Existe um grande número de núcleos com Z > 80, assim como alguns núcleos com Z pequeno, como o carbono 14 e o potássio 40, que são naturalmente radioativos. [Veja tabela.] E existe um número muito maior de núcleos radioativos artificiais, produzidos em reatores e aceleradores de partículas.
Quando um núcleo radioativo decai, o núcleo filho no seu estado fundamental pode ser, ele também, radioativo, e decair, por sua vez, para formar um outro núcleo radioativo, e assim por diante. Esse processo pode se prolongar por vários estágios, formando uma série de gerações de núcleos relacionados um ao próximo da série como pai para filho.
Os núcleos radioativos se agrupam em quatro cadeias ou séries de decaimento: a série 4n, que começa com o tório 232, a série 4n + 2, que começa com o urânio 238, a série 4n + 3, que começa com o urânio 235, e a série 4n + 1, que começa com o netúnio 237. As três primeiras séries são naturais e a quarta, artificial. As séries terminam em núcleos estáveis. São quatro as séries porque quatro é o número de massa da partícula a e também porque enquanto o decaimento a ocasiona uma diminuição de quatro unidades no número de massa do núcleo pai para o núcleo filho, os decaimentos b e g não ocasionam mudança nesse número.
Cada série tem um nome que caracteriza os números de massa dos seus membros. Assim, todos os membros da série 4n têm número de massa que pode ser escrito A = 4n, com n inteiro, começando com o tório 232 para o qual n = 58, todos os membros da série 4n + 1 têm número de massa que pode ser escrito A = 4n + 1, com n inteiro, começando com o netúnio 237 para o qual n = 59, todos os membros da série 4n + 2 têm número de massa que pode ser escrito A = 4n + 2, com n inteiro, começando com o urânio 238 para o qual n = 59 e todos os membros da série 4n + 3 têm número de massa que pode ser escrito A = 4n + 3, com n inteiro, começando com o urânio 235 para o qual n = 58. As séries 4n, 4n + 2 e 4n + 3 ocorrem naturalmente porque os respectivos núcleos pais têm meias vidas muito longas e a série 4n + 1 não ocorre naturalmente porque a meia vida do respectivo núcleo pai é curta comparada ao tempo de vida da Terra (da ordem de 109 anos).
| Série | Núcleo Pai | Meia Vida (em anos) |
|---|---|---|
| 4n | Tório 232 | 2,01 x 1010 |
| 4n + 1 | Netúnio 237 | 3,25 x 106 |
| 4n + 2 | Urânio 238 | 6,52 x 109 |
| 4n + 3 | Urânio 235 | 1,02 x 109 |
As meias vidas dos núcleos de uma dada série se distribuem num intervalo extremamente grande de valores. Na série 4n + 2 (urânio 238), por exemplo, as meias vidas variam desde 10-4 segundos até 109 anos. Em geral, encontram-se meias vidas tão curtas quanto 10-11 segundos e tão longas quanto 1015 anos. Como exemplo, a tabela abaixo mostra quase todos os núcleos da série 4n + 2 (urânio 238) e os correspondentes decaimentos e meias vidas.
| Núcleo | Símbolo | Decaimento | Meia Vida |
|---|---|---|---|
| Urânio 238 | 238U92 | a | 4,5 x 109 anos |
| Tório 234 | 234Th90 | b | 24 dias |
| Protactínio 234 | 234Pa91 | b | 1,2 minutos |
| Urânio 234 | 234U92 | a | 2,5 x 105 anos |
| Tório 230 | 230Th90 | a | 8 x 104 anos |
| Rádio 226 | 226Ra88 | a | 1.620 anos |
| Radônio 222 | 222Rn86 | a | 3,82 dias |
| Polônio 218 | 218Po84 | a | 3 minutos |
| Chumbo 214 | 214Pb82 | b | 27 minutos |
| Bismuto 214 | 214Bi83 | b | 19 minutos |
| Polônio 214 | 214Po84 | a | 1,6 x 10 -4 segundos |
| Chumbo 210 | 210Pb82 | b | 22 anos |
| Bismuto 210 | 210Bi83 | b | 5 dias |
| Polônio 210 | 210Po84 | a | 138 dias |
| Chumbo 206 | 206Pb82 | --- | ( Estável ) |
Os processos radioativos seguem uma lei de desintegração exponencial. Se, inicialmente, o número de núcleos radioativos de um tipo é N0, o número de núcleos desse mesmo tipo remanescentes após um tempo t é:
N = N0 e-
t
onde é
a constante de desintegração (ou constante de decaimento), característica
do núcleo em questão.
O intervalo de tempo T, durante o qual metade dos núcleos radioativos de um tipo presentes na amostra decaem, é chamado meia vida. Por exemplo, uma amostra radioativa de 200 g de um certo isótopo radioativo com uma meia vida de 10 dias, depois de 30 dias terá 25 g do isótopo original:
200 g ( 10 dias ---> ) 100 g ( 10 dias ---> ) 50 g ( 10 dias ---> ) 25 g
Agora, pela expressão acima:
½N0 = N0 e - T
ou:
T
= ln 2 = 0,6931
e daí:
T = 0,6931 /
As meias vidas dos núcleos radioativos têm valores que vão desde frações de segundo a um número muito grande de anos e isso inclusive entre os isótopos de um mesmo elemento da tabela periódica. A tabela abaixo mostra o tipo de decaimento e a meia vida dos isótopos do urânio. A fissão espontânea não é, estritamente falando, um processo de decaimento. De qualquer modo, na tabela assinala-se com um asterisco o número de massa dos isótopos que estão sujeitos a tal processo.
| A | Decaimento | Meia Vida | A | Decaimento | Meia Vida |
|---|---|---|---|---|---|
| 230 | a | 20,8 dias | 235* | a | 7,04 x 108 anos |
| 231 | Captura K | 4,2 dias | 236* | a | 2,34 x 107 anos |
| 232* | a | 70 anos | 237 | b- | 6,75 dias |
| 233* | a | 1,59 x 105 anos | 238* | a | 4,47 x 109 anos |
| 234* | a | 2,47 x 105 anos | 240 | b- | 14,1 horas |
O número de desintegrações de núcleos radioativos de uma dada amostra por unidade de tempo chama-se atividade dessa amostra. Pela expressão matemática da lei do decaimento segue-se que a atividade A(t), no instante t, pode ser escrita:
A(t) = [ 
N
/ t
] Dt --->
0= - N0
e- l
t = - N
Esta expressão é interessante porque mostra que o número de desintegrações de um tipo de núcleo radioativo por unidade de tempo é proporcional ao número de tais núcleos presentes. Assim, a atividade associada a um tipo de núcleo numa dada amostra diminui na mesma proporção e com a mesma meia vida do número de tais núcleos presentes. A atividade é expressa em curies:
1Ci = 3,7000 x 1010 núcleos / s
As expressões dadas acima para N e A(t) expressam leis estatísticas que são verdadeiras apenas quando o número de núcleos radioativos é muito grande. Dado um único núcleo radioativo, não se pode determinar o instante de tempo em que ele decairá nem associar a ele uma determinada meia vida. Agora, pode-se calcular, a partir de certas considerações teóricas, a probabilidade de decaimento por unidade de tempo desse único núcleo radioativo e pode-se interpretar a constante de decaimento l como significando exatamente isso.
Quando dois núcleos se movem um em direção ao outro e, apesar da repulsão coulombiana, se aproximam o suficiente para que haja interação entre as partículas de um com as partículas do outro pela força nuclear, pode ocorrer uma redistribuição de núcleons e diz-se que aconteceu uma reação nuclear. Usualmente, as reações nucleares são produzidas bombardeando-se um núcleo alvo com um projétil que pode ser algum tipo de partícula ou núcleo pequeno, de modo que a repulsão coulombiana não se torne um obstáculo muito grande. As reações que envolvem energias não muito grandes ocorrem em duas fases. Na primeira fase, o núcleo alvo e o projétil se agrupam, formando o que se chama de núcleo composto num estado altamente excitado. Na segunda fase, o núcleo composto decai por qualquer processo que não viole os princípios de conservação. Por exemplo, uma partícula a com uma energia cinética de cerca de 7 MeV colide com um núcleo de nitrogênio 14.
O resultado é um núcleo composto que consiste de todos os núcleons da partícula a e do nitrogênio 14 num estado altamente excitado. Esse núcleo composto, sendo constituído de 9 prótons, é um núcleo de fluor. Como esse núcleo composto está num estado altamente excitado, pode-se esperar que ele emita uma partícula (ou um fóton) no processo de passagem a um estado menos excitado ou ao estado fundamental do núcleo filho. Se o núcleo filho é o oxigênio 17, a reação é a seguinte:
4He2 + 14N7 ---> [ 18F9 ] ---> 17O8 + 1H1
O núcleo composto persiste como entidade única por um intervalo de tempo muito pequeno (menos de 10-19 s), decaindo para um estado mais estável com a emissão de um próton (1H1). Como as energias de ligação da partícula a, do núcleo 14N7 e do núcleo 17O8 são:
Ea = [ 2 ( 1,0078 ) + 2 ( 1,0087 ) - 4,0026 ] ( 931,4815 MeV
) = 28,3170 MeV 
28
MeV
EN = [ 7 ( 1,0078 ) + 7 ( 1,0087 ) - 14,0031 ] ( 931,4815 MeV
) = 104,6985 MeV 105
MeV
EO = [ 8 ( 1,0078 ) + 9 ( 1,0087 ) - 16,9991 ] ( 931,4815 MeV
) = 131,8978 MeV 132
MeV
e como a partícula a incide com uma energia cinética de cerca
de 7 MeV, o próton emitido tem uma energia cinética de cerca
de ( - 28 - 105 + 7 + 132 ) MeV = 6 MeV.
Um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não
viole os princípios de conservação. Por exemplo:
27Al13 + p ---> [ 28Si14
] ---> 24Mg12 +
27Si14 + n
28Si14 + 
24Na11 + 3p + n
Ainda como exemplo, considere as seguintes reações:
4He2 + 24Mg12 --->
[ 28Si14 ] ---> 27Al13
+ 1H1
4He2 + 9Be4 --->
[ 13C6 ] ---> 12C6
+ n
Essas reações são interessantes porque produzem prótons e nêutrons com grandes energias cinéticas. Por outro lado, as partículas a de fontes radioativas naturais são efetivas para produzir transformações nucleares apenas em núcleos com números atômicos menores que Z = 19 (correspondente ao potássio) devido à intensidade da repulsão coulombiana entre essas partículas a e os núcleos atômicos alvo. Nêutrons, ao contrário, podem penetrar, em princípio, qualquer núcleo, já que não são repelidos pelos prótons. Por exemplo, um nêutron pode ser absorvido por um núcleo de prata 107 para formar um núcleo de prata 108:
107Ag47 + n --->
[ 108Ag47 ] ---> 108Cd48
+ e- + 
*
O núcleo de prata 108 não ocorre na natureza, ou seja, é um isótopo artificial da prata. Esse núcleo é radioativo e dacai emitindo um elétron e um antineutrino e produzindo um núcleo de cádmio 108. A maioria dos núcleos artificiais são instáveis e radioativos. Mais exemplos (agora omitindo a representação do núcleo composto):
10B5 + a ---> 13N7 + n
13N7 ---> 13C6 + e+ + n
27Al13 + n ---> 24Na11 + 4He2
24Na11 ---> 24Mg 12 + e-
+ *
Os núcleos radioativos artificiais são produzidos por reações nucleares. Os elementos transurânicos, em particular, são normalmente produzidos pela captura de nêutrons seguida de decaimento b-.
Por outro lado, o que se chama de espalhamento é a reação nuclear em que projétil e partícula liberada são a mesma partícula. O espalhamento é elástico quando, durante o processo, não varia a energia cinética da partícula, e inelástico, caso contrário.
Fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo de número de massa grande se divide em dois fragmentos de números de massa comparáveis. Os núcleos com número de massa grande estão sujeitos à fissão espontânea com uma probabilidade muito pequena e sujeitos à fissão induzida artificialmente com uma probabilidade bem maior. Pode-se induzir a fissão de um núcleo excitando-o com uma energia de pelo menos 4 a 6 MeV ou bombardeando-o com nêutrons, desde que um desses nêutrons seja capturado e que a soma da sua energia cinética com a sua energia de ligação ao núcleo seja maior do que o limiar de energia para a fissão. Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento. O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV.
O núcleo do urânio 238 tem número par de prótons
e de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não pode
se emparelhar e, então, não existe energia de emparelhamento
a ser liberada.
Outro exemplo de fissão acontece quando um próton com uma energia
cinética de 0,15 MeV penetra e é absorvido por um núcleo
de lítio 7:
1H1 + 7Li3 ---> [ 8Be4 ] ---> 4He2 + 4He2
O núcleo composto formado contém 8 núcleons, 4 nêutrons e 4 prótons, e sendo instável, quase imediatamente se separa em dois fragmentos (partículas a), cada um com 2 nêutrons e 2 prótons e uma energia cinética de 8,5 MeV. A energia cinética dos fragmentos da fissão é muito maior do que a energia cinética da partícula que iniciou o processo.
Aqui cabe a seguinte observação. A fissão do lítio 7 parece contradizer a regra que diz que a fissão nuclear com liberação de energia só ocorre se o número de núcleons dos núcleos resultantes é maior ou da ordem de 56, já que a curva E / A contra A tem máximo em A 56. Contudo, com um exame detalhado do gráfico E / A contra A pode-se perceber que o ponto correspondente ao lítio 7 está à direita de um ponto de máximo local que corresponde ao hélio 4 e a fissão do lítio 7 origina dois núcleos de hélio 4.
O processo de fissão pode ser entendido do seguinte modo. O núcleo original e o nêutron absorvido formam o núcleo composto, que já nasce num estado excitado e com a energia de excitação colocada em modos coletivos de vibração. Se a energia de excitação é suficientemente grande, numa dessas vibrações coletivas o núcleo composto pode assumir uma forma com dois blocos de núcleons separados por uma estreita ponte. E se, entre esses blocos, a repulsão coulombiana de longo alcance entre os prótons for mais importante que a interação nuclear atrativa de curto alcance, o núcleo composto se fragmenta.
Se a energia de excitação é baixa, as vibrações coletivas do núcleo composto não o levam a uma forma muito diferente da sua forma quando no estado fundamental e eventualmente a energia de excitação é liberada com a emissão de radiação g. O núcleo composto vai, então, ao seu estado fundamental e o processo como um todo não passou de uma captura radioativa de um nêutron e pode ser representado por:
AXZ + n ---> [ A + 1YZ ] --->
A + 1YZ +
A captura de um nêutron lento pelo urânio 238 desencadeia o seguinte processo:
238U92 + n ---> [ 239U92 ] --->
239Np93 + e- + *
+
239Np93 ---> 239Pu94 +
e- + * +
ou seja, a captura de um nêutron lento pelo urânio 238 resulta
em um núcleo radioativo de netúnio 239 que, por sua vez, decai
num núcleo radioativo de plutônio 239. Esse processo é
o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção
de grandes quantidades de plutônio. O núcleo de plutônio
239 é outro exemplo de núcleo que sofre fissão com a
captura de um nêutron lento.
Como um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não
viole os princípios de conservação, o urânio 235,
por exemplo, pode sofrer vários tipos de fissões:
235U92 + n ---> 97Rb37 + 137Cs55 + 2n
97Zr40 + 137Te52 + 2n
94Sr38 + 140Xe54 + 2n
87Br35 + 143La57 + 6n
92Kr36 + 141Ba56 + 3n
Entre os produtos dessas fissões incluem-se fótons g. A energia
cinética total dos produtos é sempre da ordem de 200 MeV.
