Revisão de Conceitos e Fundamentos de Física das Radiações (B)

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1 Revisão de Conceitos e Fundamentos de Física das Radiações (B) Augusto Oliveira adoliv@ctn.ist.utl.pt PSR WP4 ARIAS 2014 Resumo 1. A radiação 2. Energia 3. O jogo do lego da natureza 4. O átomo 5. Níveis de energia 6. Unidade de energia 7. Interacções fundamentais da natureza 8. Radioactividade 1. Tipos de radiação 9. Isótopos 10. Radiação electromagnética 1. Energia da radiação electromagnética 11. Decaimento radioactivo 1. Decaimento exponencial 2. Constante de decaimento e tempo de semi-vida 12. Radiação alfa 13. Radiação beta 14. Radiação X e gama 15. Neutrões 16. Ionização da matéria 17. Interacção da radiação com a matéria 16. Efeito de Compton 17. Efeito fotoeléctrico 18. Produção de pares 19. Feixe de radiação 20. Pontos de interacção 21. Libertação de electrões 22. Pontos de deposição de energia na matéria 23. Radiação dispersa 18. Efeitos biológicos. Factores a considerar 19. Barreiras de protecção. Blindagem 20. Emissão de radiação de uma fonte radioactiva 21. Fonte radioactiva colimada 22. Dose absorvida média num tecido ou órgão 23. Dose absorvida 24. Dose absorvida e protecção radiológica 2 1

2 1. A radiação A radiação existe naturalmente na natureza 3 2. Energia 4 2

3 ~100 g 1 g Uma fonte de radiação com energia de 1 MeV pode necessitar de medidas especiais de segurança radiológica 1 mg 1 ng 1 g 1 MeV 5 3. O jogo do lego da natureza 6 3

4 4. O átomo 7 4. O átomo Dimensões 10 cm 10 km 8 4

5 4. O átomo O átomo de hidrogénio 1 H Níveis de energia 1 Estado fundamental: O electrão ocupa uma orbital correspondente à energia mais baixa possível 13.6 ev E2 E1 E Níveis de energia Núcleo, átomo, moléculas En E2 E1 E0 Núcleo Átomo Molécula 10 5

6 6. Unidade de energia Electrão Volt (ev) Definição: Quantidade de energia adquirida por uma partícula carregada cuja carga eléctrica seja igual à do electrão, quando submetida a uma diferença de potencial de 1V. Por exemplo, um único electrão que se mova de um pólo de uma bateria de automóveis para o outro adquire uma energia de 12 ev. Dez electrões adquirem uma energia de 120 ev de energia, igual à que um único electrão adquiriria numa bateria de 120V Unidade de energia Electrão Volt (ev) abreviação nome valor ev electrão Volt 1 kev Quilo electrão Volt 10 3 MeV Mega electrão Volt 10 6 GeV Giga electrão Volt 10 9 TeV Tera electrão Volt partícula electrão protão neutrão fotão (luz visível) fotão (raios-x) massa (partículas), energia (fotões) 0,511 MeV 938,3 MeV 939,6 MeV 10 ev 100 kev - 10 MeV 12 6

7 7. Interacções fundamentais da natureza Interacção gravítica Interacção < fraca Interacção < electromagnética Interacção < forte QUARK morte do núcleo Química Física Molecular Física atómica Razão da existência do núcleo Física Nuclear Física de partículas Altas energias Radioactividade Os núcleos desintegram-se libertando a energia em excesso sob a forma de radiação 14 7

8 8. Radioactividade A radioactividade resulta de instabilidades no interior do núcleo Radioactividade Tipos de radiação + Radiação beta Radiação alfa Radiação gama 16 8

9 9. Isótopos U 92 protões = 143 neutrões U 92 protões = 146 neutrões Iguais na Química muito diferentes na Física Nuclear Radiação electromagnética Fotões 1 fotão por segundo = fotões (três biliões de anos) fotões / segundo 18 9

10 10. Radiação electromagnética Energia da radiação electromagnética Radiação gama Raios X Região visível Micro-ondas Ondas hertzianas Decaimento radioactivo 20 10

11 11. Decaimento radioactivo Decaimento exponencial Decaimento radioactivo Constante de decaimento, tempo de semi-vida A t A 0 e l t l ln 2 T 1/ 2 l B <l A Cs-137 (30 anos) l C >l A I-131 (8.05 dias) l A Co-60 (5.2 anos) l C >l A >l B T C <T A <T B 22 11

12 12. Radiação alfa (a) núcleo do Hélio A partícula alfa é constituída por um grupo de 2 protões e 2 neutrões. 2 4 He Ra He Rn Radiação alfa (a) Factores importantes a considerar: Grande taxa de transferência de energia na interação com a matéria Pequeno percurso percorrido cm no ar Po E 53. MeV cm tecido mole 24 12

13 13. Radiação beta ( ) É constituída por electrões de grande energia cinética ejectados durante o declínio ou desintegração de certos núcleos. Em muitos casos a radiação beta é acompanhada de radiação gama Sr Y Zr Radiação beta ( ) Para energias baixas a radiação beta percorre alguns centímetros no ar. Para E=2 MeV percorre até 7 m no ar. Pode atravessar lâminas de alumínio de 1 mm. Radiação de travagem: Uma alteração de velocidade ou de direcção provoca uma perda de energia do electrão libertada sob a forma de radiação gama. Depende da energia e para materiais de número atómico baixo (<13) é uma fracção muito pequena

14 14. Radiação X e gama (g) São constituídas por fotões. Raios gama Raios X - Têm origem no interior do núcleo. - Têm origem no exterior do núcleo. Em termos de protecção contra radiações é indiferente falar de raios X ou gama Radiação X e gama (g) Factores importantes a considerar: Percorrem grandes distâncias no ar. Grande capacidade de penetração na matéria variando com a energia 28 14

15 15. Neutrões Os neutrões podem ser produzidos através de reacções nucleares originadas na presença de radiação. Alguns nuclídos não radioactivos, como o Berílio emitem neutrões quando são bombardeados por partículas alfa Be He n C Ionização da matéria E E f ANTES DEPOIS 30 15

16 17. Interacção da radiação com a matéria Fenómenos de interacção Emissão de radiação de travagem. Excitação ou ionização. Reacções nucleares Interacção da radiação com a matéria Efeito de Compton E f E Energia do fotão incidente E E f Eventualmente o choque é elástico 32 16

17 17. Interacção da radiação com a matéria Efeito fotoeléctrico E f Energia do fotão incidente Energia do electrão ejectado Energia de ligação electrão - átomo O fotão cede toda a sua energia a um electrão de um átomo, que é ejectado Interacção da radiação com a matéria Produção de pares núcleo 34 17

18 17. Interacção da radiação com a matéria Feixe de radiação Interacção da radiação com a matéria Pontos de interacção

19 17. Interacção da radiação com a matéria Libertação de electrões Modelo de dois passos da deposição de energia na matéria: Através das interacções dos fotões a sua energia é transmitida aos electrões. Esta energia é transportada e libertada na matéria pelos electrões Interacção da radiação com a matéria Pontos de deposição de energia na matéria 38 19

20 17. Interacção da radiação com a matéria Radiação dispersa Efeitos biológicos das radiações Factores a considerar Natureza das radiações. Dose de radiação e sua distribuição no tempo. Partes do organismo irradiadas. Natureza dos tecidos irradiados

21 19. Barreiras de protecção Blindagem Alumínio Chumbo a g Poder de ionização: capacidade de arrancar electrões aos átomos. a =100 x =100 x g Emissão de radiação de uma fonte radioactiva 50 kev 150 kev 42 21

22 21. Fonte radioactiva colimada Dose absorvida média num tecido ou órgão D T = ε T m T m T é a energia total depositada num tecido ou órgão elemento de volume de massa. e T é a massa do tecido ou órgão

23 22. Dose absorvida média num tecido ou órgão D T e m T T Dose absorvida 46 23

24 24. Dose absorvida e protecção radiológica Do ponto de vista da protecção radiológica interessa não só determinar a energia depositada na matéria mas também conseguir prever os riscos biológicos Grandezas de protecção radiológica Para o mesmo valor da dose absorvida os efeitos biológicos são diferentes para diferentes tipos de radiação 48 24

25 D 1 D 2 D T =? 25

26 1 D 1 D 2 D m m m 2 m D T D T D T D T? e1 e 2 m1 m2 2e D 2 m D e 1 D1 D2 D e 1 m D 1 D 2 1 D 2 e 2 m 2 1 D 1 D 2 D m m m 2 m D T D T D T D T D T? e1 e 2 m1 m2 2e D 2 m D e 1 D1 D2 D D 1 D 2 e 1 m D 1 D 2 1 D 2 e 2 m 2 26

27 53 27