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Origem da RadiaçãoRadioatividadeInteração da Radiação com a MatériaGrandezas Dosimétricas
Fernando Mecca – Físico Médico
M I N I S T É R I O DA S A Ú D E
INSTITUTO NACIONAL DE CÂNCERM I N I S T É R I O DA S A Ú D E
INSTITUTO NACIONAL DE CÂNCER
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Estrutura da Matéria
++ +
Núcleo
Nêutrons
Prótons
Elétrons
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O átomo
Modelo AtualModelo para nosso
entendimento
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Nosso átomo
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Matéria
A matéria éconstituída de
estruturas de átomos
Estrutura da Matéria
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Revisão Básica• Um átomo é a menor unidade
química de um elemento;
• Elétrons, prótons e nêutrons constituem o átomo;
• Os elétrons podem se mover para órbitas mais externas quando absorvem quantidades discretas de energia, deixando o átomo excitado;
• Átomos excitados liberam suas energias na forma de radiação eletromagnética;
� Os elétrons podem ser completamente removidos do átomo quando absorvem energias que excedem as energias de ligação, deixando o átomo ionizado;
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Onde A – número de massa;Z – número atômico ;X – é o símbolo do elemento
químico;
AZ X
• Fórmula básica :
O átomo
• Isóbaros , isótopos , isótonos
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Explosão de Supernova
Formação dos elementosFormação dos elementos
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Conceito de Radioatividade • Podemos encontrar átomos com mesmo
números de massa e diferentes números de prótons e neutrons;
• Porém a razão entre entre esses números édiferente, portanto Z/N
• Exemplo:28Si 28Al 28P
Prótons: 14 13 15Neutros : 14 15 13
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Conceito de Radioatividade • No exemplo citado somente o Si é estável;• O Al e o P buscam a estabilidade através
de um transmutação ou decaimento;• Todos os átomos na natureza buscam a
estabilidade. Este processo envolve a emissão do excesso de energia do núcleo e é denominado decaimento radioativo;
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Conceito de Radioatividade
• Radioatividade é a alteração espontânea de um tipo de átomo em outro com a emissão de radiação para atingir a estabilidade ;
Radiação ≠ Radioativo
• Átomos radioativos são aqueles que emitem radiação
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+
++
+
++
+
++
+
++
+
++
+
++
+
++
+
++
+
++
+
antineutrino
++
antineutrino
-
neutrino--
neutrino
4He Nucleo
Raio Gama
Radiações Nucleares Nome dado às partículas ou ondas eletromagnéticas emitidas pelo núcleo durante o processo de restruturação interna, para atingir a estabilidade
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Decaimento radioativo
n = número de átomos radioativos no instante (t)n0 = número de átomos radioativos no instante (t = 0)λ = constante de decaimentoT1/2 = meia-vidaτ= vida-média
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Decaimento αααα
Decaimentoββββ
Emissão γγγγ
Decaimento Radioativo
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DECAIMENTO ALFA“Quando o no. de p+ e n1 é elevado, o núcleo pode se tornar
instável devido à repulsão coulombiana entre os p+, que pode superar a força nuclear atrativa”
Emissão de PartículaAlfa(+2)
FilhoNucleoYPaiNucleoX
HeYX AZ
AZ
−⇒−++→ −
− Q42
42
Em geral os núcleos alfa-emissores tem Z elevado
Decaimento Radioativo
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Decaimento Alfa
• Mesmo a partícula alfa com maior energia (maior alcance) não consegue atravessar a camada morta de pele do corpo humano.
• Esta é uma das fontes mais danosas a saúde, no caso de contaminação interna, ou seja, no caso de ingestão, inalação ou cair na circulação sanguínea.
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Decaimento αααα
Decaimentoββββ
Emissãoγγγγ
Decaimento Radioativo
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Decaimento beta ( ββββ)Núcleos de massa pequena ou intermediária
ββββ++++
ββββ−−−−
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Decaimento beta negativo ( ββββ-)
� Núcleos com excesso de nêutrons instáveis
� Transformação: n → p
� Elétron
� Energia → contínua
~ (eV a MeV)
� Alcance → perda de energia com a matéria
ββββ−−−−
νννν
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Decaimento beta negativo ( ββββ-)Equação de Transformação:
131 13153 54I Xe Eβ ν−→ + + +
01 1 0n p e ν+ −→ + +
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Decaimento beta positivo ( ββββ+)
� Núcleos com excesso de prótons instáveis
� Transformação: p → n
� Pósitron
� Energia → contínua
~ (eV a MeV)
� Alcance → perda de energia com a matéria
ββββ++++
νννν
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Decaimento beta positivo ( ββββ+)
18 189 8F O Eβ ν+→ + + +
Equação de Transformação:
01 1 0p n e ν+ +→ + +
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Decaimento αααα
Decaimentoββββ
Emissãoγγγγ
Decaimento Radioativo
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Emissão Gama
• Quando um núcleo decai por emissão de radiação alfa ou beta geralmente o núcleo residual tem seus núcleons fora de equilíbrio, ou seja, em estados excitados. Sendo assim para atingir o estado fundamental emitem a energia excedente em forma de radiação eletromagnética
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O Radônio e o “Torônio”
• A maioria das rochas, solos, sedimentos e minérios contêm concentrações de Urânio e Tório. Portanto contêm também os radionuclídeos pertencentes à série radioativa;
• O Radônio (222Rn) e o Torônio (220Rn) são das séries radioativas do Urânio e Tório, respectivamente. Por serem gasosos eles emanam de materiais como cerâmica, granito, concreto, gesso, etc.
• Homens e animais incorporam esses radionuclídeos por inalação ou ingestão. Devido às meias-vidas curtas compatíveis com o metabolismo, esses radionuclídeos decaem no interior dos organismos, irradiando-os.
Radioatividade Natural
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Exposição do Homem àRadiação Ionizante
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Radiação Cósmica
• Raios cósmicos
– Radiação extraterrestre primária Partículas (80% prótons) de energia extremamente alta
– Radiação secundária
Partículas (ex: elétrons) e radiação eletromagnética
Radioatividade Natural
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Fontes Artificiais de Radiação
• Geradores de Radiação
– Tubo de Raios X
– Aceleradores de Partículas
– Irradiadores com radioisótopos
– Fontes de Nêutrons
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Tubo de raios X
• Invólucro de vidro• Catodo• Anodo• Capa focalizadora• Cabeçote• Óleo
Fontes Artificiais de Radiação
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Produção de Raios XProdução de Raios X
Existem dois processos de produção de Raios X
1-radiação de freamento (bremmstrahlung)2-radiação característica
Fontes Artificiais de Radiação
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Radiação de Freamento
Essa radiação é produzida quando um elétron, passa próximo a um núcleo de um átomo do alvo, sendo atraído na direção deste núcleo e desviado de sua trajetória inicial. com isso o elétron perde energia cinética, e emite essa energia parte em forma de calor , parte em forma de radiação x.
-99% em forma de calor- 1% produção de raios x
Fontes Artificiais de Radiação
Produção de Raios X
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Radiação de Freamento
e e --
(incidente)(incidente)
e e --
(freado)(freado)
BremsstrahlungBremsstrahlung
Produção de Raios X
Fontes Artificiais de RadiaçãoFontes Artificiais de Radiação
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Radiação Característica
Os elétrons incidentes, podem também remover elétrons de camadas eletrônicas dos átomos do alvo, deixando lacunas que sãoimediatamente preenchidas por elétrons de camadas mais externas. Acompanhando esse rearranjo, surge a emissão de raios-X característicos. A energia dos RX característicos corresponde à diferença entre as energias de ligação das camadas envolvidas noprocesso.
É chamada de radiação característica, porque sua energia, depende do material que a produz , sendo característica do mesmo
Fontes Artificiais de RadiaçãoFontes Artificiais de Radiação
Produção de Raios X
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Radiação Característica
Elétron Elétron incidenteincidente
Elétron Elétron ejetadoejetado
Elétron incidente Elétron incidente (após a interação)(após a interação)
I parte
Produção de Raios X
Fontes Artificiais de Radiação
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Emissão de raio x Emissão de raio x característicocaracterístico
Radiação Característica
II parte
Produção de Raios X
Fontes Artificiais de Radiação
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Acelerador de elétronsFontes Artificiais de Radiação
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Bomba de Cobalto
Fontes Artificiais de Radiação
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Interação da Radiação com a Matéria
1 – Radiação Eletromagnética
• Efeito Fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção de Pares
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Interação da Radiação com a Matéria
Efeito Fotoelétrico
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Interação da Radiação com a Matéria
Efeito Fotoelétrico
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Interação da Radiação com a Matéria
Efeito Compton
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Interação da Radiação com a Matéria
Efeito Compton
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Interação da Radiação com a Matéria
Produção de Pares
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Interação da Radiação com a Matéria
Produção de Pares
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Interação da Radiação com a Matéria
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Meios de Detecção• Emulsões Fotográficas;• Detectores a Gás;• Detectores a Cintilação;• Detectores a Cintilação Líquida;• Detectores utilizando Materiais
Semicondutores;• Calorímetros.
Detectores
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Emulsões Fotográficas
• São constituídas de cristais (grãos) de haletoshaletos de de prataprata (normalmente brometo) dispersos em uma matrizmatriz de de gelatinagelatina ;
• Cada grão tem aproximadamente 1010 1010 áátomostomos de prata (Ag+);
• De certa forma, foi o primeiro detector utilizado para radiação. Em 19861986, BecquerelBecquerel descobriu a radioatividaderadioatividadenaturalnatural por acaso, ao guardar chapasfotográficas junto com material radioativo.
Detectores
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Monitor Individual - FilmeDetectores
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Detectores Termoluminescentes - TLD
• O volume sensível de um material termoluminescente consiste de uma pequenamassa (1 a 100mg) de um material cristalinodielétrico contendo ativadores convenientes.
• No Brasil, em geral utiliza-se Fluoreto de LítioLiF100(Mg,Ti);
• O material é escolhido de acordo com faixa de energia de trabalho, que deve estar dentro da região de linearidade do material.
Detectores
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Detectores Termoluminescentes
Detectores
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Detectores a Gás
• São os mais tradicionais e os mais difundidos;• A interação das radiações com os gases
provoca principalmente excitação e ionização de seus átomos;
• Na ionização são formados pares elétron-íonque dependem de características dos gases utilizados e da radiação ionizante;
• A coleta das cargas formadas no volume sensível de detector é feita por meio de camposelétricos e dispositivos apropriados;
Detectores
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Detectores a Gás
•• Os Os eleléétronstrons arrancadosarrancados pertencempertencemnormalmentenormalmente ááss úúltimasltimas camadascamadas –– energiasenergiasde de ligaligaçãçãoo da da ordemordem de 10 a 20 de 10 a 20 eVeV..
•• Como ... Como ... nemnem todatoda interainteraçãçãoo resultaresulta ememionizaionizaçãçãoo e o e o nemnem sempresempre ssããoo osos eleléétronstrons da da úúltimaltima camadacamada queque interageminteragem ......
•• EnergiaEnergia mméédiadia parapara a a formaforma çãçãoo de um par de um par de de ííonsons (W) (W) emem um um ggááss::–– VariaVaria emem tornotorno de 20 a 45 de 20 a 45 eVeV –– parapara osos gases gases
maismais utilizadosutilizados..
Detectores
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Regiões de Operação paraDetectores a Gás
Detectores
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Exposição (X)
Essa Grandeza quantifica o total de cargas elétricas, de mesmo sinal, coletadas entre duas placas metálicas sob a ação de um potencial elétrico, com ar seco entre elas.
dm
dQX =
Grandezas Dosimétricas
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Dose Absorvida (D)É a relação entre a energia absorvida e a massa do volume do
material atingido é a base da definição Dose Absorvida
Ela é definida como uma função em um ponto p.
dm
dD
ε= Gray = J/kg
Grandezas Dosimétricas
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Emissão
Fator dePeso da
RadiaçãowR
Fator dePeso do
TecidowT
FONTEdentroou fora
do corpo
DoseEfetiva
E(Sv)
DoseEquivalente
HT(Sv)
ÓRGÃOSÓRGAOS
DT(Gy)
DoseAbsorvida
Grandezas Dosimétricas
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Equivalente de Dose (H)Tipo da radiação Q
Raios X, Radiação gama e elétrons
1
Prótons e partículas com uma unidade de carga e massa de repouso maior
que uma unidade de massa atômica e de energia
desconhecida
10
Nêutrons com energia desconhecida
20
Radiação alfa e demais partículas com carga
superior a uma unidade de carga
20
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Coeficientes nominais de probabilidade para efeitos estocásticos (por unidade de dose efetiva)
População exposta
Câncer fatal
Câncer não fatal
Efeito hereditário
Total
Detrimento (% por Sv)
• Adultos• População
inteira
4,0
5,0
0,8
1,0
0,8
1,3
5,6
7,3
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FIM