FCM0412 Física B para Engenharia Ambiental · Era utilizado um sal de rádio. O decaimento...

FCM0412 Física B para Engenharia Ambiental

Radioatividade

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Os rádioisótopos são isótopos instáveis dos elementos. Eles apresentam

emissão espontânea de radiação, tanto de tipo corpuscular como de tipo

eletromagnético.

A radiação corpuscular é constituída de um feixe de partículas (elétrons, prótons,

nêutrons, partículas alfa).

As ondas eletromagnéticas são constituídas de campos elétricos e magnéticos

oscilantes que se propagam com a velocidade da luz (ondas de rádio, ondas

luminosas (luz), raios infravermelhos, ultravioleta, microondas, raios X, e raios

gama)

Rádioisótopos

Serway, Physics (4th edition, Saunders,1996)

Tipos de radiação

Radiação alfa ou partículas αααα: são núcleos de átomos de Hélio, constituídos de 2

prótons e dois nêutrons (carga: +2e, massa 6.64×10-27 kg) . As partículas alfa são

produzidas nos decaimentos de elementos pesados e seu alcance é pequeno. Uma

folha de alumínio fina consegue barrar um feixe de partículas α de 5 MeV de energia.

Entretanto, a ingestão de uma fonte emissora de partículas α por uma pessoa poderá

causar-lhe danos profundos.

Radiação beta ou partículas ββββ: são elétrons (e-) e positrons (e+), que são muito

mais penetrantes que as partículas α. A massa do elétron é 9.1×10-31 kg. A radiação

β, ao passar por um meio material, também perde energia ionizando os átomos que

encontra no caminho.

Tipos de radiação

Nêutrons (n) são partículas sem carga que produzem ionização de forma indireta

transferindo energia para outras partículas carregadas. A massa do nêutron é de

1.675×10-27 kg. Eles percorrem grandes distâncias através da matéria e são muito

penetrantes.

Radiação gama ou raios γγγγ: são ondas eletromagnéticas (fótons) extremadamente

penetrantes, que interagem com a matéria através de vários processos físicos,

emitindo - ou pares (e- - e+) que, por sua vez, ionizam a matéria. Para blindagem

desta radiação usa-se chumbo, concreto e aço.

Raios – X : são também ondas eletromagnéticas, mais de menor energia que a

radiação γ.

Espectro eletromagnético

Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física (LTC, 2009)

Ferraro, Penteado, Soares, Torres, Física (Ed. Moderna 2005)

Radiação Natural

Cerca de 30% a 40% da radiação natural a qual todos nós estamos expostos se

deve a raios cósmicos (provenientes do espaço). Uma quantidade significativa de

radiação vem do solo e dos materiais de construção .

A radiação de fundo pode variar de local para local. Seu valor médio em locais

habitados é de 1.25 milisievert no ano (1.24 mSv/ano).

O valor médio na Cidade Universitária da USP em São Paulo é de 1.4 mSv/ano.

Em Guarapari (ES) é de ≈ 3.5 mSv/ano, devido a presença de areias monazíticas.

Outros locais onde esta radiação de fundo é mais elevada são os locais próximos a

minas de tório e urânio (Poços de Caldas, MG)

Exposição a radiação ionizante

Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times (7th ed. 1995)

Dose equivalente de radiação média anual para um residente dos EUA, em mSv

Bauer, Westfall e DiasFísica para Universitários

(AMGH editora, 2013)

A soma de todas as contribuições é de aproximadamente 3.6 mSv.

As pessoas que trabalham com fontes radioativas, tais como aparelhos de raios X

ou reatores nucleares, são estritamente monitoradas quanto a exposição a radiação. Sua dose equivalente anual máxima não pode exceder 50 mSv

Unidades de radiação

Atividade da fonte :

1 Curie (Ci) = 3.7×1010 desintegrações/seg

ou 3.7×1010 Bq (becquerel)

Exposição : 1 roentgen (R) = 2.58×10-4 C/kg

Dose absorvida (D) corresponde a energia absorvida da radiação pelo

absorvedor

1 rad = 100 erg/g = 0.01 J/kg (em tecido)

A partir de 1975 a International Commision on Radiological Protection, ICRU,

adotou o gray (Gy) para a dose absorvida, 1 Gy = 1 J/kg

Halliday, Resnick, Walker, Fundamentals of Physics (4td edition, 1993)

Atividade da fonte , exposição e dose absorvida

Unidades de radiação

Dose equivalente : é definida como o produto da dose (D) pelo fator

biológico (RBE). Até 1975 a unidade de dose equivalente era o rem. Após

essa data adotou-se o sievert : 1 Sv = 1 gray × RBE

Para fótons (raios X ou γ) e para elétrons, RBE = 1, portanto 1 Gy = 1 Sv.

Para radiação incidente de raios X ou γ a dose absorvida pelo tecido é

praticamente igual a exposição. (1 Sv = 100 rem)

Limites máximos permissíveis.

A ICRP fixou em 5 mSv o limite anual de dose equivalente para o público

em geral. Nessa dose não está incluída a exposição, a radiação natural

nem a de exposições médicas.

Cutnell & Johnson Physics (3rd edition)

Dose equivalente de radiação : produto da dose (D) pelo fator biológico (RBE)


Decaimento radioativo

A vida média T1/2 de um decaimento radioativo é o

tempo no qual se desintegram metade dos núcleos

radioativos. O número N de núcleos radioativos

presentes num tempo t é:

teNN λ−= 0

λλ693.02ln

21 ==T

onde N0 é o número de núcleos em t = 0

A vida média está relacionada a constante de

decaimento λ:


Decaimento radioativo


Contaminação por radônio

O Radônio 222Rn é um gás radioativo produzido

pelo decaimento α do 226Ra. Existe grande

preocupação com este gás porque ele fica preso

nos ambientes fechados. Este gás penetra nas

residências através das ranhuras do solo e das

paredes e também através da água. Ele é um

gás inerte , sem cor nem cheiro, mas

radioativo. O radônio é liberado pelas rochas

no solo, em particular pelo granito e minerais

(fosfatos). Ele está presente em diversos

ambientes, como cavernas, minas

subterrâneas, materiais de construção etc.

Radônio

No ar livre o gás se dissipa e não causa problemas, mais em ambientes

fechados ele se concentra. Isso é observado em edifícios de pouca ventilação,

entre os quais residências, centros de convenções e de centros compras.

Quando inalado, os radioisótopos resultantes do decaimento alfa do Rn-222,

como o polonio-218, o chumbo-214 e o bismuto-214, se depositam nos

pulmões onde decaem radioativamente causando danos nos tecidos. Estima-

se que o radônio afeta 8 milhões de residências nos EUA e pode ser

responsável por cerca de 20 mil mortes de câncer no pulmão por ano.

Exposição ao Radônio nos EUA

W.R. Stine, Applied Chemistry (3rd ed. 1994)

Radônio na baixada Santista

Luis Paulo Geraldo e col., Radiol. Bras. 38 (4) 283 (2005)

Valor médio encontrado nas residências da baixada Santista: 124±37 Bq/m3


Detetores

de radiação

O detetor Geiger consiste num cilindro de metal cheio

de gás, com um fio condutor a 3000 V dentro dele.

Quando as partículas α ou β, ou a radiação γ entram

no cilindro, elas ionizam as moléculas do gás gerando

um pulso de corrente que pode ser registrado

Aplicações da radiação na agricultura

Okuno & Yoshimura, Física das Radiações (Oficina de Textos, 2010)

Aplicações da radiação na agricultura


Exemplo da variação de uma população de

micro-organismos com a dose de radiação

gamma a que são submetidos. Os micro-

organismos que se almeja exterminar são

bactérias e fungos. Da curva obtem-se, por

exemplo, a dose letal a 90% da população

do germe, que é a dose necessária para

reduzir a população a 10% do valor inicial.

Doses típicas: 25 kGy

Exposição a radiação ionizante

Halliday, Resnick e Krane, Física 4 (4ª edição, LTC, 1996)

Os pilotos de aviões comerciais passam, em média, 20 h por semana voando a 12.000 metros. Nessa altitude, a dose equivalente devido a radiação cósmica e a radiação solar atinge 12 µSv/h. Calcule a dose anual em rem.

Outro radioisótopo importante é o estrôncio-

90, um resíduo nas explosões nucleares,

cujo decaimento β tem vida média de 29

anos. Uma vez na atmosfera, ele é

espalhado pelos ventos e depositado no

chão pelas chuvas. Ingerido pelas vacas, o

Sr-90 fica concentrado no leite devido a sua

semelhança com o cálcio, e acaba nos ossos

de quem beber o leite.

O decaimento dos elétrons de alta energia provoca danos na medula óssea

afetando a produção de glóbulos vermelhos.

Contaminação por estrôncio-90

Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times (7th ed. 1995)

Moças que pintavam ponteiros e números de relógios, numa fábrica em NewJersey, EUA. Ao lado, o relógio, o vidro do relógio queimado pela rediação e o filme de raio-X após a colocação sobre o relógio, mostrando a região de incidência da radiação. Era utilizado um sal de rádio. O decaimento radioativo do 226Ra permite ver o brilho na escuridão.

Okuno & Yoshimura, Física das Radiações (Oficina de Textos, 2010)Serway, Physics for Scientists and Engineers (4th ed. 1996)

Ebbing, General Chemistry (4th edition, 1993) e Hecht, Physics (1994)

Aplicações da radiação nuclear na medicina

Diagnóstico de doenças no coração utilizando o

radioisótopo Tálio-201. No decaimento este isótopo

emite raios-X e raios γ que podem ser utilizadas

para obter imagens tomográficas e acompanhar o

fluxo do 201Ta no músculo cardíaco e nas arterias.

Imagens dos ossos realizadas num paciente 3

horas depois de recever uma dose de 25 mCi

do radioisótopo Tecnesio-99. Os raios γemitidos são coletados por um scintillation

detector. A vida média da emissão γ do 99Tc é

de 6 horas.

Ebbing, General Chemistry (4th edition, 1993)

Aplicações da radiação nuclear na medicina

Positron emission tomography (PET)

Esta técnica permite produzir uma imagem

tomográfica bi-dimensional utilizando uma série de

scintillation detectors colocados alredor do paciente.

A imagem mostra a distribuição de um isótopo

emissor de positrons (e+) presente num composto

que é administrado ao paciente. O exame é

importante para o diagnóstico de doenças no

coração. Os isótopos utilizados para PET Scans são

carbono-11, nitrogênio-13, oxigênio-15 e fluor-18,

todos de vida média curta (20 min a 120 minutos).

Serway, Physics (4th edition, Saunders,1996)

Examen do sistema

circulatório : uma solução salina

contendo 24Na (T1/2 = 15 h) é

injetada no paciente. Esta

técnica permite medir o tempo

em que o radioisótopo chega as

diferentes partes do corpo.

Examen da tiroide : o iôdo é um nutriente necessário para o metabolismo humano.

A tiroides tem a função de distribuir o iôdo através do corpo. Para avaliar o

desempenho da tiroides, o paciente ingere uma solução contendo iodeto de sódio

radioativo (isótopo 131I, T1/2 = 8 dias). A quantidade de iôdo absobido pela tiroide

pode ser determinada pela intensidade da radiação na região do pescoço.

Radiação no tratamento de câncer

Bauer, Westfall e Dias, Física para Universitários (AMGH editora, 2013)

O tratamento é baseado em raios γ. O isótopo 60Co sofre decaimento βtransformando-se em um estado excitado do 60Ni, que decai para o estado

fundamental emitindo dois raios γ de alta energia. O 60Co fica contido atrás de uma blindagem espessa. Os feixes de radiação são focalizados no paciente onde se

localiza o tumor que precisa ser destruído, tentando evitar irradiar os tecidos sadios.

Diagnóstico médico

Bauer, Westfall e Dias, Física para Universitários (AMGH editora, 2013)

O tecnécio (Z = 43) não possui isótopos estáveis. A figura mostra os níveis de energia

mais baixos do isótopo 99Tc43. O estado com momento angular j = ½ decai no estado com j = 7/2 via emissão de um fóton com energia de 2.17 keV. Isso é seguido por um

decaimento rápido para o estado fundamental por meio da emissão de um fóton de

140.5 keV, que facilmente penetra em tecido biológico. No exame, o 99Tc é injetado no paciente e após um tempo pode-se obter uma imagem por meio de uma câmara de

raios γ. Certos tipos de câncer resultam numa concentração maior de 99Tc no tumor.

Aplicações da radiação na medicina


Aplicação na Arqueologia:

Datação radioativa

Fragmento dos manuscritos do mar Morto e

as cavernas onde foram encontrados.

A idade destes manuscritos foi determinada

a partir da análise de uma amostra do tecido

usado para selar um dos vasos em que os

manuscritos foram encontrados

Halliday, Resnick e WalkerFundamentos de Física, Vol. 4

Cutnell & Johnson, Physics (2nd and 3rd edition); Serway, Physics (4th edition)


Restos de um ser humano da Idade da Pedra

encontrados nos Alpes italianos em setembro1991. A

atividade do 14C medida no material foi de 0.121 Bq

por grama de carbono. A atividade de 1 gr de carbono

num organismo vivo é 0.23 Bq. Como a vida média do

radioisótopo 14C é T1/2 = 5730 anos, então A idade da

amostra é de 5300 anos .

Restos encontrados num sítio arqueologico em Belize, de uma tomba Maya

Ebbing, General Chemistry


Uma peça de carvão de uma árvore

destruida por uma erupção volcánica

que formou uma cratera em Oregon,

EUA (a Crater Lake) apresentou uma

atividade de 7 desintegrações de 14C

por minuto e por grama de carbono

total. A atividade de 1 gr de carbono

numa arvore atual é de 15.3

desintegrações por minuto. Determine

a data da erupção volcánica.

Resposta: t = 6500 anos .

Aplicação: análise por ativação de nêutrons

Pinturas ocultas por outras pinturas são analisadas bombardeando o quadro com

neutrons e observando as partículas emitidas pelos núcleos que campturam um

nêutron. (a) Quadro de Van Dyck , Saint Rosalie interceding for the plage-

stricken of Palermo (quadro pintado em 1624)

Hecht, Physics (1994); Tipler & Llewellyn, Física Moderna (LTC, 2001)

(b) imagem feita algumas horas após

a irradiação com neutrons revelando

a presença de manganese,

encontrado no pigmento umbro

usado na pintura. A região clara

indica onde foi feita uma restauração

com tintas modernas, que não

contém manganese.

(c) Imagem feita 4 dias mais tarde

mostrando as emissões do fósforo

encontrado no carvão (esboço do

artista de cabeça para baixo)

Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, Problema 42-74

Quando a II Guerra Mundial terminou as

autoridades holandesas prenderam o artista van Meegeren, acusando-o de ter vendido um

quadro valioso de Veermer (1632 – 1675) a um

criminoso nazista. Depois de ser detido o artista declarou que o quadro era falso. Ele imitou o

estilo de Veermer usando telas de 300 anos de

idade e pigmentos da época. Ele foi condenado a um ano de prissão por fraude.

Vermeer verdadeiro ou falso?

Alguns especialistas, porém, continuaram a sustentar que os Vermeer eram

autênticos. Em 1968 Bernard Keisch chegou a uma resposta definitiva usando uma

amostra de pigmento à base de chumbo removido do quadro Supper at Emmaus e acompanhando a série de decaimentos:230Th → 226Ra →(1600 anos) → 210Pb → (22.3 anos) → 206Pb

Da razão entre as atividades dos núclídeos R226/R210 Keisch concluiú que o pigmento não podia ter 300 anos.

Emico Okuno

Elisabeth Yoshimura

Física das Radiações

(Oficina de Textos, 2010)

Radiação

Raios-X

Radioisótopos

Desintegração nuclear

Tipos de decaimentos

Interação da radiação com a matéria

Efeitos biológicos das radiações

Detetores de radiação

Aplicações da radiação ionizante

Proteção radiológica

Referências bibliográficas

Física para Ciências Biológicas e Biomédicas, Okuno, Caldas e Chow (1986)

Physics with health science applications, P. Urone (Wiley, 1986)

Chemistry for changing times, J.W. Hill & D.K. Kolb (7th ed. Prentice Hall 1995)

Applied Chemistry, W.R. Stime, 3rd edition. Chapter 10

Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8a edição, LTC 2009)

Tipler & Llewellyn, Física Moderna (LTC, 2001)

Física, D. Halliday + R. Resnick + K.S. Krane. 4a edição (LTC, RJ 1996) Cap. 54

Essential of Modern Physics. T.R. Sandim Chapters 28 – 33

Physics, J.D. Cutnell & K.W. Johnson, (Wiley 1995)

Física das Radiações, Okuno & Yoshimura (Oficina de Textos, 2010)

Referências

- “Indoor radon and radon daughters survey at Campinas, Brazil using CR-39: first

results”. S. Guedes e col. Radiation Measurements 31 (1999) 287

-“Indoor radon measurements and methologies in Latin American” A. Canoba . Rad.

Measur. 34 (2001) 483

-“Radon dynamics and reduction in an underground mine in Brazil. Implications for

worker’s exposure” H.E. Silva e col. Radiation Protection Dosimetry 98 (2) 235 (2002)

- “Estudo da emanação de radônio em amostras de concreto com composições

diferentes” Aline K. M. J. Burke. Tese Unicamp (2002) Orientador Prof. V A Paulon

-“Medida da contaminacao radioativa do ar ambiental por radonio-222 e filhos em

residencias de Campinas-SP, Brasil”. Rodrigo S. Neman, Mestrado IFGW – Unicamp.

-”Medida do coeficiente de difusao do radonio-222 atraves de tintas usadas na

construcao civi”l. Ana Paula de Oliveira Villalobos. Mestrado IFGW Unicamp, 1991

-“Desenvolvimento dos métodos de medida do radônio em ambientes fechados”. Lucia

T. Yaginuma, Dissertação de Mestrado, FFCLRP – USP, Riberão Preto, 1993

L.P. Geraldo, Medida dos níveis de Radônio em diferentes tipos de ambientes internos

na região da baixada santista. Radiol. Bras. 38 (4) 283 (2005)

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