Interação da Radiação com a Matéria I

INTERAÇÕES DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

Professora Ariane Penna

INTERAÇÕES DAS RADIAÇÕES

COM A MATÉRIA: II PARTE




JÁ QUE SABEMOS QUE A INTERAÇÃO ENTRE A RADIAÇÃO E OS CORPOS SERÁ A RESPONSÁVEL PELA PRODUÇÃO DA IMAGEM RADIOGRÁFICA, PODEMOS NOS VOLTAR AGORA A UM ESTUDO

MAIS DETALHADO DOS TIPOS DE INTERAÇÃO.

JÁ QUE SABEMOS QUE A INTERAÇÃO ENTRE A RADIAÇÃO E OS CORPOS SERÁ A RESPONSÁVEL PELA PRODUÇÃO DA IMAGEM RADIOGRÁFICA, PODEMOS NOS VOLTAR AGORA A UM ESTUDO

MAIS DETALHADO DOS TIPOS DE INTERAÇÃO.

PRIMEIRAMENTE, OBSERVAMOS QUE AS INTERAÇÕES ENTRE AS RADIAÇÕES E A MATÉRIA DEPENDERÁ , DENTRE OUTROS FATORES, DA ENERGIA DESTE

FÓTON

PRIMEIRAMENTE, OBSERVAMOS QUE AS INTERAÇÕES ENTRE AS RADIAÇÕES E A MATÉRIA DEPENDERÁ , DENTRE OUTROS FATORES, DA ENERGIA DESTE

FÓTON

COMO EXPLICADO, A FAIXA DE RADIAÇÃO X PARA DIAGNÓSTICO

VARIARÁ ENTRE 20 A 150 KeV

COMO EXPLICADO, A FAIXA DE RADIAÇÃO X PARA DIAGNÓSTICO

VARIARÁ ENTRE 20 A 150 KeV



1) ESPALHAMENTO CLÁSSICO OU ESPALHAMENTO COERENTE


ESTE TIPO DE INTERAÇÃO FOI INICIALMENTE OBSERVADO POR J.J. THOMSON, NO FINAL DO SÉCULO XIX. POR ISSO É TAMBÉM CONHECIDA COMO “EFEITO THOMSON”.

ESTE TIPO DE INTERAÇÃO FOI INICIALMENTE OBSERVADO POR J.J. THOMSON, NO FINAL DO SÉCULO XIX. POR ISSO É TAMBÉM CONHECIDA COMO “EFEITO THOMSON”.

ESTA INTERAÇÃO OCORRE QUANDO ESTAMOS LIDANDO COM FÓTONS DE ENERGIAS MENORES QUE 10 KeV!

ESTA INTERAÇÃO OCORRE QUANDO ESTAMOS LIDANDO COM FÓTONS DE ENERGIAS MENORES QUE 10 KeV!





NESTA INTERAÇÃO, O FÓTON INCIDENTE APRESENTA UM COMPRIMENTO DE ONDA (λ) MAIOR QUE AS DIMENSÕES DO ÁTOMO DO MATERIAL ( E RELATIVAMENTE BAIXA ENERGIA).

NESTA INTERAÇÃO, O FÓTON INCIDENTE APRESENTA UM COMPRIMENTO DE ONDA (λ) MAIOR QUE AS DIMENSÕES DO ÁTOMO DO MATERIAL ( E RELATIVAMENTE BAIXA ENERGIA).

O QUÊ OCORRE?

1) O FÓTON INCIDENTE INTERAGE COM ELÉTRON MAIS EXTERNOS DO ÁTOMO, TRANSFERINDO TODA SUA ENERGIA A ESTE.





O QUÊ OCORRE?

2) O ÁTOMO TORNA-SE EXCITADO E LIBERA IMEDIATAMENTE ESTA ENERGIA ATRAVÉS DA EMISSÃO DE UM FÓTON DE MESMO COMPRIMENTO DE ONDA E ENERGIA QUE O INCIDENTE, PORÉM EM OUTRA DIREÇÃO (HÁ ESPALHAMENTO DO MESMO).





IMPORTANTE!!

PARA A RADIOLOGIA DIAGNÓSTICA, ESTE TIPO DE INTERAÇÃO NÃO TEM GRANDE IMPORTÂNCIA, UMA VEZ QUE ENVOLVE FÓTONS COMO DITO, NA MAIORIA, DE BAIXA ENERGIA, OS QUAIS SÃO PRONTAMENTE ABSORVIDOS ATRAVÉS DOS FILTROS DOS APARELHOS GERADORES DE RX (INERENTES E ADICIONAIS).

IMPORTANTE!!

PARA A RADIOLOGIA DIAGNÓSTICA, ESTE TIPO DE INTERAÇÃO NÃO TEM GRANDE IMPORTÂNCIA, UMA VEZ QUE ENVOLVE FÓTONS COMO DITO, NA MAIORIA, DE BAIXA ENERGIA, OS QUAIS SÃO PRONTAMENTE ABSORVIDOS ATRAVÉS DOS FILTROS DOS APARELHOS GERADORES DE RX (INERENTES E ADICIONAIS).



2) EFEITO FOTOELÉTRICO2) EFEITO FOTOELÉTRICO

ESTE EFEITO FOI ESTUDADO PRIMEIRAMENTE PELO CIENTISTA GERMÂNICO ALBERT EISTEIN, QUE RECEBEU O PRêMIO NOBEL POR SEU TRABALHO SOBRE A INTERAÇÃO FOTOELÉTRICA ENTRE DIVERSOS TIPOS DE ONDAS DE LUZ VISÍVEL E METAIS.

ESTE EFEITO FOI ESTUDADO PRIMEIRAMENTE PELO CIENTISTA GERMÂNICO ALBERT EISTEIN, QUE RECEBEU O PRêMIO NOBEL POR SEU TRABALHO SOBRE A INTERAÇÃO FOTOELÉTRICA ENTRE DIVERSOS TIPOS DE ONDAS DE LUZ VISÍVEL E METAIS.




SABEMOS QUE CADA ELÉTRON ENCONTRA-SE EM CAMADAS ESPECÍFICAS DE ENERGIA , LIGADOS AOS NÚCLEOS ATÔMICOS.

ESTA LIGAÇÃO PODERÁ SER MAIS FORTE OU FRACA, DEPENDENDO DO TIPO DO ELEMENTO QUÍMICO EM QUESTÃO E A DISTâNCIA DESTES ELÉTRON DO NÚCLEO, SENDO AS CAMADAS K E L AS MAIS ENERGÉTICAS.

SABEMOS QUE CADA ELÉTRON ENCONTRA-SE EM CAMADAS ESPECÍFICAS DE ENERGIA , LIGADOS AOS NÚCLEOS ATÔMICOS.

ESTA LIGAÇÃO PODERÁ SER MAIS FORTE OU FRACA, DEPENDENDO DO TIPO DO ELEMENTO QUÍMICO EM QUESTÃO E A DISTâNCIA DESTES ELÉTRON DO NÚCLEO, SENDO AS CAMADAS K E L AS MAIS ENERGÉTICAS.

K

LESTA ENERGIA É DENOMINADA

“ENERGIA DE LIGAÇÃO”

ESTA ENERGIA É DENOMINADA

“ENERGIA DE LIGAÇÃO”




PARA QUE POSSAMOS RETIRARA UM ELÉTRON DE SUA CAMADA, DEVEREMOS FORNECER UMA ENERGIA AO MESMO IGUAL OU MAIOR QUE SUA ENERGIA DE LIGAÇÃO (E Lig).

PARA QUE POSSAMOS RETIRARA UM ELÉTRON DE SUA CAMADA, DEVEREMOS FORNECER UMA ENERGIA AO MESMO IGUAL OU MAIOR QUE SUA ENERGIA DE LIGAÇÃO (E Lig).




O QUÊ OCORRE?O QUÊ OCORRE?

1) O FÓTON INCIDENTE POSSUINDO ENERGIA IGUAL OU MAIOR QUE A DE LIGAÇÃO DO ELÉTRON DAS CAMADAS K E L, INCIDE EM UM ELÉTRON DESSAS CAMADAS, TRANSFERINDO SUA ENERGIA AO MESMO.





2) PARTE DA ENERGIA DO FÓTON É USADA PARA VENCER A E Lig DESTE ELÉTRON E A RESTANTE É TRANSFERIDA AO ELÉTRON QUE ENTÃO É EJETADO COM ENERGIA CINÉTICA, E É DENOMINADO DE

FOTOELÉTRON




NOTE QUE A ENERGIA CINÉTICA DO ELÉTRON SERÁ IGUAL à DIFERENÇA DA ENERGIA DO FÓTON INCIDENTE MENOS A DE LIGAÇÃO DESTE ELÉTRON.

NOTE QUE A ENERGIA CINÉTICA DO ELÉTRON SERÁ IGUAL à DIFERENÇA DA ENERGIA DO FÓTON INCIDENTE MENOS A DE LIGAÇÃO DESTE ELÉTRON.

EC

EI E Lig

EI= E Lig + ECEI= E Lig + EC




OBSERVE QUE NESTE TIPO DE INTERAÇÃO OCORRE UMA ABSORÇÃO COMPLETA DO FÓTON, ESTE FÓTON NÃO É ESPALHADO.


APÓS A EJEÇÃO DO FOTO ELÉTRON, O ÁTOMO APRESENTARÁ UMA VACÂNCIA.




O ELÉTRON DE UMA CAMADA VIZINHA PREENCHE ESTA VACÂNCIA EMITINDO UM FÓTON NA FORMA DE RADIAÇÃO CARACTERÍSTICA (DE ACORDO COM A ENERGIA DO NÍVEL QUE ELE ESTÁ)

ESTE FÓTON É DENOMINADO DE RADIAÇÃO SECUNDÁRIA




A RADIAÇÃO SECUNDÁRIA É UMA RADIAÇÃO “INDESEJADA”, POIS: AUMENTA A DOSE DOS TECIDOS DO PACIENTE, NÃO CONTRIBUI PARA A FORMAÇÃO DA IMAGEM RADIOGRÁFICA E AINDA É CAPAZ DE ALTERAR DE FORMA INDESEJADA A IMAGEM OBTIDA, POIS AUMENTA O GRAU DE ESCURECIMENTO DA MESMA (VELAMENTO!).

RADIAÇÃO SECUNDÁRIA






ESTE FÓTON ALTERNATIVAMENTE PODERÁ TRANSFERIR SUA ENERGIA A OUTRO ELÉTRON DE UMA CAMADA MAIS EXTERNA E COM MENOR E Lig.

ESTE ELÉTRON É ENTÃO EJETADO E DENOMINADO DE ELÉTRON AUGER




ESTA INTERAÇÃO PÓS EFEITO FOTOELÉTRICO FOI

ESTUDADA PELO FÍSICO FRANCÊS PIERRE AUGER

(1899 -1993) ,

POR ISSO, O NOME DOS ELÉTRONS AUGER.

ESTA INTERAÇÃO PÓS EFEITO FOTOELÉTRICO FOI

ESTUDADA PELO FÍSICO FRANCÊS PIERRE AUGER

(1899 -1993) ,

POR ISSO, O NOME DOS ELÉTRONS AUGER.




APÓS A EJEÇÃO DE UM ELÉTRON AUGER, HAVERÁ NOVA FORMAÇÃO DE VACÂNCIA NO ÁTOMO, QUE DEVERÁ SER PREENCHIDA E DESENCADEARÁ NOVAS INTERAÇÕES.

OS EVENTOS AUGER TÊM IMPORTÂNCIA NA RADIOLOGIA, POIS SÃO RESPONSÁVEIS PELO AUMENTO DAS DOSES TECIDUAIS.



2 – EFEITO FOTOELÉTRICOCARACTERÍSTICAS

• Predomina em baixas energias.

• Também predomina em elementos de elevado número atômico Z.

• Como exemplo, para o Chumbo este efeito predomina para energias menores que 0,6 MeV (600 KeV) enquanto para o Alumínio a faixa de energia predominante é de 0,06 MeV (60 KeV).



3) EFEITO COMPTON- ESPALHAMENTO COMPTON OU ESPALHAMENTO INCOERENTE


DESCOBERTO EM 1923, POR

ARTHURCOMPTON

DESCOBERTO EM 1923, POR

ARTHURCOMPTON






1) UM FÓTON INCIDENTE, REAGE COM UM ELÉTRON MAIS EXTERNO DO ÁTOMO, EXPULSANDO-O DA ELETROSFERA E IONIZANDO ESTE ÁTOMO.






2) O FÓTON CONTINUA ENTÃO A SE PROPAGAR, PORÉM EM UMA DIREÇÃO DIFERENTE DA INCIDENTE E COM ENERGIA MENOR E COMPRIMENTO DE ONDA MAIOR QUE QUANDO INCIDIU, UMA VEZ QUE PARTE DE SUA ENERGIA FOI TRANSFERIDA AO ELÉTRON.





OBSERVE QUE NESTE CASO HOUVE UM ESPALHAMENTO E NÃO UMA ABSORÇÃO COMO NO FOTOELÉTRICO, POIS O FÓTON INCIDENTE CONTINUOU A SE PROPAGAR!





OS FÓTON ESPALHADOS PELO EFEITO COMPTON PODERÃO ADQUIRIR DIFERENTES ÂNGULOS DE TRAJETÓRIA EM RELAÇÃO À INCIDENTE. HÁ CASOS EM QUE O FÓTON ADQUIRIRÁ UM ÂNGULO NOVO DE PROPAGAÇÃO DE 180º. OU SEJA, RETORNARÁ EM DIREÇÃO à FONTE. ESTA RADIAÇÃO É CHAMADA RETROESPALHADA, QUE PODE SER PREJUDICIAL À IMAGEM...

DAÍ A EXISTÊNCIA DA GRADES ANTIDIFUSORAS EM RADIOGRAFIAS, CAPAZES DE ELIMINAR ESTAS RADIAÇÕES, QUE ATINGIRIAM O FILME.



3 – EFEITO COMPTONCARACTERÍSTICAS

• O fóton incidente sempre é espalhado.

• Predomina numa faixa de energia maior comparada à do Efeito Fotoelétrico.

• Embora o fóton, em cada interação deste tipo, seja espalhado, também é responsável pela absorção da radiação incidente se levarmos em conta que os fótons vão perdendo energia nesta interação até serem completamente absorvidos ao atravessarem o paciente.



4) PRODUÇÃO DE PARES4) PRODUÇÃO DE PARES

ESTE TIPO DE INTERAÇÃO OCORRE APENAS COM RADIAÇÕES DE ALTO NÍVEL DE ENERGIA (ACIMA DE 1,022 MeV!).

O QUE, COMO JÁ SABEMOS, ESTÁ FORA DOS NÍVEIS DE RAIOS X DIAGNÓSTICO. OCORRE APENAS NA RADIOTERAPIA E RADIOGRAFIA INDUSTRIAL.

ESTE TIPO DE INTERAÇÃO OCORRE APENAS COM RADIAÇÕES DE ALTO NÍVEL DE ENERGIA (ACIMA DE 1,022 MeV!).

O QUE, COMO JÁ SABEMOS, ESTÁ FORA DOS NÍVEIS DE RAIOS X DIAGNÓSTICO. OCORRE APENAS NA RADIOTERAPIA E RADIOGRAFIA INDUSTRIAL.





1) UM FÓTON DE ALTÍSSIMA ENERGIA E BAIXO COMPRIMENTO DE ONDA, CONSEGUE “ESCAPAR” DE INTERAGIR COM OS ELÉTRONS DA ELETROSFERA E SE APROXIMA DO NÚCLEO ATÔMICO. ONDE SOFRE ENORME INFLUÊNCIA DO CAMPO ELÉTRICO AÍ EXISTENTE.





2) ESTE FÓTON INTERAGEM COM ESTE CAMPO ELÉTRICO NUCLEAR E DESAPARECE, ORIGINANDO 02 PARTÍCULAS: UMA POSITIVA (PÓSITRON) E UMA DE CARGA NEGATIVA (ELÉTRON). DAÍ O NOME DADO A ESTA INTERAÇÃO.

+

-



5) FOTODESINTEGRAÇÃO5) FOTODESINTEGRAÇÃO

ESTA INTERAÇÃO TAMBÉM ENVOLVE FÓTONS COM ALTÍSSIMAS ENERGIA (ACIMA DE 10 MeV!!), NÃO OCORRENDO TAMBÉM NA FAIXA DE RAIOS X DIAGNÓSTICO , MAS QUE É BEM FREQÜENTE NO CASO DE RADIOTERAPIA.

ESTA INTERAÇÃO TAMBÉM ENVOLVE FÓTONS COM ALTÍSSIMAS ENERGIA (ACIMA DE 10 MeV!!), NÃO OCORRENDO TAMBÉM NA FAIXA DE RAIOS X DIAGNÓSTICO , MAS QUE É BEM FREQÜENTE NO CASO DE RADIOTERAPIA.


1) O FÓTON DE ALTÍSSIMA ENERGIA É COMPLETAMENTE ABSORVIDO PELO NÚCLEO.



5) FOTODESINTEGRAÇÃO5) FOTODESINTEGRAÇÃO


2) O NÚCLEO É ENTÃO ELEVADO A UM ALTO NÍVEL DE ENERGIA, EMITINDO, INSTANTANEAMENTE UM FRAGMENTO-

O NÚCLEON



PROBABILIDADES DE INTERAÇÕES--------------------------PROBABILIDADES DE INTERAÇÕES--------------------------

OBSERVE NESTE GRÁFICO QUE PARA BAIXOS VALORES ENERGÉTICO, HÁ PREDOMINÂNCIA DE EFEITO FOTOELÉTRICO EM QUALQUER QUE SEJA O ÁTOMO.




Á MEDIDA QUE A ENERGIA VAI CRESCENDO, A PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DO EFEITO COMPTON TAMBÉM CRESCE, ATINGINDO UM VALOR MÁXIMO EM 2 MeV, ONDE PRATICAMENTE TODAS AS INTERAÇÕES SÃO COMPTON.




ACIMA DE 5 MeV, À MEDIDA QUE A ENERGIA CRESCE E O TAMANHO DO ÁTOMO DECRESCE (MENOR Z) A PRODUÇÃO DE PARES É O FENÔMENO PREDOMINANTE.



INTERAÇÃO DAS PARTÍCULAS RADIOATIVASINTERAÇÃO DAS PARTÍCULAS RADIOATIVAS

A INTERAÇÃO DA RADIOATIVIDADE, ATRAVÉS DE PARTÍCULAS DIFERE-SE DAQUELA EXPOSTA

ANTERIORMENTE PARA OS FÓTONS.

A INTERAÇÃO DA RADIOATIVIDADE, ATRAVÉS DE PARTÍCULAS DIFERE-SE DAQUELA EXPOSTA

ANTERIORMENTE PARA OS FÓTONS.

PRIMEIRAMENTE PORQUE SÃO RADIAÇÕES DOTADAS DE MASSA, O QUÊ NÃO OCORRE NAS RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS.

PRIMEIRAMENTE PORQUE SÃO RADIAÇÕES DOTADAS DE MASSA, O QUÊ NÃO OCORRE NAS RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS.

SEGUNDO, PELO GRAU DE ENERGIA QUE ESTAS PARTÍCULAS SÃO DOTADAS. SENDO QUE OS RX DIAGNÓSTICOS POSSUEM ENERGIA BEM INFERIOR AO DAS PARTÍCULAS α E β.

SEGUNDO, PELO GRAU DE ENERGIA QUE ESTAS PARTÍCULAS SÃO DOTADAS. SENDO QUE OS RX DIAGNÓSTICOS POSSUEM ENERGIA BEM INFERIOR AO DAS PARTÍCULAS α E β.




PAPEL

LÂMINA METAL

CHUMBO

DEVEMOS TAMBÉM NOS LEMBRAR QUE APESAR DE ENERGÉTICAS, POSSUEM O PODER DE PENETRAÇÃO MENOR QUE ALGUMAS RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS, COMO A GAMA (γ).

α

γ

β




PARTÍCULAS α

++

AS PARTÍCULAS α SÃO PARTÍCULAS PRODUZIDAS EM NÚCLEOS INSTÁVEIS DOTADAS DE CARGA ELÉTRICA +2, POSSUINDO ENERGIA VARIANDO EM TORNO DE 4 A 7 MeV!

POR ESTA ALTÍSSIMA ENERGIA, POSSUEM ELEVADO PODER DE IONIZAÇÃO: SÃO CAPAZES DE IONIZAR ATÉ 40. 000 ÁTOMOS AO ATRAVESSAREM 1 cm DE AR!!




PARTÍCULAS α

++

ESTA ALTÍSSIMA IONIZAÇÃO SE DÁ PORQUE POR SUA CARGA +2 ATRAI GRANDE NÚMERO DE ELÉTRONS DO MEIO, QUE DEIXAM SEUS ÁTOMOS IONIZADOS, MAS QUE NÃO ENCONTRAM A PARTÍCULA DEVIDO A ALTA VELOCIDADE DA MESMA.

-

- -

--




PARTÍCULAS α

POR POSSUÍREM PENETRAÇÃO POUCA EM TECIDOS (CERCA DE APENAS 0,1mm PODERÃO SER BARRADAS POR UMA SIMPLES FOLHA DE PAPEL.

PORÉM, DEVIDO A SEU ALTÍSSIMO PODER DE IONIZAÇÃO, PODEM LEVAR A DANOS GRAVES NOS TECIDOS, COMO POR EXEMPLO UM ELEVADO GRAU DE CâNCER DE PELE, ATÉ MAIOR QUE O RISCO DE SER CAUSADO POR RX E GAMA!



ALÉM DISSO , ELEMENTOS RADIOATIVOS EMISSORES DE PARTÍCULAS α TAMBÉM EMITEM , POR SUA INSTABILIDADE, RADIAÇÕES GAMA E RX, DESTA FORMA, UM FOLHA DE PAPEL NOS PROTEGERIA DA α, MAS NÃO DAS OUTRA QUE A ATRAVESSARIAM FACILMENTE...


PARTÍCULAS α

PAPEL

LÂMINA METAL

CHUMBO

α

γ

β




PARTÍCULAS β

ββ

PARTÍCULAS β PODERÃO APRESENTAR CARGAS + OU - .

PODEM SER CONSIDERADAS COMO ELÉTRONS EM MOVIMENTO, DESTA FORMA ATUARÃO DA MESMA MANEIRA EM UM ÁTOMO COMO UM FEIXE DE ELÉTRON: FORMANDO RADIAÇÃO CARACTERÍSTICA E BREMSSTRAHLUNG (FRENAGEM)



RECAPITULANDO....

INTERAÇÕES DOS RX COM A MATÉRIA:

1) TRANSMISSÃO: ATRAVESSAM O MEIO SEM ALTERAÇÕES

2) ATENUAÇÃO: FÓTONS TÊM ALTERAÇÕES:

A)SÃO ABSORVIDOS(DEPOSITAM SUA ENERGIA NO MATERIAL)

B)SÃO ESPALHADOS (ALTERAM A DIREÇÃO DE PROPAGAÇÃO)



NESTA INTERAÇÃO OS SEGUINTES PROCESSOS PODERÃO OCORRER:

A)ESPALHAMENTO COERENTE

B)EFEITO FOTOELÉTRICO

C)ESPALHAMENTO COMPTON

D)FORMAÇÃO DE PARES

E) FOTODESINTEGRAÇÃO

PREDOMINAM NOS RX DIAGNÓSTICOS



BIBLIOGRAFIA1. Bases Físicas e Tecnológicas Aplicadas

aos Raios X, Renato Dimenstein e Thomaz Ghilardi Netto, Ed. SENAC. Tem na biblioteca.

2. Radiações ionizantes para médicos, físicos e leigos, Antônio Renato Biral, Ed. Insular. Tem na biblioteca.

3. Radioproteção e Dosimetria – Fundamentos, Luiz Tauhata, Ivan P. A. Salati, Renato Di Prinzio e Antonieta R. Di Prinzio, Instituto de Radioproteção e Dosimetria, IRD – CNEN. Disponível para download na internet e tem na biblioteca.

Interação da Radiação com a Matéria I

Health & Medicine

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