1. 1. Aplicaes da Fsica Nuclear com aceleradores em artes, histria da ciencia, medicina, climatologia, arqueologia etc Paulo R. S. Gomes Instituto de Fsica Universidade Federal Fluminense Quinta e Cincia- IF-UFF 21 de novembro de 2013
2. 2. Aplicaes de Fsica Nuclear ARTE e ARQUEOLOGIA Datao radioativa Anlise de feixes de ions ENERGIA Transmutao de lixo radioativo Energia eltrica MATERIAIS Implantao de ions Nanoestruturas Danos de radiao ESPACIAIS AMBIENTAL Climatologia MEDICINA Produo de radioistopos Terapia do Cncer Tomografia (PET) Aceleradores Aceleradores Pesquisa Bsica em Fsica Nuclear Detetores Tcnicas Propriedades Nucleares
3. 3. Aceleradores Tradicionais
4. 4. O acelerador Pelletron da USP
5. 5. Colliders
6. 6. Alguns dos grandes aceleradores
7. 7. Ncleos radioativos naturais Ncleos podem se transformar em outros, de forma natural, para ficarem em uma situao de menor energia. Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice versa. Estes ncleos so chamados de radioativos. Eles so formados em reaes nucleares devidas a raios csmicos (natural) ou em laboratrios (artificial).
8. 8. Raios gama Os raios gama, por terem alto poder de penetrao na matria, so de grande utilidade para o homem, ao mesmo tempo que podem ser nocivos. Ao interagir com um material eles podem danific-lo (ioniz-lo). Se for o nosso corpo, pode danificar clulas sadias e causar danos devido radioatividade. No devemos, portanto, ficar perto de ncleos ou fontes que emitem esta radiao. Aps a exploso de uma bomba atmica ou acidente em usina nuclear, muitos raios gama so emitidos.
9. 9. Raios gama podem ser benficos? Por outro lado, os raios gama so usados tambm para matar clulas doentes (cancer) e so a base da Medicina Nuclear, que salva tantas vidas. Eles servem tambm para produzir imagens bem no interior do corpo ou de materiais (muito mais que os raios X), sendo teis em medicina (tomografia, ressonncia magntica nuclear, por exemplo) e indstria (gamagrafia, por exemplo).
10. 10. Aplicaes em Medicina Tratamento de cancer Imagens para diagnsticos
11. 11. Algumas aplicaes em medicina: Tratamento de cancer Destruio de clulas cancergenas por irradiao de raios gama (radioterapia e braquiterapia) e bombardeamento, atravs de aceleradores.
12. 12. Algumas aplicaes em medicina: Diagnstico, mapeador, marcador Mapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens (tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo, verifica localizao, tamanho e forma das leses etc.
13. 13. Funes Bsicas da radioterapia -- DestruioDestruio dede clulasclulas cancergenascancergenas porpor irradiaoirradiao dede raiosraios gamagama.. -- AsAs clulasclulas aa seremserem destrudasdestrudas devemdevem receberreceber bembem maismais radiaoradiao queque asas saudveissaudveis.. aa radiaoradiao devedeve convergirconvergir nono tumor,tumor, ouou comcom vriasvrias fontesfontes ouou rodandorodando asas fontesfontes ouou pacientepaciente..
14. 14. Fontes de radiao para radioterapia -- FontesFontes radioativasradioativas muitomuito intensasintensas ((6060Co,Co, 137137Cs)Cs) (fabricadas(fabricadas emem reatoresreatores ouou ciclotronsciclotrons)) -- AceleradoresAceleradores lineareslineares dede eltronseltrons ((freiadosfreiados porpor alvoalvo pesadopesado produzemproduzem fotonsfotons muitomuito energticos)energticos) -- QuaseQuase aa metademetade dosdos aceleradoresaceleradores dodo mundomundo soso parapara usouso mdicomdico
15. 15. Aceleradores de eletrons (fonte deAceleradores de eletrons (fonte de fotons) em radioterapiafotons) em radioterapia
16. 16. Limitaes da radioterapia com fotons Aceleradores de eltrons produzem ftons. Para Ee = 8 MeV, a absoro exponencial da matria tem um mximo a 2 3 cm de profundidade de tecido soft. A cerca de 25 cm de profundidade, a dose cerca de 1/3 que no mximo. Pelo tipo de absoro de radiao eletromagntica, clulas saudveis so irradiadas. Isto limita a dose absorvida pelo tumor.
17. 17. Como aumentar a dose no tumor?Como aumentar a dose no tumor? Mltiplos feixes apontando para o alvo. O acelerador roda em torno do eixo horizontal. O mtodo mais recente o IMRT (Intensity Modulated Radio-Therapy), que usa de 6 a 10 feixes de fotons. NovoNovo avanoavano nono tratamentotratamento dede cancercancer:: hadronterapiahadronterapia (com(com protonsprotons ee carbono)carbono)
18. 18. Caractersticas da Hadronterapia Hadronterapia o ltimo avano no tratamento de cance. Aceleram-se partculas carregadas que quase no perdem energia enquanto penetram na matria e perdem boa parte de sua energia em regio bem especifica, pouco antes de parar. Esta tcnica deixa os tecidos prximos ao tumor mais saudveis, permitindo tratar o tumor com doses maiores. A profundidade onde haver a perda de energia (destruio das clulas) depende da energia do feixe. Pode-se variar a energia do feixe com o acelerador.
19. 19. Vantagem dos hadrons: perda de energiaVantagem dos hadrons: perda de energia bem localizadabem localizada
20. 20. Vantagens da hadronterapiaVantagens da hadronterapia
21. 21. Cincia para a Herana Cultural Fsica, Qumica, Cincias da Terra, Biologia e suas tecnologias associadas tornaram-se crucialmente importantes para o estudo e preservao de nosso patrimnio histrico. A comunidade de Cincias Humanas j sabe disto. Instituies cientficas j esto a par de sua importncia para esta rea. Laboratrios de Fsica Nuclear trabalham nesta rea. Museus montam e operam laboratrios de Fsica Nuclear.
22. 22. O laboratrio de AMSO laboratrio de AMS do Museu do Louvredo Museu do Louvre
23. 23. Papis da Cincia na Herana Cultural Identificao de autorias dos trabalhos, descobertas de falsificaes, diagnstico de seu estado de sade. Estudar a tecnologia do passado, fontes de matrias prima, rotas de comrcio. Conservao e restaurao. A Fsica tem atualmente um papel dominante na parte de diagnstico, principalmente devido ao carter no invasor da maioria de suas tcnicas.
24. 24. Como a Fsica Nuclear contribui para aComo a Fsica Nuclear contribui para a Cincia da Herana Cultural?Cincia da Herana Cultural? Principalmente atravs de duas formas: 1- Datao (14C-AMS). 2- Anlise de Materiais (IBA)
25. 25. Tcnicas para se analisar uma pinturaTcnicas para se analisar uma pintura A histria da pintura est abaixo de sua superfcie. Descobrir os vrios passos do processo criativo. A pintura se modifica com o tempo. Os materiais usados na pintura mudam com o passar do tempo.
26. 26. Anlise de Materiais em ArtesAnlise de Materiais em Artes PrPr--Requisitos da Metodologia empregadaRequisitos da Metodologia empregada No destrutivas, rpidas, precisas (localizadas), sensveis, multi-elemento, verstil. Tcnicas de restaurao compatveis e reversveis. IBA (Ion Beam Analysis- Anlise por feixe de ons) No destrutiva, rpida, baixos limites de deteo (traos), feixes colimados, anlise mltipla de elementos, anlise quantitativa, no deixa marcas.
27. 27. Tcnicas de IBA so teis para responder sTcnicas de IBA so teis para responder s seguintes perguntas sobre uma pintura:seguintes perguntas sobre uma pintura: De que feita? Como foi feita? Quando foi feita? Qual a inovao tcnica do artista? autntica? Como mudou ao longo do tempo? Como pode ser restaurada? Como pode ser conservada?
28. 28. Facilidade essencial no campo daFacilidade essencial no campo da arqueometriaarqueometria: Feixe externo: Feixe externo Janelas de polmeros com 10 m de espessura agentam diferena de presso e a perda de energia dos protons nas janelas mnima.
29. 29. Estrutura Fsica de uma pinturaEstrutura Fsica de uma pintura 1. Suporte mecnico (madeira, metal, vidro, tecido, papel, couro) 2. Camada de cola 3. Fundo (giz) onde se prepara o sketch, com carvo, grafite 4. Imprimitura transparente onde ser pintada 5. As camadas de pintura: pigmentos de vrios tipos (1 a 300 m) 6. Camada de verniz (proteo, decresce a reflexo) Rembrandt, Museum Fine Arts, Boston
30. 30. Alcance (poder de penetrao) deAlcance (poder de penetrao) de diferentes radiaesdiferentes radiaes Neutrons trmicos atravessam tudo e ativam pequenas parcelas do material, sensveis de serem detectados. Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram depende muito de sua energia e do tipo de material.
31. 31. PIXE (PIXE (ProtonProton InducedInduced XX--rayray EmissionEmission)) tempo de irradiao: ~ 1 minuto Pode fazer anlise em muitos pontos, rpida e sem deixar marcas.
32. 32. Anlise de pinturasAnlise de pinturas atravs da composioatravs da composio dos pigmentos.dos pigmentos. Lucas Cranach pinturapintura emem madeira,madeira, sobresobre tecidotecido Entender os segredos das tcnicas de pintura de artistas famosos. Reconstruir a histria d euma pintura especfica e identificar restauraes e falsificaes.
33. 33. O quadro (b) falsificado, pois a anlise por PIXE indica que a blusa vermelha contm Cd, que s passou a ser usado em pigmentos a partir do comeo do sculo 19.
34. 34. Madonna dei fusi Leonardo da Vinci 1501? Pintura a leo em tecido. -O verniz problema. Absorve os raios X de elementos leves (Na, Al, Si, O) -O verniz da restaurao possui alto Z. Portanto, foi preciso inicialmente analisar somente o verniz. -Para atingir as camadas mais atrs, foi preciso aumentar a energia do feixe de protons
35. 35. Com alta energia do feixe de proton no detalhe, foi possvel chegar pintura e detectar Hg, isto , uso de cinnabar como pigmento vermelho. O Pb vem do chumbo branco, e existe tanto na pintura quanto no substrato de preparao. misturado ao vermelho para produzir a cor rosa. A razo Hg / Pb decresce com a energia decrescente. Ca e Fe tem muito no verniz, mas sempre aparecem. terra vermelha. A camada de pintura tem 15-20 m.
36. 36. Isto Isto 21/03/201221/03/2012
37. 37. Um pouco de Histria da CinciaUm pouco de Histria da Cincia Anlise de documentosAnlise de documentos histriocoshistriocos por PIXEpor PIXE exex: manuscritos do: manuscritos do GalileoGalileo sobre movimentosobre movimento Estudo de queda livre: H um conjunto de 200 pginas, sem ordem cronolgica, sem numerao. Baguna total. Galileo acreditava, como todo mundo aristotlico, que a velocidade de uma partcula em queda livre crescia proporcional distncia percorrida. Galileo mudou de idia durante sua vida, e chegou expresso correta para a queda livre, em que o quadrado da velocidade proporcional distncia percorrida. Quando isto ocorreu? Foi simultneo com a postulao da conservao de energia mecnica para 2 corpos em planos inclinados? Estas 2 demonstraes esto na mesma famosa pgina 164.
38. 38. Uso de PIXE para datar documentos, atravs de anliseUso de PIXE para datar documentos, atravs de anlise quantitativa da composio de tintas antigasquantitativa da composio de tintas antigas Carta de Galileo feixe externo do acelerador de Florena Comparao das composies das tintas das notas no datadas com as de tintas de documentos datados.
39. 39. Cartas e desenhos deCartas e desenhos de GalileoGalileo
40. 40. Banco de dados: calibrao de datasBanco de dados: calibrao de datas transaes contbeistransaes contbeis
41. 41. Discriminao de vrios tipos de tintaDiscriminao de vrios tipos de tinta por PIXEpor PIXE
42. 42. Notas deNotas de GalileoGalileo pgina 128:pgina 128: velocidade proporcional distnciavelocidade proporcional distncia
43. 43. Datao da pgina 128Datao da pgina 128
44. 44. A pgina 164A pgina 164 Explica a conservao de energia mecnica em plano inclinado.Explica a conservao de energia mecnica em plano inclinado. Nas duas ltimas linhas diz que oNas duas ltimas linhas diz que o quadrado da velocidade varia com a distncia.quadrado da velocidade varia com a distncia. As duas ltimas linhas so da mesma poca do resto da pgina? As composies das tintas, por PIXE, vai dizer.
45. 45. Anlise da composio das tintas da pginaAnlise da composio das tintas da pgina 164, por PIXE164, por PIXE Os espectros das tintas das duas ltimas linhas so diferentes do resto da pgina. Concluso: Conservao de energia mecnica e movimento em queda livre no foram deduzidos na mesma poca.
46. 46. Ncleos radioativos naturais Ncleos podem se transformar em outros, de forma natural, para ficarem em uma situao de menor energia. Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice versa. Estes ncleos so chamados de radioativos. Eles so formados em reaes nucleares devidas a raios csmicos (natural) ou em laboratrios (artificial).
47. 47. Produo de istopos cosmognicos e sua difuso pela Terra
48. 48. ProduoProduo dede RadiocarbonoRadiocarbono nana estratosferaestratosfera 78%N
49. 49. CarbonoCarbono Est presente na atmosfera terrestre e em todos osEst presente na atmosfera terrestre e em todos os organismos vivosorganismos vivos encontrado na natureza na forma dos istopos: encontrado na natureza na forma dos istopos: 12C 98,9% 13C 1,1% 14C 10-12 } estveis radioativo
50. 50. O Ciclo do CarbonoO Ciclo do Carbono
51. 51. CicloCiclo dodo CarbonoCarbono ((equilbrioequilbrio do 14C)do 14C)
52. 52. Quando morre, no absorve mais 14C
53. 53. A quantidade de 14C diminui exponencialmente com o tempo A razo 14C / 12C diz a idade desde a morte.
54. 54. Dataes com 14C
55. 55. Sensibilidade da tcnica de Espectrometria de Massa com Aceleradores (AMS) Esta tcnica permite encontrar um tomo em cada 1015. Sabem o que isto? encontrar 1 tomo em milhes de bilhes de tomos. difcil imaginar, certo? Isto permite determinar idades muito antigas, de ordem de milhares de anos com 14C. Tambm permite fazer rastreamentos de nfimas quantidades de material, com aplicaes em eletrnica, petrleo etc (defeitos e impurezas em materiais) e medicina, frmacos e biologia Vou dar um exemplo de encontrar 1 parte em 102 (centenas)
56. 56. Onde est Wally? 1 parte em 102 (centenas)
57. 57. Aplicaes de 14C-AMS: Arqueologia Revolucionou a arqueologia e antropologia nas dataes de pinturas de cavernas, ossadas primitivas, stios arqueolgicos, artefatos, igrejas medievais etc. - 14C Cerca de 10.000 amostras arqueolgicas so datadas anualmente por AMS. Algumas so famosas!
58. 58. Datao do Manto Sagrado (Turin Shroud) 33 famososfamosos laboratrioslaboratrios dede AMSAMS dataramdataram vriosvrios pequenospequenos pedaospedaos dodo MantoManto.. ResultadoResultado:: OO MantoManto SagradoSagrado umauma belabela pinturapintura criadacriada emem 13551355 prapra umauma novanova IgrejaIgreja necessitandonecessitando relquiasrelquias atraentesatraentes..
59. 59. LaboratriosLaboratrios nono mundomundo parapara datardatar porpor 14C14C usandousando aceleradoracelerador
60. 60. 2 824 10
61. 61. UFF!!!!UFF!!!! NiteriNiteri!!!! Brazil!!!!!!!! Brazil!!!!
62. 62. LaboratrioLaboratrio da UFFda UFF
63. 63. Ocupao do litoral sudeste do Brasil pelos construtores de sambaquis (Museu Nacional UFRJ) OO litorallitoral sudestesudeste brasileirobrasileiro foifoi ocupadoocupado porpor gruposgrupos vindosvindos dodo interiorinterior hh cercacerca dede 60006000 (ou(ou 80008000 ?)?) anosanos atrsatrs.. EstasEstas populaespopulaes sese assentaramassentaram pertoperto dede lagoaslagoas ee baias,baias, desdedesde oo RioRio GrandeGrande dodo SulSul atat aa BahiaBahia.. EstaEsta regio,regio, ondeonde montanhasmontanhas ee marmar sese encontram,encontram, possuempossuem muitosmuitos rios,rios, mangues,mangues, ilhasilhas ee regiesregies alagadas,alagadas, muitomuito ricasricas emem nutrientes,nutrientes, incluindoincluindo frutosfrutos dodo mar,mar, moluscosmoluscos ee peixespeixes.. Era,Era, portantoportanto umauma regioregio idealideal parapara oo assentamentoassentamento dede populapopulaeses queque nono conheciamconheciam agriculturaagricultura..
64. 64. DentreDentre seusseus alimentos,alimentos, moluscomolusco eraera oo principalprincipal.. ElesEles construconstruramram suassuas casascasas ee aldeiasaldeias empilhandoempilhando conchasconchas ee ossosossos dede animaisanimais.. EstesEstes morrosmorros foramforam denominadosdenominados sambaquis,sambaquis, queque nana llnguangua tupitupi significasignifica tambatamba == sambasamba == conchaconcha ++ kiki == empilharempilhar.. NosNos sambaquissambaquis foramforam encontradosencontrados armas,armas, ferramentas,ferramentas, enfeites,enfeites, restosrestos dede comida,comida, cinzas,cinzas, sepulturas,sepulturas, restosrestos dede casacasa etcetc.. EstaEsta civilizaocivilizao sambaquisambaqui atingiuatingiu umum graugrau dede complexidadecomplexidade socialsocial incomumincomum entreentre caadorescaadores ee coletorescoletores..
65. 65. Locais de assentamento OsOs principaisprincipais locaislocais dede assentamentoassentamento erameram ondeonde existiamexistiam maismais alimentos,alimentos, principalmenteprincipalmente moluscosmoluscos.. AA regioregio ondeonde hh maiormaior concentraoconcentrao dede sambaquissambaquis ee ondeonde eleseles soso maioresmaiores SantaSanta CatarinaCatarina.. AlgunsAlguns sambaquissambaquis chegamchegam aa atingiratingir cercacerca dede 3030 metrosmetros dede alturaaltura..
66. 66. Distribuio de sambaquis no litoral brasileiro
67. 67. Um Sambaqui de Santa Catarina
68. 68. Colapso da civilizao sambaqui AA civilizaocivilizao sambaquisambaqui duroudurou milharesmilhares dede anos,anos, ee desapareceudesapareceu nono comeocomeo dada eraera cristcrist.. NestaNesta poca,poca, horticultoreshorticultores dodo interiorinterior chegaramchegaram aoao litorallitoral.. ComoComo erameram economicamenteeconomicamente maismais poderosos,poderosos, poispois produziamproduziam aa prpriaprpria comida,comida, erameram tecnologicamentetecnologicamente maismais avanadosavanados ee erameram emem maiormaior nmero,nmero, eleseles absorveramabsorveram ouou extinguiramextinguiram osos construtoresconstrutores dede sambaquissambaquis..
69. 69. A datao de sambaquis por 14C ExistemExistem cercacerca dede 300300 dataesdataes dede samabaquissamabaquis nono Brasil,Brasil, quasequase todastodas entreentre 65006500 ee 10001000 anosanos atrsatrs.. 22 dataesdataes davamdavam cercacerca dede 80008000 anos,anos, umauma delasdelas dede CamboinhasCamboinhas,, masmas estasestas datasdatas nono erameram aceitasaceitas pelospelos arquelogosarquelogos..
70. 70. Datao do Sambaqui da Ilha do Algodo, em Angra dos Reis (Museu Nacional UFRJ) ForamForam datadasdatadas conchasconchas dada parteparte inferiorinferior dodo sambaquisambaqui.. AA parteparte superiorsuperior jj haviahavia sidosido datada,datada, ee aa idadeidade eraera dede cercacerca dede 30003000 anosanos.. OO resultadoresultado deudeu umauma idadeidade dede cercacerca dede 80008000 anos,anos, oo queque correspondecorresponde aa cercacerca dede 20002000 anosanos aa maismais queque oo queque eraera aceitoaceito comocomo incioincio dodo assentamentoassentamento dodo litorallitoral brasileirobrasileiro..
71. 71. Depois deste trabalho, passou a ser aceito que a ocupao do litoral brasileiro se deu h 8.000 anos atravs do Rio de Janeiro-So Paulo. Depois disto, h cerca de 6000 anos a civilizao sambaqui atingiu seu apogeu em Santa Catarina. Concluses do trabalho
72. 72. Datao de Incndios na Floresta Amaznica (Geoqumica-UFF) 14C AMS na investigao de deposio de mercrio em partes remotas da Floresta Amaznica Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro dos Seis LagosLocal do estudo: Lagoa da Pata, no Morro dos Seis Lagos Parque do Pico da NeblinaParque do Pico da Neblina
73. 73. Resultados Informaes sobre clima, temperaturas, perodos secos ou chuvas fortes intermitentes, nvel do lago, incndios, origem da matria orgnica, mudana na vegetao etc
74. 74. Uso de 14C-AMS no estudo da influncia da ressurgncia costeira de Arraial do Cabo na produo biolgica local (Biologia Marinha-UFF) 10 m depth (TW) 70 m depth (SACW) Arraial do Cabo
75. 75. Objetivo InvestigarInvestigar aa validadevalidade dodo usouso dodo 1414CC ((DD1414C)C) parapara traartraar aa contribuiocontribuio dada ressurgnciaressurgncia costeiracosteira dede ArraialArraial dodo CaboCabo nana produoproduo biolgicabiolgica locallocal.. Monitor escolhidoMonitor escolhido AlgaAlga UlvaUlva sp.sp.
76. 76. Relevncia do Estudo EstamosEstamos tratandotratando dede relevantesrelevantes questesquestes econmicaseconmicas ee ecolgicas,ecolgicas, taistais comocomo oo papelpapel dada ressurgnciaressurgncia comocomo fontefonte dada produoproduo biolgicabiolgica locallocal ee determinaodeterminao dada dependnciadependncia dede espciesespcies dede peixespeixes dede interesseinteresse econmicoeconmico comcom estaesta fontefonte dede materialmaterial alctonealctone.. A ressurgncia de Arraial do Cabo fortemente dependente de condies climticas, inclusive fenmenos como o El Nio. A regio uma das maiores produtoras de peixes do Brasil.
77. 77. com o 14C foi possvel identificar diferenas entre a ACAS e a AT as anlises validaram o uso do 14C como traador e um bom indicador da Produo Biolgica na Ressurgncia Costeira de Arraial do Cabo