Quando um núcleo sofre decaimento alfa, ele se transforma em um nuclídeo diferente emitindo uma partícula alfa (um núcleo de hélio, 4He). Por exemplo, quando o urânio 238U sofre decaimento alfa, ele se transforma em tório 234Th segundo a reação 238U ➝ 234Th + 4He. Este decaimento alfa a partir de 238U pode ocorrer espontaneamente (sem uma fonte externa de energia) porque a massa total do decaimento produz 234Th e 4He e é menor que a massa do original 238U. No entanto, a meia-vida do 238U para este processo de decaimento e é 4,5 x 109 anos. Assinale a alternativa que melhor explica o motivo do processo 238U ➝ 234Th + 4He ser espontâneo, porém tão demorado.
- A)A energia de massa total dos produtos de decaimento é menor que a energia de massa do nuclídeo original.
Errada, porque a simples diferença de energia de massa entre reagentes e produtos explica a possibilidade do decaimento, mas não explica por que ele é tão lento.
- B)O fator Q para o decaimento 238U ➝ 234Th + 4He é de 4,25 MeV, onde essa quantidade de energia é liberada pelo decaimento alfa de 238U, sendo transferida da energia de massa de 238U para a energia cinética dos dois produtos.
Errada, porque o valor de Q indica energia liberada, mas não justifica a grande meia-vida nem o mecanismo físico que dificulta a emissão da partícula alfa.
- C)Esse núcleo de 238U é cercado por uma barreira potencial intensa, e o decaimento alfa torna-se possível apenas como resultado do tunelamento dessa barreira pela partícula alfa.
Certa, porque a partícula alfa precisa atravessar uma barreira potencial nuclear por tunelamento, o que torna o processo possível, porém muito improvável em cada tentativa.
- D)A demora na reação espontânea é uma propriedade natural do núcleo de 238U, também presente em seu isótopo 228U com tempos de decaimento de meia-vida similares.
Errada, porque a meia-vida não é uma propriedade “parecida” entre isótopos só por semelhança nuclear, e o exemplo citado ainda traz um isótopo incorreto para essa comparação.
- E)Para o decaimento ocorrer, o núcleo de 238U deve absorver 4,25 MeV do ambiente a fim de promover a ejeção da partícula alfa, efetivando a reação de decaimento.
Errada, porque o decaimento alfa não depende de absorver energia do ambiente; ao contrário, ele libera energia quando o produto final tem massa menor.
Gabarito: C
No decaimento alfa, o núcleo tenta “se livrar” de uma partícula alfa, que é um pedacinho bem estável de matéria: 2 prótons e 2 nêutrons, ou seja, um núcleo de hélio. No caso do urânio-238, o produto final tem massa total menor que a do núcleo original, então há liberação de energia. Isso torna o processo espontâneo do ponto de vista energético. Só que espontâneo não quer dizer rápido. O núcleo de urânio-238 precisa vencer uma barreira potencial muito intensa para que a partícula alfa consiga escapar. Como ela está “presa” dentro do núcleo, a saída não acontece livremente: ocorre por tunelamento quântico, um fenômeno em que a partícula atravessa a barreira mesmo sem energia clássica suficiente. É justamente aí que mora o segredo da questão: o decaimento é permitido pela energia, mas é muito improvável a cada instante. Por isso a meia-vida é enorme, cerca de 4,5 bilhões de anos. Em outras palavras, o processo é como uma porta que pode abrir, mas raramente abre. Então, a alternativa C está correta porque descreve a barreira potencial nuclear e o tunelamento da partícula alfa, que explicam simultaneamente a espontaneidade e a lentidão do decaimento. Esse é o raciocínio clássico da física nuclear para decaimento alfa.