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Trabalho de método radioativo das rochas e minerais
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UNIPAMPA – CAÇAPAVA DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE GEOFÍSICA
MÉTODOS RADIOMÉTRICOS
PROPRIEDADE RADIOMÉTRICA DOS MINERAIS E ROCHAS
Mar/2015
Rafael Ubirajara Rocha Ferreira
Jean De Carli
INTRODUÇÃO
A propriedade radiométrica da rocha permite o estudo litológico através da
Geofísica, que utiliza a emissão de partículas alfa, beta e gama, da radioatividade
natural dos minerais e das rochas, para detectar e localizar o depósito de interesse. O
estudo da distribuição de material radioativo no meio terrestre é realizado levando em
consideração a radiação eletromagnética emitida quando ocorre sua desintegração.
PRINCÍPIOS DA RADIOATIVIDADE
ÁtomoAntigamente, acreditava-se que o átomo era a menor estrutura da matéria que
apresenta as propriedades de um elemento químico sendo dividido em prótons, nêutrons
e elétrons, porém sabe-se hoje que existem estruturas menores.
O átomo é a parte fundamental de todo os elementos, consiste em núcleo pequeno (raio de ~ 10−13 cm), denso e carregado positivamente, rodeado por elétrons carregado negativamente com carga equivalente a do núcleo (Fig. 1) Comparativamente o nêutron não tem carga elétrica e é ligeiramente mais pesado que o próton. O elétron apresenta a mesma carga que o próton, porém de sinal contrário. Entretanto, é 1836 vezes mais leve (1/1836).
Figura 1 - Esquema da estrutura de um átomo (em Google.com/imagens/átomo).
PrótonO próton tem carga elétrica positiva, considerada uma partícula sub-atômica que
faz parte do núcleo de todos os elementos. É uma das partículas, que junto com o
nêutron, formam os núcleos atômicos. A quantidade de prótons define os diferentes
tipos de elementos químicos, sendo expresso pelo numero atômico (Z). A massa real de
um próton é de, aproximadamente 1,673x10−27 Kg, entretanto, atribui-se uma massa
relativa de valor 1. A carga elétrica real do próton é de, aproximadamente, 1,6x10−19
Coulomb, porém, de modo análogo à massa, atribuiu-se uma carga relativa de +1.
O próton é formado por dois quarks up e um down.
NêutronSão elementos do núcleo com massa 1,675x10−27 Kg e carga neutra. A sua
quantidade é expressa pelo número de nêutrons (N). Normalmente sua razão com o
próton é muito próxima de 1:1. Quando esta razão muda pelo incremento ou diminuição
do número de nêutrons diz-se que o elemento é um isótopo.
ElétronGeralmente representado como e-, é uma partícula subatômica que circunda o
núcleo atômico, identificada em 1897 pelo inglês John Joseph Thomson de carga
negativa de 1,602 ×10-19 C é o responsável pela criação de campos magnéticos
elétricos.
Processos de Decaimento Radioativo
Dados experimentais, afirmam que o processo de desintegração radioativa é de tal
natureza, que o numero de desintegrações que ocorre por unidade de tempo e
proporcional ao número de átomos radioativos presentes. Analiticamente, um número
dN de átomos, que se desintegram num intervalo de tempo, dt, é proporcional ao
numero N de átomos radiativos presentes.
dN =−d t EQ. 1
O sinal negativo indica um decréscimo do número de átomos e é a constante de
desintegração com valor especifico para cada átomo e inalterável por qualquer processo
físico ou químico conhecido. Pela fórmula acima, podemos observar que as dimensões
de λ são desintegrações /segundos (n°/seg. com n natural)
Integrando a formula acima chegamos a:
N=N 0 e−t EQ. 2
Onde, N0= número de átomos radiativos iniciais.
N= número de átomos radiativos após um tempo t.
O intervalo de aplicação dessa equação é enorme, pois são conhecidos processos
radioativos que duram 10-6 seg. e outros que duram 1011 anos. Uma condição estatística
importante para a aplicação da fórmula e que N0 seja grande.
Tempo de Meia vida
O tempo que o elemento inicial se reduza a metade é denominado meia-vida do
decaimento. Este processo foi visto com detalhes por Rutherford e Frederick Soddy no
ano de 1902, quando se basearam nos tempos necessários para que os elementos
radioativos se reduzissem à metade.
Tomando por base um elemento qualquer, observa-se que na primeira meia-vida o
núcleo Pai se reduz a ½. Na segunda mia-vida, a redução é de ¼. Depois é de 1/8 e
assim sucessivamente. É muito importante ressaltar que a medida que o núcleo pai
diminui ao passar cada meia-vida, os núcleos de filhos vão aumentando
proporcionalmente. A soma de pais e filhos sempre vai resultar no valor total de núcleos
iniciais (P0).
O cálculo para determinar o tempo de meia-vida surge a partitir da equação 1.
Considera-se que P/P0 = ½. Então a relação dada constante de decaimento do elemento
(𝜆) e tempo de meia vida (t 1/ 2) é dado por:
t 1/2=ln 2
λ . EQ. 3
Esses valores de meia-vida variam bastante entre os isótopos. Alguns oriundos de
explosões nucleares duram um tempo abaixo de um segundo. Outros já podem durar
alguns segundos, como aqueles que se originam por colisões entre raios atômicos.
Certos isótopos que surgem naturalmente podem apresentar uma meia-vida que varia
entre milhares, milhões ou até bilhões de anos. Os valores de meia-vida são utilizados
para se determinar de forma precisa o tempo de acontecimento de importantes eventos
geológicos, por exemplo.
Equilíbrio radioativo
Ocorre frequentemente, onde o elemento produzido na desintegração de um
radioisótopo é também radioativo e as características dos componentes do sistema
radioativo podem ser.
Elemento pai com meia vida relativamente longa (λ1≥λ2 ).
Apos um tempo t, suficientemente longo, conforme mostra a equação abaixo:
N2=N1
λ1
λ2−λ1 EQ. 5
Onde:
N1 é o numero de átomo depois, cuja constante de desintegração e λ1 .
N2 é o numero de átomos de filho, cuja constante de desintegração e λ2 .
Onde a equação acima indica que, após o tempo t, a razão do número de átomos
filho para o numero de átomos pai e constante.
❑1 N1=❑2 N2=❑3 N3=❑n Nn EQ. 6
Com a diminuição de elementos pai em função do tempo consequentemente
diminui a quantidade de elementos filho. Sendo assim surge um equilíbrio onde a
quantidade de filhos gerada pelos pais e a quantidade de filhos gerada pelos filhos é a
mesma, sempre se repetindo este processo que é expresso como:
Estas relações podem ser aplicadas sempre que diversos produtos de vida curta
surgem a partir de decaimentos sucessivos, começando por um pai de meia-vida
relativamente longa.
Séries Radioativas
Na natureza existem elementos radioativos que realizam transmutações ou
desintegrações sucessivas, até que o núcleo atinja uma configuração estável. Isso
significa que, após um decaimento radioativo, o núcleo não possuir, ainda, uma
organização interna estável ele executará outra transmutação para melhorá-la até atingir
a configuração de equilíbrio.
Em cada decaimento, os núcleos emitem radiações dos tipos alfa, beta e/ou gama
e cada um deles é mais “organizado” que o núcleo anterior. Essas sequências de núcleos
são denominadas Séries Radioativas ou Famílias Radioativas Naturais.
No estudo da radioatividade, constatou-se que existem apenas três séries ou
famílias radioativas naturais, conhecidas como: Série do Urânio, Série do Actínio e
Série do Tório (Fig. 2)
A Série do Actínio, na realidade, inicia-se com o Urânio-235 e tem esse nome,
porque se pensava que ela começava pelo actínio-227.
Os elementos que pertence a series radioativas naturais na maioria das vezes são
represem numero atômico entre Z=18 e Z=92, esses elementos são de ocorrência natural
nos quais os radioisótopos produzem raios gama de energia suficiente que são o urânio,
o tório e o potássio. Onde estas três seriem radioativas apresentam propriedades em
comum:
Apresentam uma longa meia vida
As três séries naturais (Urânio – Actínio - Tório) terminam em isótopos estáveis
do chumbo, respectivamente: chumbo-206, chumbo-207 e chumbo-208.
Cada uma das series apresentam um gás inerte com Z= 86. Estes gases são:
Torônio, Radônio e Actínio, respectivamente das series do tório, urânio e do
actínio.
Figura 2 - Séries radioativas naturais (em http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/radio.pdf)
Radioatividade em Minerais
Há um grande número de minerais radioativos, mas o mais comum são dadas de
acordo com seu modo de ocorrência. A natureza dos minerais radioisótopos é
irrelevante para efeitos de detecção e por isso as técnicas de prospecção visam localizar
o elemento em si. Na Tabela 1, são mostrados minerais conforme concentração de
potássio (K), Tório (Th) e urânio (U).
Já nas rochas os minerais radioativos existem em grande diversidade, mas com
pouca concentração e varia de acordo com a natureza da rocha.
Tabela 1 - Concentração de potássio (K), Tório (Th) e urânio (U) em minerais. Editado de (Schon,
2011).
Radioatividade das rochas
Os raios gama fornecem informações sobre a presença de núcleos atômicos
instáveis. O número médio de séries em um determinado momento será diretamente
proporcional o número de átomos do elemento instável presente. A taxa de diminuição
da massa de um material radioativo, por conseguinte, obedece a uma lei exponencial
regido por uma meia-vida. Elementos com meias-vidas curtas podem ocorrer na
natureza, porque eles são formados na série de decaimento que originou como isótopos
de longa duração, que se concentra principalmente nas rochas ígneas e em sedimentos
depositados como evaporitos. Os principais isótopos são 40K, 232Th, 235U e 238U.
Outros, como 48Ca, 50V e 58Ni, ou são raras ou muito fracamente radioativa.
Rochas ígneasApresentam variações quanto aos teores de potássio, urânio e tório (Tab. 2.2). O
mais abundante dos três elementos é o potássio o qual é encontrado em feldspatos
alcalinos e micas, ou seja, quanto maior a quantidade de sílica na rocha maior a
quantidade de radioatividade, devido ao potássio que está dentro da estrutura dos
silicatos. Urânio e tório quando presentes em rochas ígneas estão principalmente
associados a minerais moderadamente radioativos, ou ocorrem nos interstícios de
minerais ou inclusões fluídas.
Rochas Metamórficas Neste tipo de rocha a quantidade de elemento radioativo está relacionada à
quantidade anterior ao metamorfismo. O efeito do metamorfismo tende a diminuir a
concentração destes elementos conforme o grau do metamorfismo aumenta. O urânio
sendo o mais móvel tende a sair da rocha desde o começo do metamorfismo na forma
solúvel de uranila.
Rocha SedimentarÉ o tipo de rocha que apresenta a maior quantidade de argilominerais, portanto é
encontrado elemento radioativo em bastante quantidade. Em arenitos feldspatódicos,
micáceos e em arenitos ricos em metais pesados é facilmente encontrado elemento
radioativo. No primeiro devido ao potássio na forma de k-feldspato e nos demais devido
à presença de tório e urânio. Neste tipo de rocha, a presença de elementos como o tório
e o urânio nos trazem informações sobre a gênese da rocha e a determinação de que há
outros minerais associados àquela rocha.
Tabela 2 – Concentração de potássio (K), Tório (Th) e urânio (U) em rochas. Editado de (Schon, 2011).
Continua...
Continua...
BibliografiaLOWRIE, W. (2007). Fundamentals of Geophysics. Cambridge: Cambridge University press.
Schon, J. (2011). Physical Properties Of Rocks a workbook. Oxford: Elsevier.
Séries radioativas. Disponível em <http://www.cnen.gov.br/ensino/apostila/radiopdf-
series>