Questão de Física — Física Atômica e Nuclear — FGV 2023

Espectros de emissão de radiação ionizante: discreto × contínuo

Gabarito: letra A. As partículas β (beta) são elétrons ou pósitrons emitidos no decaimento nuclear com uma distribuição contínua de energias, que vai de zero até um valor máximo característico — por isso seu espectro é contínuo. As demais opções (raios γ, elétrons de conversão interna, raios X característicos e elétrons Auger) apresentam espectro discreto, com energias bem definidas. Essa é a distinção central que a questão explora.

O espectro de emissão de uma radiação descreve como a energia se distribui entre as partículas ou fótons emitidos. Quando a radiação é emitida com uma ou poucas energias específicas, temos um espectro discreto (linhas bem definidas); quando a energia se distribui de forma contínua entre um valor mínimo e um máximo, temos um espectro contínuo. Essa diferença não é meramente acadêmica: ela revela o mecanismo físico de emissão.

No decaimento beta, um nêutron se transforma em próton (ou vice-versa) no núcleo, emitindo uma partícula β (elétron ou pósitron) e um antineutrino (ou neutrino). A energia liberada no decaimento é compartilhada entre a partícula β e o neutrino de forma aleatória: ora a partícula β leva quase toda a energia, ora o neutrino leva quase tudo. Como essa partilha é estatística, as partículas β emergem com energias que variam continuamente de zero até a energia máxima do decaimento (Q). Por isso, o espectro beta é contínuo — essa é a assinatura experimental clássica da radioatividade beta.

Já as emissões gama, os raios X característicos, os elétrons de conversão interna e os elétrons Auger têm origem em transições entre níveis de energia quantizados. No caso dos raios γ, o núcleo excitado decai para um nível de menor energia emitindo um fóton com energia exatamente igual à diferença entre os dois níveis — um valor discreto. O mesmo ocorre com os raios X característicos: um elétron de uma camada mais externa preenche uma vacância em uma camada mais interna, e a diferença de energia entre os níveis é emitida como fóton de energia bem definida. Na conversão interna, o núcleo excitado transfere sua energia diretamente a um elétron orbital, que é ejetado com energia cinética igual à diferença entre a energia de transição e a energia de ligação do elétron — também um valor discreto. No efeito Auger, a vacância deixada por um elétron ejetado é preenchida e a energia liberada é transferida a outro elétron do átomo, que é ejetado com energia cinética característica — novamente discreta.

A pegadinha da questão está em associar "raios X" a espectro contínuo, pois os raios X de frenamento (bremsstrahlung) realmente têm espectro contínuo. No entanto, a alternativa D se refere aos raios X característicos, que são emitidos com energias discretas, específicas de cada elemento. A banca explora exatamente essa confusão entre raios X característicos (discretos) e raios X de frenamento (contínuos).

Guarde a fronteira: emissões que envolvem transições entre níveis de energia quantizados (núcleo ou átomo) produzem espectro discreto; emissões que envolvem partilha estatística de energia (como no decaimento beta) produzem espectro contínuo. É nessa fronteira que as alternativas se dividem.

Alternativa A — ✅ Correta ⟵ GABARITO

As partículas β são emitidas no decaimento beta com uma distribuição contínua de energias, de zero até a energia máxima do decaimento (Q). Isso ocorre porque a energia liberada é partilhada aleatoriamente entre a partícula β e o neutrino/antineutrino. O espectro beta é, portanto, contínuo — é a única das opções com essa característica.

Alternativa B — ❌ Incorreta

Os raios γ são fótons emitidos quando o núcleo excitado decai para um nível de menor energia. A energia do fóton é exatamente a diferença entre os dois níveis nucleares, um valor discreto. O espectro gama é, portanto, discreto, com linhas bem definidas.

Alternativa C — ❌ Incorreta

O elétron de conversão interna é ejetado com energia cinética igual à diferença entre a energia de transição nuclear e a energia de ligação do elétron orbital. Como essa diferença é um valor bem definido, o espectro é discreto.

Alternativa D — ❌ Incorreta

Os raios X característicos são emitidos quando um elétron de uma camada mais externa preenche uma vacância em uma camada mais interna, com energia igual à diferença entre os níveis atômicos — um valor discreto. A confusão possível é com os raios X de frenamento (bremsstrahlung), que têm espectro contínuo, mas a alternativa se refere aos raios X característicos, que são discretos.

Alternativa E — ❌ Incorreta

O elétron Auger é ejetado com energia cinética característica, igual à diferença entre a energia da transição eletrônica e a energia de ligação do elétron ejetado. Como essa energia é bem definida, o espectro é discreto.

Gabarito: letra A