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.
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. 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.
Radioatividade, decaimento, radiação e atividade
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.
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.
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. 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.
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. Se as partículas atingirem o equilíbrio térmico com o ambiente e os fótons forem absorvidos, essa energia pode terminar como calor.
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. 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.
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. 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.
Na emissão alfa, a força forte mantém os núcleons unidos e o tunelamento quântico permite que a partícula alfa atravesse a barreira eletromagnética. O decaimento beta ocorre pela interação fraca, enquanto as transições gama dependem do eletromagnetismo. Os três modos envolvem interações fundamentais diferentes.
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. 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.