FUNDAÇÃO LUSÍADA UNILUS CURSO DE TECNOLOGIA EM RADIOLOGIA ANDRÉ LUIZ SILVA DE JESUS SÍNTESE DA MATÉRIA DE FÍSICA APLICADA DO 1º SEMESTRE

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1 FUNDAÇÃO LUSÍADA UNILUS CURSO DE TECNOLOGIA EM RADIOLOGIA ANDRÉ LUIZ SILVA DE JESUS SÍNTESE DA MATÉRIA DE FÍSICA APLICADA DO 1º SEMESTRE SANTOS 2012

2 Matéria, Energias e Interações Para a produção dos raios x e da imagem radiográfica são necessárias várias etapas. E para a compreensão delas é preciso ter o conhecimento básico sobre a matéria, energias e interações. Matéria É tudo aquilo que possui forma, dimensão e ocupa lugar no espaço, cuja sua menor parte é o átomo, que por sua vez é dividido em núcleo e eletrosfera. No núcleo temos dois tipos de partículas, fortemente ligadas, os prótons, com carga elétrica positiva (p + ) e os nêutrons (n 0 ), que como o nome já diz, é neutro, não possuindo carga, apenas massa. Na eletrosfera estão presentes os elétrons, que possuem carga negativa (e - ) e orbitam o núcleo em 7 camadas Figura 1 - Representação do átomo denominadas, da mais próxima para a mais afastada pelas as letras k, l, m, n, o, p e q e cada camada suportando um número específico de e -. Na natureza tudo tende a ser estável, e com o átomo não é diferente. Para isso, ele precisa ter sempre o mesmo número de p + e e -. Energias Energia (E) é a capacidade de realizar trabalho. Ela está presente na Física Radiológica de diversas formas descritas abaixo: Energia cinética (Ec): energia de movimento; Energia térmica (Et): radiação infravermelha (R-Iv)/ calor; Energia de ligação (El): energia que a camada exerce sobre o e - para que ele fique onde está. Ela é mais forte na camada mais próxima do núcleo e diminui quando se afasta dele; Energia potencial elétrica (Epe): energia que através de um campo elétrico oferece ainda mais Ec para o e - que estiver nele; Energia radiante (Er): energia que se propaga em forma de onda. O agente responsável pela transferência dessas energias é o e -. Interações Interação é a ação entre dois corpos direta ou indiretamente. Neste caso, as interações que interessam à Física Radiológica são do e - com a matéria. Três são os tipos de interação: Excitação: quando um e - externo com determinada Ec interage com um e - orbital e este absorve sua E que é suficiente apenas para mudar para uma camada superior à sua, causando uma instabilidade atômica. Então, para o átomo se estabilizar, esse e - volta para sua camada de origem, liberando seu excedente de E em forma de R-Iv, que por sua vez é Et, ou seja, calor.

3 Ionização: quando um e - externo com determinada Ec interage com um e - orbital e este absorve sua E que é suficiente para expulsá-lo do átomo, causando também uma instabilidade atômica. Quando isso ocorre, o e - da camada superior muda para a camada inferior, liberando seu excedente de E em forma de Radiação característica (Rc), e isso sucessivamente até que o e - da última camada (também chamada de camada de valência ) mude para a camada inferior e o átomo capture um e - livre que esteja passando perto dele, alcançando assim a estabilidade. As E capazes de excitar e ionizar o átomo são: Ec, Et, Epe e Er. Raio X: quando um e - externo com determinada Ec suficiente para atravessar toda a eletrosfera e interage com o núcleo atômico. Nessa interação o e - é freado e libera sua perda de Ec em forma de Raio X, que é uma Er e sua menor parte é o fóton. Possui as propriedades de excitar, ionizar e penetrar com as características de I e E. Campos de Força Um campo de força é uma área delimitada onde atuam forças. Em Física Radiológica dois são utilizados: o Campo Elétrico (CE) e o Campo Magnético (CM). A diferença entre eles está no seu arranjo estrutural e comportamento das partículas. CE: Sua estrutura é formada por duas placas paralelas, uma contendo cargas estáticas negativas e outra com cargas positivas. O CE é formado entre essas duas placas (gerando uma diferença de potencial medida em volts V), que aumenta ou diminui de intensidade de acordo com o aumento ou diminuição da quantidade de cargas nas placas. A E formada por esse campo é a Epe. CM: Sua estrutura é formada por uma haste de ferro envolta por um fio de cobre. O movimento dos e - através de uma corrente elétrica (medida em ampère A) passará pelo fio induzindo o CM na liga metálica. Na Física Radiológica as unidades de elétricas utilizadas são ma (miliampère 10-3 ) e kv (kilovolts 10 3 ). Ampola de Raios X Para a formação eficiente de raios x é necessário um dispositivo capaz de oferecer as condições ideais para tal. Esse dispositivo é chamado de ampola ou tubo de raios x. Figura 2 - Ampola de raios x

4 Componentes da ampola Os componentes da ampola devem ter características e propriedades específicas para a formação dos raios x com eficiência e alta durabilidade. Tubo de vidro: é o envoltório que contém todos os outros componentes da ampola. É necessário para que o ar seja retirado dentro dele (vácuo), e está envolto em uma camada de óleo que permite seu resfriamento e depois por uma carcaça de chumbo, para evitar a fuga de radiação. Placas: são elas que formarão o CE dentro da ampola. O lado positivo recebe o nome de anodo e o negativo de catodo. São elas que através da diferença de potencial (kv) fornecerão Epe (Ec) aos e - que foram liberados pelo próximo componente. Filamento: local onde ocorre as interações (excitações e ionizações) da corrente elétrica (ma) com a matéria do filamento para a produção de e - livres. Sua carga é nula. Ele deve possuir algumas propriedades com determinadas características: Ser um ótimo emissor termoiônico para liberar muitos e - com pouco calor, precisa ter alto ponto de fusão para suportar altas temperaturas e ter baixa resistividade para a produção de calor com pouca corrente. Capa focalizadora (-): componente responsável pelo direcionamento dos e - liberados pelo filamento até o alvo. Caso não existisse esse componente dentro da ampola, a formação eficiente de raios x estaria muito reduzida. Alvo (+): local onde alguns e - que foram liberados pelo filamento e direcionados pela capa focalizadora, irão interagir com sua matéria, gerando de excitações, ionizações e raios x. O vácuo dentro da ampola é necessário para que os e - liberados pelo filamento não interajam com moléculas de ar até chegarem ao alvo, aumentando assim, a probabilidade de formação de raios x. kv, ma e mas No processo de formação dos raios x, é preciso aplicar fatores elétricos para o controle de sua produção. Esses fatores são o kv, ma e mas. kv (tensão do tubo) Responsável pela diferença de potencial, ou seja, a tensão aplicada entre as placas, a voltagem que é fornecida pela rede elétrica é ampliada vezes pelo transformador, chegando à ampola, portanto em forma de kv. Quando é variado, as cargas presentes nas placas também são, variando a Epe, e consequentemente a Ec fornecida aos e - livres produzidos pelo filamento. Por isso, ele é responsável direta e proporcionalmente pela E do feixe de raios x. Quando aumentado, o kv aumenta a probabilidade que mais e - tenham Ec suficiente para interagir com a matéria do alvo, formando os raios x. Outro efeito causado pelo kv é o aumento na quantidade de e - liberados pelo filamento, fornecendo a Ec necessária para que os e - que estejam na camada de valência se libertem do átomo, aumentando consequentemente, dependendo do aumento empregado, maior

5 quantidade de interações com o alvo e maior probabilidade de formação de raios x, aumentando assim, além da E (qualidade) a I (quantidade) do feixe de raios x. Ainda no filamento, o kv também é responsável pelo aumento na quantidade de excitações, aumentando assim o calor gerado pelo mesmo. O kv é diretamente proporcional à E e I do feixe de raios x. ma (corrente elétrica do filamento) O ma representa a corrente elétrica que passa pelo filamento. Fornecida em forma de A pela rede elétrica, ao passar pelo transformador a corrente é diminuída em vezes. Quando é variado, também variamos a quantidade de corrente que passa pelo filamento, aumentando ou diminuindo a quantidade de interações, ou seja, excitações e ionizações, dessa corrente elétrica com o filamento, variando, portanto, a quantidade de e - livres que podem interagir com o alvo para a formação de raios x. O ma é diretamente proporcional à I do feixe de raios x. mas (corrente de tubo) O mas é o produto do tempo (s) multiplicado pelo ma. É referente à corrente que eletrônica que sai do filamento em direção ao alvo em uma determinada unidade de tempo. Ele, portanto, determina a dose que o paciente irá receber, ou seja, qual será a I por s que os e - terão para interagir com o alvo, aumentando a probabilidade de todas elas ocorram no alvo. O mas é diretamente proporcional à dose recebida pelo paciente. Interações dos raios x com a matéria Depois da formação dos raios x através das interações ocorridas entre os e - e a matéria do alvo na ampola, eles são direcionados em direção ao paciente com suas propriedades de excitar, ionizar e penetrar a matéria com as características de E e I. No paciente também ocorrerão interações, mais agora do fóton de raios x com a matéria do paciente. Figura 3 - Representação do Efeito Compton

6 Efeito Fotoelétrico (EFE) Ocorre quando o fóton contém E suficiente para interagir com o e - orbital e sendo totalmente absorvida por ele que é expulso do átomo, gerando ionização e emissão de Rc, não havendo, portanto, nenhum espalhamento. Esse efeito predomina na faixa de E do fóton até 100 KeV. É responsável pela tonalidade branca (radiopaca) na radiografia. Efeito Compton (EC) Ocorre quando o fóton contém mais E do que presente no EFE, ou seja, com E suficiente para interagir com o e -, tendo uma parte absorvida por ele e a outra parte sendo espalhada. Esse efeito predomina na faixa de E do fotón entre 100 KeV e 10 MeV. É responsável pelas tonalidades de cinza na radiografia. Efeito Thompson (ET) Ocorre quando o fóton contém mais E do que o presente no EC, ou seja, com E suficiente para atravessar toda eletrosfera, interagindo com um e - orbital apenas o fazendo vibrar, sendo assim seu espalhamento é total. É responsável pela tonalidade preta (radiotransparente) na radiografia. Esse efeito predomina na faixa de E do fóton acima de 10 MeV, ocorrendo, portanto, a produção de pares, ou seja um elétron com carga negativa (e - ) e um pósitron, que é um elétron com carga positiva (e + ).