Questão de Física — Física Moderna — FGV 2026

Decaimento do Cobalto-60: esquema de níveis e emissões gama

Gabarito: letra A — estão corretos apenas os itens II e IV. O Cobalto-60 decai por emissão beta para o Níquel-60, que fica em um estado excitado e, ao retornar ao estado fundamental, emite fótons gama de 1173,2 keV e 1332,5 keV. O item II está correto porque o elemento final é sempre o Níquel-60, independentemente do caminho; o item IV está correto porque todo decaimento beta do Co-60 deixa o núcleo filho em estado excitado, exigindo a emissão de pelo menos um raio gama. O item I erra ao afirmar que o espectro gama mostra a curva beta, e o item III erra ao sugerir transições entre quaisquer níveis, quando apenas as transições permitidas pelo esquema ocorrem.

O decaimento radioativo é o processo pelo qual um núcleo instável, como o Cobalto-60, busca estabilidade emitindo partículas e energia. No caso específico do Co-60, o núcleo emite uma partícula beta (um elétron) e se transforma em Níquel-60. Essa transformação é chamada de transmutação, pois o elemento químico muda — o cobalto (Z=27) vira níquel (Z=28). O que torna o caso do Co-60 particularmente interessante é que o Níquel-60 resultante não nasce diretamente em seu estado fundamental (o estado de menor energia). Ele nasce em um estado excitado, ou seja, com energia interna acima do mínimo. Para atingir a estabilidade, o núcleo de Níquel-60 excitado emite essa energia extra na forma de fótons gama, que são radiação eletromagnética de altíssima frequência.

O esquema de decaimento do Co-60 mostra exatamente essa sequência: o Co-60 decai por beta para o Ni-60 em um nível excitado de 2505,7 keV. Desse nível, o núcleo pode emitir um fóton gama de 1173,2 keV, caindo para um nível intermediário de 1332,5 keV, e então emitir outro fóton gama de 1332,5 keV, atingindo o estado fundamental. Alternativamente, o núcleo pode emitir diretamente um fóton gama de 2505,7 keV, indo direto ao estado fundamental. Em qualquer dos caminhos, o elemento final é sempre o Níquel-60 estável. Essa é a essência do item II: a transmutação beta define o elemento final, e as emissões gama subsequentes apenas levam o núcleo filho ao estado de menor energia, sem mudar o elemento químico.

A distinção crucial que a questão explora é entre o espectro beta e o espectro gama. O decaimento beta emite uma partícula (elétron) com um espectro contínuo de energias, porque a energia é compartilhada entre o elétron e o antineutrino. Já o decaimento gama emite fótons com energias discretas, características das diferenças entre os níveis nucleares. No caso do Co-60, os picos gama são em 1173,2 keV e 1332,5 keV — são linhas discretas, não uma curva contínua. O item I confunde exatamente isso: afirma que o espectro gama mostra a curva beta, o que é um erro conceitual grave. O espectro gama mostra picos discretos, enquanto a curva contínua é característica do espectro beta.

Outro ponto que a banca explora é a ideia de que "transições entre quaisquer níveis" são possíveis. Na física nuclear, nem toda transição entre níveis de energia é permitida — existem regras de seleção baseadas em conservação de momento angular e paridade. O esquema de decaimento mostra as transições que de fato ocorrem com probabilidade significativa. O item III afirma que seria possível ocorrer transmutação entre quaisquer níveis, o que é falso: as transições são restritas pelas leis da mecânica quântica, e o esquema apresentado é justamente o mapa das transições permitidas. Além disso, o item III menciona "conversão interna de 2505,7 keV" como um estado final, o que é um equívoco: a conversão interna é um processo alternativo à emissão gama, no qual a energia do núcleo excitado é transferida diretamente a um elétron orbital, ejetando-o. Não é um estado de energia do núcleo, mas um mecanismo de desexcitação.

O item IV é o mais sutil. Ele afirma que todo decaimento beta do Co-60 está associado à emissão de pelo menos um raio gama. Isso é verdadeiro porque, no esquema de decaimento do Co-60, o decaimento beta sempre leva o Ni-60 a um estado excitado (o nível de 2505,7 keV). Como o estado fundamental não é alcançado diretamente pelo beta, a desexcitação subsequente sempre envolve a emissão de pelo menos um fóton gama. Não há um caminho de decaimento beta que leve diretamente ao estado fundamental do Ni-60 — todos os caminhos passam pelo nível excitado. Portanto, a afirmação é correta.

Guarde a fronteira entre espectro contínuo (beta) e espectro discreto (gama), e entre transmutação (mudança de elemento) e desexcitação (emissão de energia sem mudar o elemento): é exatamente nesses dois eixos que os itens I e III se separam dos itens II e IV.

Item I — ❌ Incorreto

O item afirma que, em um espectro gama do Co-60, observa-se a curva característica da emissão beta associada aos picos das duas energias gama. Isso é um erro conceitual: o espectro gama é composto por picos discretos de energia (1173,2 keV e 1332,5 keV), enquanto a curva contínua é característica do espectro beta, que surge da partilha de energia entre o elétron e o antineutrino. O espectro gama não mostra a curva beta — são fenômenos distintos. A banca troca o espectro contínuo do beta pelo espectro discreto do gama.

Item II — ✅ Correto

O item afirma que o elemento final da transmutação será sempre o Níquel-60, independentemente do caminho de desintegração. Isso é correto: o decaimento beta do Co-60 (Z=27) sempre produz Ni-60 (Z=28), pois a emissão de um elétron aumenta o número atômico em uma unidade, mantendo o número de massa (60). As emissões gama subsequentes apenas desexcitam o núcleo de Ni-60, sem alterar o elemento químico. Portanto, o elemento final é sempre o Níquel-60, seja qual for o caminho (emissão de um ou dois fótons gama).

Item III — ❌ Incorreto

O item afirma que é possível ocorrer transmutação entre quaisquer níveis de energia, não apenas pelas transições mostradas, e que o elemento final poderia encerrar o processo no estado de conversão interna de 2505,7 keV. Há dois erros: (1) as transições nucleares são restritas por regras de seleção (conservação de momento angular e paridade), não podendo ocorrer entre quaisquer níveis; (2) a conversão interna não é um estado de energia, mas um processo alternativo à emissão gama, no qual a energia do núcleo excitado é transferida a um elétron orbital. O esquema mostra as transições permitidas, e o estado de 2505,7 keV é um nível excitado do Ni-60, não um estado final estável.

Item IV — ✅ Correto

O item afirma que todo decaimento beta do Co-60 está associado à emissão de pelo menos um raio gama. Isso é correto: no esquema de decaimento do Co-60, o decaimento beta sempre leva o Ni-60 ao nível excitado de 2505,7 keV, nunca diretamente ao estado fundamental. Portanto, a desexcitação subsequente sempre envolve a emissão de pelo menos um fóton gama (1173,2 keV, 1332,5 keV ou 2505,7 keV). Não há caminho de decaimento beta que produza Ni-60 diretamente no estado fundamental.

Gabarito: letra A — corretos apenas os itens II e IV.