F 107 – Física para Biologia – 1º Semestre de 2010 – Prof.Dr. Edmilson JT Manganote

Aula 1 – Conceitos Básicos

sobre Radiação

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Introdução

• O que vamos discutir?

– Tipos e características das radiações

– Teoria dos quanta

– Dualidade onda-partícula

– Microscópio eletrônico

A radiação é a propagação de energia sob várias formas, sendo dividida

geralmente em dois grupos: Radiação Corpuscular e Radiação

Eletromagnética

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RADIAÇÃO CORPUSCULAR

2

2

1mvK

É constituída de um feixe de partículas elementares, ou núcleos atômicos,

tais como: elétrons, prótons, neutrons, deuterons, partículas alfa, etc.

Energia Cinética

v << c

RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

São constituídas de campos elétricos e magnéticos oscilantes e se

propagam com velocidade constante c no vácuo. Exemplos: Ondas de rádio,

luz visível, raios infravermelhos, raios ultra-violetas, raios X, raios gama, etc.

fλ: comprimento de onda

f: frequência

v: velocidade da onda

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Teoria dos Quanta

• Max Planck (1901)

• Albert Einstein (1905)

A radiação eletromagnética é emitida e se propaga

descontinuamente em pequenos pulsos de energia,

chamados pacotes de energia, quanta ou fótons.

(Caráter Corpuscular)

O que são Fótons? Sem carga e Massa de Repouso nula

hfE

h é a constante de Planck e vale

sj341063,6

Todos os fótons, numa dada

freqüência, possuem a mesma energia

hcE

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Dualidade Onda-Partícula

• Louis de Broglie (1924)

A matéria possui características ondulatórias

e corpusculares...

hmv

λ é o comprimento de onda de de Broglie

eVMeV

JeV

6

19

101

106,11Unidade de Energia

eletron-volt

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Aplicação – Microscopia

O microscópio eletrônico supera essa dificuldade,

pois os comprimentos de onda associados aos

elétrons são muito menores que o da luz visível

A capacidade de resolução dos microscópios ópticos é limitada pelos

efeitos da difração da luz (visível 0,4 a 0,7μm)

Microscópio de Hooke,

de uma gravura de seu livro “Micrographia”

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Microscópio EletrônicoO funcionamento do microscópio

eletrônico se baseia nas propriedades

ondulatórias do elétron !!

São possíveis aumento de 350.000 vezes !!

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Cápsulas de musgo seco liberam seus esporos. Os musgos estão entre os mais

antigos vegetais do planeta. Essa imagem é a maior já tirada com ajuda de um

microscópio eletrônico. O original mede 1,5 por 2,5 metros. (© Martin Oeggerli)

Cápsulas de musgo (escala 16:1)

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Bactérias intestinais E. coli (escala 57'800:1)

As bactérias Escherichia Coli medem cerca de um milésimo de milímetro. Pela facilidade

de cultura, elas são utilizadas freqüentemente na pesquisa científica. (© Martin Oeggerli)

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Superfície de uma pteridófita aquática (escala 130:1)

O tamanho dos folíolos das pteridófitas aquáticas não ultrapassa meio centímetro. Sua

superfície é coberta de uma grande quantidade de asperidades que expelem a água e

deixam a planta insubmergível. (© Martin Oeggerli)

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Tipos de Radiação

• Radiação Alfa

– São núcleos de átomos de Hélio (2p + 2n)

– Perdem 33eV por ionização

– A distância que uma partícula percorre até

parar é chamada alcance. Aumentando-se a

energia, aumenta-se o alcance.

– O alcance diminui se a densidade do meio

aumentar

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Como são produzidas as partículas Alfa?

A desintegração Alfa segue o modelo:

Exemplo:

A energia das partículas Alfa tem um caráter discreto, ou seja valores

próprios para cada decaimento. Por exemplo:

Neste caso 77% das partículas são emitidas com 4,2 MeV, 23% com 4,15 MeV

e 0,23% com 4,04 MeV.

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• Radiação Beta

– São elétrons (e-) e pósitrons (e+), que são

muito mais penetrantes que as partículas alfa

– A radiação beta, ao passar por um meio

material, também perde energia ionizando os

átomos que encontra no caminho. Para

blindar a radiação beta pode-se usar plástico

ou alumínio.

Tipos de Radiação

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Como são produzidas as partículas Beta?

A desintegração Beta segue o modelo:

Exemplo:

Alguns radioisótopos de interesse biológico são:

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Energia (MeV) Alcance (cm)

Partículas alfa Ar Tecido Humano Alumínio

1,0 0,55 21033,0

31032,0

2,0 1,04 21063,0

31061,0

3,0 1,67 21000,1

31098,0

4,0 2,58 21055,1

31050,0

5,0 3,50 21010,2

31006,2

Partículas beta Ar Tecido Humano Alumínio

0,01 0,23 31027,0

0,1 12,0 21051,1

3103,4

0,5 150,0 0,18 2109,5 x

1,0 420,0 0,50 0,15

2,0 840,0 1,00 0,34

3,0 1260,0 1,50 0,56

Tabela 1: Alcance das partículas alfa e beta no ar, no tecido humano

e no Alumínio (OKUNO, E. 1982)

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• Neutrons

– São partículas sem carga e não produzem ionização

diretamente, mas o fazem indiretamente, transferindo

energia para outras partículas carregadas que, por

sua vez, podem produzir ionização

– Os neutrons percorrem grandes distâncias através da

matéria, antes de interagir com um núcleo dos

átomos que compõe o meio

– São muito penetrantes, podem ser blindados com

materiais ricos em hidrogênio como parafina ou água

Tipos de Radiação

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• Radiação Gama– São ondas eletromagnéticas extremamente

penetrantes, produzidas por elementos radioativos ou em processos subatômicos como a produção de pares. Por causa de sua alta energia são muito mais penetrantes do que as partículas Alfa ou Beta.

– Interagem com a matéria pelo efeito fotoelétrico, pelo efeito Compton ou pela produção de pares (e o que acontece?)

– Pode perder toda ou quase toda energia em uma única interação. Tudo o que se pode prever é a distância em que ela tem 50% de chance de interagir. Essa distância se chama semi-redutora.

Tipos de Radiação

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Efeito Fotoelétrico

Espalhamento Compton

Produção e Aniquilação

de Pares

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• Raios X

– São ondas eletromagnéticas, exatamente

como os raios gama, diferindo apenas quanto

à origem. Os gamas se originam dentro do

núcleo atômico, enquanto que os Raios X têm

origem fora do núcleo, na desexcitação dos

elétrons

Tipos de Radiação

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Energia (MeV) Camada Semi-redutora (cm)

Raios X ou gama Tecido humano Chumbo

0,01 0,13 4105,4

0,05 3,24 2108,0

0,1 4,15 2101,1

0,5 7,23 0,38

1,0 9,91 0,86

5,0 23,1 1,44

Tabela 2: Camadas semi-redutoras no tecido humano e

no chumbo para os raios X e gama (OKUNO, E. 1982).

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