A última secção que trabalhámos estava relacionada com a escala dos objetos, especialmente a nanoescala e o que sabemos sobre átomos e moléculas. Agora que compreendemos a estrutura dos átomos, em particular o núcleo, podemos estudar alguns dos aspectos mais interessantes do que o núcleo pode fazer.
Um dos maiores ramos do estudo da física nuclear é a radioactividade, um fenómeno natural de certos núcleos. A radioactividade está em todo o lado à nossa volta; no solo, no espaço e até dentro de nós. Estamos constantemente expostos à radiação, não apenas quando temos de fazer uma radiografia, por isso é vital que compreendamos como funciona.
Nesta secção iremos discutir a descoberta da radioactividade, e depois passaremos ao que a causa e de onde vem, e finalmente como interage com o mundo à nossa volta.

A radioactividade foi descoberta em 1896 por Henri Becquerel enquanto trabalhava com raios X. Acreditava-se que os materiais contendo urânio absorviam luz do Sol e emitiam raios X. Becquerel tinha planeado uma experiência para demonstrar isto usando uma placa fotográfica, visto que era sabido que os raios X enegreciam estas placas. No dia da experiência, o céu estava nublado, pelo que Becquerel assumiu que a experiência tinha falhado. Felizmente, decidiu revelar a placa fotográfica de qualquer forma e descobriu que o composto tinha emitido radiação apesar de não haver sol, refutando a sua teoria anterior. A sua próxima tarefa foi descobrir se se tratava de raios X ou de uma forma diferente de radiação. Para isso, colocou a fonte de radiação numa câmara de vácuo com um campo magnético e uma placa fotográfica, como mostra o diagrama. Os raios X são neutros, portanto não podem ser deflectidos em campos magnéticos. No entanto, após revelar a placa fotográfica, esta mostrou que a radiação tinha sido curvada pelo campo. Quando experimentou com outras fontes, encontrou radiação a ser deflectida na direcção oposta, ou de modo algum. Isto mostrou que existiam três tipos de radiação emitida pela matéria: neutra, e com cargas eléctricas positivas ou negativas.

Esquema da configuração de Becquerel: (1) placa fotográfica, (2) colimador, (3) material radioactivo, (4) entrada da bomba de vácuo, (5) campo magnético. Créditos de imagem: Zoltán Elekes.

Muitos cientistas dedicaram as suas carreiras à investigação deste novo fenómeno, incluindo Marie e Pierre Curie, que descobriram os outros elementos radioactivos do polônio e do rádio. Rutherford, o cientista de quem já falámos como sendo responsável pela descoberta dos núcleos dos átomos, trabalhou também em radioactividade, investigando os diferentes tipos de fontes e as suas propriedades. Foi Rutherford quem cunhou os nomes para os diferentes tipos: alfa, beta e gama, pelas letras do alfabeto grego. Já mencionámos as partículas alfa, quando foram usadas para sondar o interior de átomos de ouro por Rutherford, mas agora vamo-las examinar com mais detalhe. Mas primeiro, sabemos que podemos encontrar radioactividade em fontes como compostos de urânio, mas onde mais a irá encontrar e o que é?

Sabemos que certos elementos são radioactivos, enquanto outros não são. Isto implica que a radioactividade é gerada ao nível atómico, pelo que devemos olhar para os átomos, em particular os núcleos, para compreender isto melhor.
Existem três tipos de radiação que resultam de átomos radioactivos: radiação alfa, beta e gama. Estas são partículas ou energia emitidas pelo núcleo do átomo quando o núcleo é instável, ou pode dizer-se que é o decaimento de átomos devido à instabilidade.
Então, por que razão certos átomos são instáveis e outros não?
Isto será explicado numa secção posterior, mas por agora digamos apenas que se deve ao número de nucleões no núcleo, em particular à razão de protões para neutrões. Os diferentes tipos de radiação são emitidos para diferentes tipos de instabilidade. É por isso que diferentes fontes emitem radiação diferente.
A instabilidade não está limitada aos núcleos. Os neutrões livres decaem com um tempo de vida médio de aprox. 15 minutos, e até os protões poderiam eventualmente decair, no entanto o tempo de meia-vida previsto pela teoria neste caso é 10³⁶ anos! Por isso, em escalas humanas, os protões são considerados estáveis.
Agora que temos uma ideia do que a radiação realmente é, podemos ver onde a encontramos.

A radioactividade não está limitada aos elementos perigosos de que falámos, como o urânio ou o rádio. Estas são as fontes mais fortes que conhecemos, mas a radioactividade está presente em quantidades muito menores em muitos outros locais. A radiação que Becquerel encontrou a vir do urânio também vem das rochas, do espaço exterior, do ar que respiramos, da água que bebemos, do mar em que nadamos e dos nossos próprios corpos.
Pode surpreender-se ao saber que você e todas as pessoas que conhece são radioactivos, e pode até pensar que isto poderia ser causado pelo mundo tecnológico moderno que desenvolvemos, com centrais nucleares e computadores e imagiologia médica por raios X, mas estaria errado. Desde que houve vida na Terra, todas as plantas e animais têm sido radioactivos. É parte da história da vida na terra. Por isso, vamos ver onde exactamente encontrámos radioactividade com mais detalhe.

O Solo

Os elementos radioactivos estão em todo o lado à nossa volta na terra. Muitos minerais, particularmente o granito, contêm alguns compostos de urânio. Na verdade, o urânio é tão abundante no solo e nas rochas como metais como o estanho, o zinco ou o tungsténio. No entanto, outros compostos radioactivos são muito mais comuns, como o tório, que é cerca de três vezes mais abundante na Terra do que o urânio. No século XIX, pouco antes da iluminação eléctrica ter substituído o gás, o óxido de tório era usado para fazer as lâmpadas a gás brilharem intensamente. No século XXI, o tório pode muito bem ser um combustível em centrais nucleares.

A imagem mostra a abundância de urânio nas rochas. Mostra um peso de 10 kg ao lado de três fios com um peso combinado de 30 miligramas. Esta é a razão de urânio para rocha na terra.
Por isso podemos detectar urânio e outros materiais radioactivos nas rochas, e esta radiação contribui em grande parte para o que chamamos radiação de fundo. É a que estamos sujeitos ao longo da nossa vida a partir dos nossos ambientes. Os nossos corpos têm formas de lidar com isto, como irá descobrir mais tarde.

O mapa abaixo mostra os níveis de radiação de fundo em parte da Europa Ocidental (créditos de imagem: World Nuclear Association).
As diferenças devem-se principalmente aos tipos de rocha de que o solo é composto em cada país. Por exemplo, no sudoeste de Inglaterra, o solo é feito principalmente de granito e por isso a radiação de fundo nesta área é mais elevada do que na maior parte do resto do país, que é feito de calcário. Áreas da França central têm níveis muito elevados de radiação devido ao gás de radão das rochas. Além das rochas, existem outros factores que contribuem para a radiação de fundo a que estamos sujeitos.

O Espaço

No Universo existem muitas fontes de muitos tipos de radiação, incluindo galáxias de rádio com jatos superluminais (aparentemente mais rápidos do que a velocidade da luz), buracos negros e até apenas os planetas do nosso próprio sistema solar. Os astrónomos usam telescópios especializados para procurar estes tipos de radiação, que inclui raios X e raios gama. Estas fontes emitem em todas as direcções e mesmo a radiação de objectos a centenas de milhares de anos-luz de distância pode eventualmente chegar-nos. O que detectamos como as fontes errantes de radiação é chamado de raios cósmicos. Na verdade, medirá mais raios cósmicos quanto mais alto subir. No topo das montanhas, serão detectados muito mais do que ao nível do mar, visto que têm de passar por menos atmosfera.
Os raios cósmicos são difíceis de evitar e são por vezes um grande aborrecimento para os cientistas. Ocasionalmente, é necessário medir radioactividade muito fraca. Isto pode ser quando se estuda fontes gama muito fracas e muito distantes, que emitem apenas uma pequena quantidade na nossa direcção, ou mesmo quando se estuda a expansão do universo e a radiação de micro-ondas que a acompanha.

Seria inútil medir radioactividade muito fraca na superfície da Terra, pois estaria completamente obscurecida pela abundante radiação cósmica. É por isso que algumas experiências estão localizadas em minas profundas a uma milha ou mais no subsolo, lembrando sempre de evitar o granito com muito urânio, claro. Uma experiência que requer tais medidas é detectar um tipo de partícula fundamental, que irá fazer uma aparição mais tarde, chamada neutrino.

A imagem à direita mostra um detector de neutrinos situado 1,4 km abaixo do topo de uma montanha, em Itália.

Água do Mar

À medida que os rios fluem sobre as rochas e solos, carregam consigo todos os tipos de sais dissolvidos na água. Com o tempo, à medida que a água evapora ao sol, os sais concentram-se. Visto que a maior parte das rochas contém algum urânio, não é surpreendente que os mares também contenham sais de urânio. Isto torna o mar um pouco radioactivo, e não apenas por causa do urânio, mas entre outras substâncias há ⁴⁰K (pronunciado potássio-40) também. Esta forma de potássio é a principal substância que torna os nossos corpos radioactivos.
Em média, a água do mar contém cerca de três miligramas de urânio em cada mil litros, ou seja, cada metro cúbico. Não muito, talvez, mas diz-se que se o custo de extracção de urânio do mar pudesse ser reduzido a cerca de um décimo do que é agora, então o urânio poderia ser extraído do mar com lucro! Se as actuais fontes de urânio se esgotarem, as centrais nucleares poderiam de facto funcionar com urânio extraído da água do mar.

No ar

O ar que respiramos contém uma pequena quantidade de uma forma radioactiva de carbono, conhecida como ¹⁴C (pronunciado 'carbono-catorze'; verá ¹⁴C escrito como carbono-14 em alguns livros). Os átomos de carbono-14 são o resultado das interacções dos raios cósmicos na atmosfera. Os raios cósmicos sofrem muitas transformações, que podem incluir a produção de neutrões térmicos. Estes neutrões interagem com os átomos de azoto-14 na atmosfera numa reacção nuclear que produz átomos de carbono-14 e protões. Estes átomos de carbono passam depois a produzir moléculas de dióxido de carbono, que as plantas extraem do ar para fotossintetizar e produzir açúcar e celulose, absorvendo assim carbono-14 no processo. Isto é depois passado para nós quando comemos as plantas, ou mesmo quando comemos animais que comeram estas plantas. O facto de que todos os seres vivos absorvem carbono-14 até ao dia em que morrem pode ser usado para datar os restos de seres vivos que estiveram no solo durante centenas ou milhares de anos. Este processo requer pensar sobre o tempo de meia-vida dos átomos radioactivos, que será abordado mais tarde.

Em nós

Cada dia, a comida que comemos contém dois ou três gramas de potássio. Isto significa que, para cada quilograma de peso corporal, cerca de 50 átomos de potássio decaem e emitem partículas radioactivas nos nossos corpos a cada segundo! Lembre-se também que quando comemos plantas (ou animais que comeram plantas) absorvemos átomos de carbono-14 que também são radioactivos. Haverá também vestígios de outros elementos radioactivos, mesmo urânio. Se por acaso engolir alguma água do mar na praia, irá absorver uma pequena quantidade de urânio, visto que toda a água do mar contém algum urânio.
Já discutimos como os raios cósmicos produzem carbono-14, que é usado para produzir hidratos de carbono quando ingerido pelas plantas e portanto pelos animais, e por nós próprios. O carbono-14 entrou então na cadeia alimentar e todos os seres vivos podem ser expostos a ele.

Grandes doses de radioactividade podem ser mortais e milhares de pessoas morreram de radiação como resultado das bombas nucleares lançadas sobre o Japão em 1945. Mais recentemente, em 1986, 28 pessoas foram mortas por radiação quando a central nuclear de Chernobyl na Ucrânia explodiu. Pode ler mais sobre estes tópicos na secção Benefícios e Riscos e na secção História.
As quantidades de radiação que se sabe danificarem a saúde são muito maiores do que a radiação de fundo dos raios cósmicos, rochas, etc. Qualquer uma das nossas células que possa ser danificada por estas fontes pode reparar-se a si própria, pois apenas algumas serão danificadas. Para doses maiores de radiação, um grande número de células são danificadas para além da reparação, razão pela qual pode ser perigoso.
Sabemos que plantas e animais têm vivido e evoluído com radioactividade há milhares de milhões de anos. Portanto, se a radioactividade é perigosa depende de quanto recebemos. Mesmo demasiado sal comum pode matar pessoas, razão pela qual as pessoas à deriva no oceano podem morrer de sede! Como se diz, demasiado de qualquer coisa é mau.
Então, como sabemos quanta radiação é "demasiada"? Primeiro precisamos de compreender os vários tipos de radiação e quão perigoso é cada um. Descobriremos o nível que a radiação deve atingir para ser perigosa na nossa secção sobre actividade e interacção com a matéria.

Descobrimos o que a radioactividade realmente é na secção anterior: é o decaimento de átomos instáveis e a consequente emissão de uma partícula ou energia. Agora veremos o que torna um átomo instável e quais os tipos de radiação existentes.

Isótopos

Sabemos que os átomos consistem num núcleo feito de protões e neutrões com electrões a orbitar o núcleo. Também sabemos que os átomos são electricamente neutros, enquanto os iões, que perderam ou ganharam electrões, são carregados. A chave para compreender a radioactividade está nos isótopos.
Falámos sobre o carbono-14 ser radioactivo, enquanto o carbono-12 regular não é. Então, como é que o carbono-14 é diferente do carbono-12? A diferença está nos seus núcleos. Para que ambos os átomos sejam fundamentalmente carbono, devem ter o mesmo número de protões, ou o mesmo número atómico. É isso que faz de um elemento o que é. Se mudarmos o número de electrões que o átomo tem, apenas transforma o átomo num ião. Portanto, temos de mudar o número de neutrões. Por isso dizemos que o carbono-14 é um isótopo do carbono-12, e apenas tem a diferença de ter dois neutrões extra no núcleo, portanto uma massa diferente mas o mesmo elemento em geral.
Existem muitos isótopos de cada elemento. Um exemplo famoso é o deutério, um isótopo de hidrogénio com um neutrão e um protão. Este pode ser usado para fazer água pesada, que tem muitos usos interessantes, incluindo a detecção de neutrinos e a moderação de reactores nucleares.
Os isótopos instáveis são muitas vezes muito úteis em procedimentos médicos, e podem ser usados com segurança devido aos seus curtos tempos de vida antes de decaírem. Um problema com isto é que estas substâncias não podem ser encontradas naturalmente na Terra e portanto devem ser fabricadas nos hospitais em máquinas chamadas ciclotrons, que aceleram átomos a velocidades extremamente elevadas ao longo de um percurso circular usando electromagnetos. Os ciclotrons estão disponíveis em muitos tamanhos diferentes, dependendo do uso e do isótopo sendo produzido. Nas máquinas, núcleos colidem com partículas carregadas e o radioisótopo necessário é produzido. O termo radioisótopo é usado para isótopos que são instáveis e radioactivos.
As versões mais estáveis dos elementos são as que listamos na tabela periódica, ou seja, as que encontramos naturalmente e mais comummente. No entanto, são apenas realmente comuns por causa da sua estabilidade; os isótopos instáveis decaíram noutros elementos mais estáveis, deixando as versões estáveis. Então, o que torna um isótopo mais estável do que outro?

Estabilidade

Na secção relativa aos núcleos, mencionámos brevemente que os nucleões eram mantidos juntos pela força forte, que superava a repulsão electrostática entre os protões. Esta é a chave para compreender a estabilidade dos núcleos. Tanto os neutrões como os protões são afectados pela força forte, no entanto apenas os protões se repelem mutuamente, portanto os neutrões actuam para fortalecer a força que mantém o núcleo unido sem acrescentar à repulsão electrostática.
Pode pensar que quanto mais neutrões um núcleo tem, mais estável deve ser, tendo em conta o que acabámos de discutir. No entanto, esse não é o caso. Os núcleos são apenas estáveis para um intervalo específico de razões de neutrões para protões, cerca de 1-1,6. Fora destas razões, o núcleo será instável e decairá. Por exemplo, o azoto é estável e tem uma razão de 1: tem 7 neutrões e 7 protões. No outro lado do intervalo, o chumbo, que também é estável, tem 82 protões e 126 neutrões, com uma razão de 1,54. Um gráfico mostrando a região de estabilidade de acordo com os números de protões e neutrões é mostrado abaixo, onde Z é o número de protões num núcleo, N é o número de neutrões, A=Z+N é o número de nucleões, e as duas curvas correspondem a (1) núcleos estáveis, (2) linha P=N. Créditos do gráfico: Zoltán Elekes.

Também menciona três mecanismos de decaimento dependendo de onde o núcleo se encontra no gráfico. Se um núcleo é deficiente em protões, sofrerá decaimento beta. No entanto, se é deficiente em neutrões, irá decair através do caminho oposto, decaimento de positrão (também chamado beta positivo). Uma alternativa a isto é um processo chamado captura electrónica, pelo qual o núcleo "absorve" um electrão e é alcançado o mesmo resultado que o decaimento beta positivo. Para núcleos muito massivos é benéfico perder massa ao decair, pois em geral, núcleos mais leves são muito mais estáveis, portanto estes núcleos irão decair emitindo partículas alfa (dois protões e dois neutrões). Quando os átomos sofreram decaimento beta ou alfa, mudam o número de protões no núcleo, mudando assim o próprio elemento; um processo chamado transmutação. Pode ter ouvido falar de um estudo que os cientistas empreenderam antes de compreendermos os elementos, chamado alquimia. Esses cientistas estavam a tentar transformar outras substâncias em elementos diferentes, principalmente ouro, que é basicamente transmutação e o que cada núcleo instável faz, às vezes muitas vezes antes de se tornar estável. Cada um dos mecanismos de decaimento será discutido mais adiante na próxima secção.

Energia de Ligação

Um aspecto muito importante da física nuclear é a energia de ligação. Existem vários tipos de energia de ligação, mas para os nossos propósitos iremos examinar a energia de ligação nuclear. Esta é a quantidade de energia que precisaria de colocar num núcleo para os nucleões superarem a sua atracção e serem separados em nucleões individuais. A energia de ligação de um núcleo inteiro é menor do que a soma dos seus constituintes, que é outra forma pela qual o núcleo é mantido unido. É energeticamente mais favorável (ou seja, a energia é menor) para os nucleões formarem e permanecerem em núcleos em vez de estarem separados. Um conceito dentro deste ramo é a energia de ligação por nucleão.

Existe um limite à massa de um núcleo no qual a força forte não será mais capaz de segurar os nucleões mais externos. O maior núcleo conhecido é o do urânio, que tem 238 nucleões. No entanto, mesmo este núcleo é altamente instável, visto que sabemos que o urânio é radioactivo, portanto deve sofrer decaimento.
O decaimento alfa permite ao núcleo perder massa para melhorar a estabilidade através da emissão de uma partícula alfa, ou núcleo de hélio. O núcleo emissor perderá quatro nucleões, dois protões e dois neutrões, e sofrerá transmutação devido à perda de protões. Estas são as partículas alfa que foram usadas na experiência de dispersão de Rutherford para sondar átomos.
Como dissemos, o decaimento alfa actua para diminuir a massa, no entanto é apenas viável quando a energia de ligação por nucleão não está no mínimo, portanto para elementos com núcleos mais pesados do que o níquel, no entanto, na realidade apenas foi observado para os núcleos mais massivos do elemento telúrio e superiores. O decaimento alfa é um exemplo de um processo chamado 'efeito de túnel quântico'. O núcleo de um átomo cria um poço de energia potencial, como mostrado no diagrama, que aprisiona a partícula alfa que já existe dentro do núcleo.

A energia da partícula deve ser maior do que a altura do poço para a partícula conseguir escapar do núcleo. Na mecânica clássica, não seria possível que o decaimento alfa ocorresse, pois as partículas alfa nunca seriam capazes de deixar o núcleo. No entanto, a mecânica quântica permite este efeito de túnel, pelo qual existe uma ligeira probabilidade estatística de que a partícula alfa possa existir fora do poço, e assim pode atravessar a barreira e aparecer fora do núcleo.

Uma das primeiras características usadas para diferenciar entre os tipos de radiação era a quantidade de material que cada um conseguia penetrar. As partículas alfa são massivas e têm velocidades relativamente baixas, por isso é muito provável que interajam com quaisquer partículas com que entrem em contacto. Isto significa que apenas conseguem penetrar através de alguns centímetros de ar, ou uma folha fina de papel ou alumínio.
Existem muitas fontes alfa, sendo uma das mais famosas o urânio. O urânio decai emitindo uma partícula alfa (α) e transmuta-se em tório, como mostrado pela equação abaixo:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Este é apenas o primeiro passo no decaimento do urânio, pois terá de progredir por muitos outros estágios até se tornar completamente estável.