Césio-137

O césio-137 é um isótopo radioativo do elemento césio derivado de processos de fissão nuclear. O césio-137 é empregado como agente esterilizante e em equipamentos médicos.

O césio-137 é um isótopo radioativo do elemento césio derivado de reações de fissão nuclear de elementos pesados, como o urânio-235. O césio-137 sofre decaimento radioativo para o bário-137, emitindo partículas beta e raios gama. Os raios gama emitidos pelo césio-137 são de alta energia e possuem alto poder de penetração, por isso são nocivos aos seres vivos, pois podem afetar a estrutura das células.

Contudo, quando utilizada adequadamente, a radiação emitida pelo césio-137 pode ser benéfica, sendo empregada em procedimentos de radioterapia no tratamento de câncer, em alguns tipos de tomografia e como agente esterilizante em alimentos e utensílios médicos.

Leia também: Afinal, o que é radiação?

Resumo sobre o césio-137

O césio-137 é um isótopo radioativo do elemento químico césio.
O césio-137 é formado na reação de fissão nuclear de elementos mais pesados, como o urânio e o plutônio.
O decaimento radioativo do césio-137 resulta na formação do bário-237 estável, acompanhado de emissões de partículas beta e radiação gama.
Os raios gama possuem alto poder de penetração em razão da sua elevada energia. As partículas beta possuem energia mais baixa e poder de penetração menor.
A radiação emitida no processo de decaimento radioativo do césio-137 pode afetar a estrutura das células dos organismos vivos.
O césio-137 radioativo é nocivo aos seres vivos quando manipulado de forma não adequada.
O césio-137 possui aplicação como esterilizante em processos industriais e no setor de alimentos.
É empregado em terapias para tratamento de câncer e em alguns procedimentos de tomografia.
Usinas e testes nucleares originaram quase a totalidade do césio-137 existente no planeta Terra.

Propriedades do césio-137

Símbolo: ¹³⁷Cs.
Número atômico (número de prótons): 55.
Número de nêutrons: 82.
Massa atômica: 137 u.
Configuração eletrônica: [Xe] 6s¹.
Estados físicos: sólido (a 20 °C) e líquido (a 28 °C).
Ponto de fusão: 28,5 °C.
Ponto de ebulição: 671 °C.
Densidade: 1,93 g cm^-3.
Eletronegatividade: 0,79 (eletronegatividade de Pauling).
Série química: elementos representativos.
Localização na Tabela Periódica: grupo 1, período 6, bloco s.
Tempo de meia vida: 30,05 ± 0,08 anos.
Produtos de decaimento: ¹³⁷Ba (instável) e ¹³⁷Ba (estável).

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Características do césio-137

O césio-137 é um isótopo radioativo do elemento químico césio e é um dos produtos da fissão nuclear de átomos pesados, como o urânio-235, que sofre desintegração emitindo raios gama, partículas beta e elétrons.

O elemento químico césio possui um único isótopo natural, o césio-133, e cerca de 39 isótopos radioativos. A maior parte deles é instável, sofrendo etapas de desintegração nuclear com emissão de partículas beta, e possui tempo de meia-vida muito curto. A exceção é o isótopo césio-137, que possui tempo de meia-vida de 30,05 anos.

O césio-137 tem seu núcleo formado por 55 prótons e 82 nêutrons. O número “137” é seu número de massa e corresponde à quantidade de partículas nucleares (prótons e nêutrons).

Normalmente combinando-se com cloretos, o césio-137 forma o sal cloreto de césio, o qual possui características similares ao cloreto de sódio (sal de cozinha). Em contato com a água, forma o hidróxido de césio (CsOH). Tanto o hidróxido como o cloreto de césio são espécies solúveis em água e capazes de se movimentar com facilidade pelo ar atmosférico. O sal de césio também é capaz de se associar ao solo, de maneira que a vegetação cultivada em solo contaminado cresce contendo pequenas quantidade do césio-137.

Aplicações do césio-137

O césio-137 possui diversas aplicações na área industrial e na área médica, por ser um emissor de radiação gama, que é uma radiação de alta energia.

Por ser altamente energética, a radiação gama possui grande capacidade de penetração na matéria, sendo os raios gama capazes de alcançar o núcleo das células, causando-lhes danos e perda da atividade. Em razão dessa característica, os raios gama são utilizados como agentes de esterilização de alimentos, de utensílios médicos e de outros produtos.

Na indústria alimentícia, o césio-137 é empregado na irradiação de diversos alimentos, como frutas e carnes. Em doses adequadas, a radiação gama elimina fungos e bactérias que ocasionam a deterioração dos alimentos e possíveis contaminações, como a salmonela (Salmonella typhimurium).

A ação esterilizante da radiação auxilia nas etapas de transporte, armazenamento e venda, ampliando a validade dos alimentos. Os alimentos que receberam irradiação ionizante devem ser identificados pela presença do símbolo a seguir em sua embalagem.

Símbolo universal que indica o tratamento do alimento com radiação ionizante.

Na área médica, a radiação gama emitida no processo de desintegração do césio-137 era amplamente empregada em equipamentos de radioterapia no tratamento de enfermidades, como o câncer. Um conjunto de colimadores era capaz de direcionar a radiação exatamente para a região que precisava ser tratada. Os equipamentos de radioterapia mais recentes são construídos para operar com outros materiais radioativos, como o cobalto-60.

Equipamentos de tomografia por emissão de pósitrons são usados para o diagnóstico de câncer e empregam o césio-137 para a construção de imagens da estrutura corporal.

Equipamento de radioterapia que utiliza materiais radioativos. [1]

Em razão do poder de penetração na matéria da radiação gama, ela se torna perigosa aos seres humanos, pois, assim como pode atacar a célula dos microrganismos, também pode atacar as células sadias do organismo. A fim de minimizar os efeitos da radiação em pacientes, protocolos de segurança são adotados para que a exposição à radiação seja a menor possível.

Saiba mais: Aplicações da radioatividade na medicina

Obtenção do césio-137

O césio-137 é obtido como produto da reação de fissão nuclear de radionuclídeos pesados, como o urânio-233, urânio-235 e plutônio-239. Quantidades muito pequenas de césio-137 são obtidas por meio do decaimento nuclear espontâneo do urânio-238. A maior fração do césio-137 deriva do mecanismo induzido de fissão nuclear, iniciado por meio do bombardeamento do núcleo do átomo pesado.

Por exemplo, o urânio-235 é bombardeado por nêutrons formando a espécie isotópica urânio-236. Como o urânio-236 é instável, sofre o processo de fissão, gerando um novo radionuclídeo com massa 137, que pode ser o bário-137 ou o césio-137.

Caso seja o césio-137, este sofrerá um novo processo de decaimento nuclear para formar o bário-137 instável, acompanhado pela emissão de partículas beta (β). O tempo de meia-vida do césio-137 é de cerca de 30,05 anos.

A espécie bário-137 formada é instável e possui tempo de meia-vida de apenas 2,6 segundos, sofrendo um novo processo de decaimento para atingir a sua forma estável, seguida da emissão de radiação gama (γ), altamente energética. Portanto, é o processo de decaimento da forma instável para a forma estável do bário-137 que gera a radiação gama em amostras de césio-137.

\({_{55}^{137}}Cs ⟶ {_{56}^{137}}Ba\ (instável)+ {_{-1}{^0}}β\)

Radiação
beta

\({_{56}^{137}}Ba\ (instável)⟶ {_{56}^{137}}Ba\ (estável) + {_{0}^{0}}γ\)

Radiação
gama

Precauções com o césio-137

O césio-137 é um elemento químico radioativo e que apresenta perigos aos organismos vivos em razão das emissões de radiação beta e gama. Ao mesmo tempo, a emissão da radiação é útil para exames tomográficos, para terapias de tratamento de câncer e para processos de esterilização na indústria.

Para que o césio-137 possa ser empregado nessas aplicações, sem riscos aos profissionais e pacientes, é necessário que a fonte de césio seja adequadamente embalada e armazenada. Nesse processo, denominado blindagem, são utilizadas camadas e cápsulas de elementos químicos capazes de absorver e atenuar a radiação emitida pelo césio-137.

O material mais empregado para a blindagem da radiação é o chumbo. Em razão da elevada densidade, esse metal é capaz de absorver radiação beta e atenuar as emissões de raios gama. Por isso, fontes de césio-137 normalmente estão armazenadas dentro de câmaras de chumbo com paredes espessas. O concreto e o ferro também podem ser empregados para a blindagem.

Risco do césio-137 para a saúde

O césio é um elemento radioativo, sendo a radiação emitida durante os processos de decaimento nuclear perigosa aos organismos vivos. O césio-137 emite radiações beta e gama. As partículas beta são menos energéticas e possuem menor poder de penetração. Já os raios gama são altamente energéticos, possuindo alto poder de penetração no organismo, atingindo o núcleo das células, podendo alterar seu mecanismo de funcionamento e até mesmo destruí-las.

A absorção de césio-137 pelo organismo é relativamente fácil. Esse elemento se comporta de forma parecida ao sódio e potássio, formando o composto solúvel hidróxido de césio em contato com a água. Em razão da alta solubilidade, o césio se distribui pelo organismo, alcançando facilmente os tecidos moles, como o fígado, o pâncreas e os músculos. As radiações emitidas por esse elemento aumentam o risco de câncer pelo dano causado às células.

O césio-137 não é bioacumulável, significando que é excretado naturalmente pelo organismo. A sua meia-vida biológica é de aproximadamente 70 dias. Situações de ingestão de césio podem ser tratadas pela administração de solução de Azul da Prússia (Fe₄[Fe(CN)₆]₃), que se liga quimicamente ao césio, reduzindo o tempo de vida biológico e amenizando os efeitos da radiação.

A exposição externa ao césio-137 pode causar queimaduras, doenças agudas em função da exposição à radiação, como câncer e problemas neurológicos, e morte. Os efeitos dependem da dimensão da exposição.

História do césio-137

O césio-137 foi descoberto em 1941 por uma estudante de graduação chamada Margaret Melhase durante seu estágio no laboratório do professor Glenn Seaborg, na Universidade da Califórnia. A estudante insistiu em trabalhar com o professor Seaborg em estudos de radioatividade, mesmo que naquela época houvesse muito poucas mulheres trabalhando na área científica.

Melhase recebeu uma amostra de 100 g de urânio e passou muitos meses analisando os produtos derivados da fissão nuclear do elemento até se deparar com um dos produtos que se manteve estável por várias semanas, o qual foi reconhecido mais tarde como um dos isótopos do césio.

Margaret Melhase, estudante de graduação que descobriu o césio-137 em 1941. [2]

Considera-se que praticamente todo o césio-137 encontrado no planeta Terra possui origem antropogênica, ou seja, é derivado das atividades humanas. Antes da construção do primeiro reator nuclear artificial em Chicago, em 1942, não havia quantidades significativas do césio-137 no meio ambiente.

O césio-137 começou a ser liberado na atmosfera a partir dos testes de armas nucleares, como as bombas atômicas, em 1945, em Hiroshima e Nagasaki. Gigantescas quantidades desse elemento foram expostas à atmosfera nos desastres radioativos de Chernobyl e Fukushima.

A explosão de um dos reatores da Usina Nuclear de Chernobyl em 1986, na Ucrânia, liberou cerca de 27 kg de césio-137 à atmosfera. O material radioativo se espalhou para diversos países da região, afetando a qualidade das águas, dos solos e a saúde da população. Uma região de cerca de 4000 km² em torno da usina ainda se mantém inabitável e incultivável e assim deve ficar até que vários períodos de meia-vida do césio-137 passem e a concentração desse elemento diminua consideravelmente.

Vista da cidade abandonada de Chernobyl. Ao fundo, estrutura da usina nuclear de Chernobyl. [3]

Em 2011, um tsunami desencadeou explosões na usina nuclear de Fukushima, no Japão, liberando alta quantidade de material radioativo à atmosfera e contaminando em grande proporção o oceano Pacífico.

Leia também: Como funciona uma usina nuclear?

Acidente com césio-137 em Goiânia

O acidente com césio-137 aconteceu em 1987, em Goiânia, e é conhecido mundialmente. Ocorreu após dois catadores de lixo encontrarem um equipamento de radioterapia em um prédio abandonado, onde anteriormente funcionava o Instituto Goiano de Radioterapia.

Dentro desse equipamento, os dois homens encontraram uma cápsula de chumbo. Em razão do alto valor comercial do chumbo, levaram-na para um ferro-velho e lá venderam a peça. Ao abrir a cápsula, foram encontrados cerca de 19 g de um pó azulado, que era o cloreto de césio.

No escuro, esse pó chamava muito a atenção, pois ele adquire um brilho azulado. Encantado com a descoberta, o dono do ferro-velho levou esse material para a sua casa, mostrando-o à sua família e distribuindo-o entre as pessoas mais próximas.

Após algumas semanas, vários moradores da cidade começaram a apresentar sintomas de cansaço, mal-estar, vômitos, diarreia e tonturas. A esposa do dono do ferro velho percebeu que todos que tiveram contato com o pó azulado apresentaram esses sintomas e levou a peça à Vigilância Sanitária. Após alguns dias, foi constatado que se tratava do cloreto de césio (césio-137).

Imediatamente se iniciou a operação para tratar as pessoas contaminadas, encontrar outros moradores que tiveram contato com o material e descontaminar a população, as áreas de solo atingidas e conter a dispersão do césio-137 pelo ambiente.

O cloreto de césio é uma substância solúvel em água e por isso se espalha facilmente pelo ambiente, atingindo extensas regiões de solo, corpos aquáticos e vegetais.

Ao total, quatro pessoas faleceram e 14 pessoas ficaram em estado grave, com alterações na medula óssea e necessidade de amputação de órgãos. Outras dezenas desenvolveram a Síndrome Aguda de Radiação, e algumas centenas apresentaram contaminação em grau mais leve. Muitas recebem acompanhamento médico até os dias atuais.

Durante o tempo de descontaminação, foram gerados 3500m³ de lixo radioativo, os quais estão armazenados em contêineres de concreto na região de Goiânia e cujos níveis de radiação são monitorados constantemente.