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Prof. AGUINALDO SILVA Mestrando em Eng. Biomédica - UNB
Tecnólogo em Radiologia aguinaldo.radiologia@gmail.com 1 Estrutura do átomo Descoberta da radioatividade natural e artificial Isótopos Radiações corpusculares e ondas eletromagnéticas Produção dos raios X Interações das radiações com a matéria Meia-vida de um elemento; decaimento radioativo e atividade de uma amostra 2 Tudo na natureza é feito de átomos que, com grande frequência se unem para formar moléculas. A neutralidade elétrica que existe nos átomos é mantida na molécula, uma vez que o número de cargas positivas (prótons) é o mesmo que o de cargas negativas (elétrons). Se uma ligação química que mantém uma molécula for rompida, fragmentos resultados podem não mais manter a neutralidade elétrica. 3 Quando um átomo perde ou ganha elétron, diz-se que ele se transformou em um íon. Se uma molécula perde um elétron, uma ligação química entre os átomos de uma molécula pode ser rompida e como consequência, haver a formação de íons moléculas, denominados radicais livres. 4 A comparação com o sistema solar, embora sirva para dar uma idéia visual da estrutura do átomo, logo, no sistema solar, os planetas se distribuem quase todos num mesmo plano ao redor do sol. No átomo, os elétrons se distribuem, em vários planos em torno do núcleo. 5 O Núcleo do átomo é constituído de partículas positivas, chamadas de prótons, e de partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. Num átomo neutro o número de prótons é igual o número de elétrons. 6
O elemento mais simples, o hidrogênio, possui um próton, enquanto um dos mais complexos, o urânio, com 92 prótons, sendo o elemento químico natural mais pesado. 7 8 A Radioatividade natural foi descoberta em 1896 , quando ele percebeu que o Urânio emitia radiações ao deixar filmes fotográficos em contato com o elemento radioativo. Henri Becquerel (1852 – 1908) (^1896) Prêmio Nobel em Física em 1903 – Descoberta da Radioatividade 9 A radioatividade natural (não produzida ou modificada pelo homem) é responsável por + da metade da exposição a que uma pessoa está sujeita. No Brasil, há cidades como Araxá, Guarapari e Poços de Caldas apresentam um alto índice de radioatividade natural. 10 A Radioatividade artificial é um fenômeno da mesma natureza da radioatividade natural. Entretanto, os núcleos atômicos são produzidos em laboratórios (cíclotrons) ou em reatores nucleares quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Irène Curie (1897 – 1956) Frederic Curie (1900 – 1958) 1934 – Descoberta da produção artificial de Prêmio elementos Nobel químicosQuímica 1935 11 ISÓTOPOS – são átomos de um mesmo elemento químico com o mesmo número de prótons mas com diferentes números de massa. 12 S = Símbolo Z = Número de prótons N = Número de nêutrons A = Z + n = número de massa
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NÚCLEOS INSTÁVEIS
Partículas α, β, raios γ; EQUIPAMENTOS ELÉTRÔNICOS Raios X Equipamentos de radiologia convencional, tomografia computadorizada, densitometria óssea, mamografia e aplicações industriais; Elétrons Aceleradores clínicos e industriais Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o de emissão de um grupo de partículas, constituídas por dois prótons e dois nêutrons e da energia a elas associadas. São as radiações α ou partículas α. Como estas partículas são pesadas elas dificilmente são desviadas do seu caminho, representando uma trajetória retilínea, um baixo poder de penetração e um alto poder de ionização. 21 22 Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton. No caso de existir partículas positivas (prótons), é emitida uma partícula beta+^ chamada de pósitron, resultante da conversão de um próton em um nêutron. 23 Portanto, a radiação β é constituída de partículas emitidas por um núcleo, quando da transformação de nêutrons em prótons (partículas β - ) ou de prótons em
nêutrons (partículas β +^ ou pósitrons).
A radiação β, ao passar por um meio material,
também perde energia ionizando os átomos que
encontra pelo caminho.
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Geralmente, após a emissão de uma partícula α ou β, o núcleo resultante deste processo, ainda com excesso de energia, tende a estabilizar-se emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética. 25 A diferença entre radiação X e radiação γ está na sua origem. Enquanto os raios γ resultam de mudanças do núcleo, os raios X, são emitidos quanto os elétrons sofrem uma mudança de orbital. 26 27 As radiações que possuem carga, (radiação corpuscular) como elétrons, partículas α, atuam principalmente por meio de seu campo elétrico e transferem sua energia para muitos átomos ao mesmo tempo e são denominadas: RADIAÇÃO DIRETAMENTE IONIZANTES. As radiações que não possuem carga, (ondas eletromagnéticas) interagem individualmente e transferem sua energia para elétrons que irão provocar novas energias e são denominadas: RADIAÇÃO INDIRETAMENTE IONIZANTES. 28 29 Núcleos instáveis (radioisótopos), não realizam todas as mudanças ao mesmo tempo. As emissões são realizadas de modo imprevisto e não se pode adivinhar o momento em que um determinado núcleo irá emitir radiação. Logo, espera-se um certo número de emissões ou transformações em cada segundo. Essa “ taxa” de transformações é denominada atividade de uma amostra. 30 A atividade de uma amostra com átomos radioativos (fonte radioativa) é medida em: Bq (Becquerel) = uma desintegração por segundo Ci (Curie) = 3 , 7 x 1010 Bq
37 O que caracteriza a radiação ionizante é a sua capacidade de ionizar o meio que atravessa. Assim, a passagem das radiações ionizantes por qualquer meio pode produzir ionizações e excitações. 38 Em física das radiações consideram-se sete interações da radiação com a matéria como importantes: Radiação de freamento ou Bremsstrahlung Raios X característico Efeito fotoelétrico Efeito Compton Produção de pares Espalhamento coerente Fotodesintegração 39 RADIAÇÃO DE FREAMENTO ou BREMSSTRAHLUNG Uma pequena fração dos elétrons incidentes no alvo aproxima-se dos núcleos dos átomos, que constituem o alvo. Eles podem perder de uma só vez, uma fração considerável de sua energia, emitindo um fóton de raios X. Logo, um fóton de raios X é criado quando um elétron sofre uma desaceleração brusca devido à atração causada pelo núcleo. Os raios X assim gerados são chamados de radiação de freamento e podem possuir qualquer energia, que depende do grau de aproximação do elétron do núcleo e da energia cinética do elétron. 40 RADIAÇÃO DE FREAMENTO ou BREMSSTRAHLUNG 41
RAIOS X CARACTERÍSTICOS
Quando um elétron incidente no alvo remove um elétron da camada K, cria-se um buraco em seu lugar que é imediatamente preenchido pela transição de um elétron da camada mais externa. 42
RAIOS X CARACTERÍSTICOS
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EFEITO FOTOELÉTRICO
No efeito fotoelétrico, o fóton retira do átomo um elétron interno (> probabilidade das camadas K e L) e desaparece. Há produção de um íon excitado e transferência de toda a energia do fóton para o meio. 44
EFEITO FOTOELÉTRICO
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EFEITO COMPTON
O efeito Compton recebeu este nome em homenagem a Arthur Compton que descreveu esse espalhamento em 1923. Como consequência da interação, a energia do fóton incidente é dividida entre o elétron e um fóton espalhado de menor energia que o original e que se propaga em outra direção. Ambas as partículas são radiação ionizante. Arthur Compton (1901 – 1958) (^1923) Compton – Descoberta do Efeito Prêmio Nobel em Física em 1927 46
EFEITO COMPTON
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PRODUÇÃO DE PARES
A criação de par elétron-pósitron, resume-se na conversão de toda a energia do fóton em massa e a energia cinética em um par de partículas (elétron) e sua antipartícula (pósitron). Para a produção do par elétron-pósitron, o fóton deve possuir no mínimo, energia equivalente a duas massas do elétron ( 1 , 022 MeV). 48
PRODUÇÃO DE PARES
