usado em tomografia por emissão de pósitrons, pode ser produzido bombardeando água enriquecida em oxigênio-18 com prótons por meio da reação 18O(p,n)18F. Geradores de radionuclídeos, comuns na obtenção de radioisótopos médicos, contêm um radionuclídeo-pai que decai e produz um radionuclídeo-filho de meia-vida menor. O gerador de tecnécio-99m usa molibdênio-99, cuja meia-vida é de aproximadamente 66 horas. Seu produto, o tecnécio-99m, tem meia-vida de aproximadamente seis horas e pode ser separado do gerador no próprio serviço de medicina nuclear.
Usos
Radionuclídeos são usados pela radiação que emitem, como na irradiação e em baterias nucleares, ou pela combinação de suas propriedades químicas com a radiação, como em traçadores e radiofármacos. Em estudos científicos, um radionuclídeo também pode ser empregado apenas por suas propriedades químicas quando o elemento não possui forma estável.