C isótopos de carbono 14

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1 Radiação Ionizante - Origem Neutrões Protões Electrões Slide C isótopos de carbono 14 C

2 Radiação Ionizante - Origem Slide 02 Repulsão Eléctrica

3 Radiação Ionizante - Origem Repulsão Eléctrica Slide 03 Atracção forte Balanço entre forças só algumas combinações de números de protões e neutrões são estáveis

4 Radiação Ionizante - Origem Vale de estabilidade Declínio b - 67 Ge 68 Ge 69 Ge 7 0 Ge 71 Ge 72 Ge 73 Ge 74 Ge 75 Ge Slide 04 Declínio b + ou CE 61 Zn 62 Zn 6 3 Zn 64 Zn 65 Zn 66 Zn 67 Zn 68 Zn 69 Zn 70 Zn 71 Zn 72 Zn 73 Zn 59 Cu 6 0 Cu 61 Cu 62 Cu 63 Cu 64 Ga 65 Ga 66 Ga 67 Ga 68 Ga 69 Ga 70 Ga 71 Ga 72 Ga 73 Ga 74 Ga 64 Cu 65 Cu 66 Cu 67 Cu 6 8 Cu 55 Ni 56 Ni 57 Ni 58 Ni 59 Ni 60 Ni 61 Ni 62 Ni 63 Ni 64 Ni 65 Ni 66 Ni 54 Co 55 Co 56 Co 57 Co 58 Co 59 Co 60 Co 61 Co 62 Co 63 Co 51 Fe 52 Fe 53 Fe 54 Fe 55 Fe 56 Fe 57 Fe 58 Fe 59 Fe 60 Fe 61 Fe 62 Fe 63 Fe

5 Radiação Ionizante - Origem Slide 05 Núcleos instáveis Núcleos leves e médios com a combinação errada do nº de protões e nº de neutrões Com protões a mais p n + e + + n e + AX A + n Z... Z 1Y + e +ν g ou X Com neutrões a mais Processo beta Núcleos pesados Processo alfa n p + e - + n X A + Z+ Y e +ν X A Y + e +ν A Z 1 A Z Z+ 1 * Y +γ Z+ A 1 A... X A 4 Y +α Z Z 2 e - n g ou X 4 He =2p+2n g ou X

6 Radiação Ionizante - Origem Radiação alfa Núcleos instáveis Radiação beta Slide 06 Radiação cósmica Radiação gama Muões, Electrões Protões, Neutrões Piões Radiação Gama

7 Radiação Ionizante - Origem Slide 07

8 RADIAÇÕES Das Comunicações à Terapia Radiação Ionizante - Origem Slide 08

9 Radiação Ionizante - Origem Radiação cósmica PRIMÁRIOS Protões e outras partículas carregadas Radiação X gama Slide 09 ATMOSFERA SUPERIOR SUPERFÍCIE TERRESTRE SECUNDÁRIOS Muões, Electrões Protões, Neutrões, Piões Radiação X gama Núclidos radioactivos 14 C, 7 Be, 3 H, 22 Na Núclidos radioactivos 207 Bi

10 Radiação Ionizante - Origem Núcleos de longa vida Núclido Peródo de semidesintegração 40 K 1,28x10 9 y b - 40 K 40 Ca Slide Rb 4,8x10 10 y 113 Cd 9x10 15 y 115 In 4,4x10 14 y 138 La 1,3x10 11 y 176 Lu 3,6x10 10 y 187 Re 5x10 10 y 232 Th 1,41x10 10 y 235 U 7,04x10 8 y 238 U 4,47x10 9 y

11 Radiação Ionizante - Origem Cadeia radioactiva 4,5x10 9 a 238 U a b Th 234 Pa 234 U 230 Th 8,5x10 4 a Slide Ra 222 Rn 3,8 d 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po 164µs 210 Pb 210 Bi 210 Po 206 Pb

12 Radiação Ionizante - Origem Reactores Nucleares 238 U +n cisão Fragmentos radioactivos ( 137 Cs, 95 Zr, 125 Sb,...) Neutrões Slide U +n 239 U 239 Np 239 Pu (24100 a) 235 U A X + n A+1 Y Ex: 59 Co + n 60 Co (estável) (instável) X + a Y + b Ex: 6 Li + p 7 Be 14 N + p 15 O Aceleradores Radiação electromagnética de travagem (bremsstrahlung)

13 Radiação ionizante - Interacção de partículas carregadas com a matéria Partículas Interacção Coulomb Matéria Slide 13 Partículas Perda de energia + deflexão E i,n i E f d < E i, N f N i E i E f = 0 R Range (Alcance) R

14 Radiação ionizante - Interacção de partículas carregadas com a matéria ALCANCES DE PARTÍCULAS CARREGADAS AR PROTÃO 1 MeV - 1,7 cm ELECTRÃO 1 MeV 4,6 m ÁGUA PROTÃO 1 MeV - 23 mm ELECTRÃO 1 MeV 4,7 mm Slide 14 ALUMÍNIO PROTÃO 1 MeV - 11 mm ELECTRÃO 1 MeV 2,6 mm CHUMBO PROTÃO 1 MeV - 4 mm ELECTRÃO 1 MeV 0,6 mm Protão 1 MeV Alfas 4 MeV ALCANCES EM ÁGUA ALFA 1 MeV 7,2 mm PROTÃO 1 MeV - 23 mm ELECTRÃO 1 MeV 4,7 mm

15 Radiação ionizante - Interacção de radiação X, g com a matéria Radiação X, g Fotoeléctrico Compton Prod. pares Matéria Slide 15 Radiação E i,n i E f =E i, N f =N i exp (-mx) Absorção N N i N i /2 N i / 4N i / 8 E i,n i E f = E i, N f = N i /2 n x = nx 1/2 X 1/2 = ln2/m x 1/2 2x 1/2 3x 1/2 x

16 Radiação ionizante - Interacção de radiação X, g com a matéria ATENUAÇÃO PARA RADIAÇÃO GAMA DE 1 MeV 50% 99% ÁGUA 11 cm 73 cm Slide 16 ALUMÍNIO 3,6 cm 24 cm CHUMBO 1,1 cm 7,3 cm ÁGUA ALFA 1 MeV 7,2 mm de alcance PROTÃO 1 MeV - 23 mm de alcance ELECTRÃO 1 MeV 4,7 mm de alcance GAMA 1 MeV 73 cm para 99% de atenuação

17 Radiação ionizante - Interacção de radiação com a matéria A matéria absorve energia Excitação Atómica Molecular Valência-Condução Luz Corrente Slide 17 Ionização Plasma (Gás) Emissão de radiação X Quebra de ligações moleculares Transferência linear de energia Ex: Água Electrões de 1 MeV 1,87 MeV/cm Protões de 1 MeV Alfas de 1 MeV 268 MeV/cm 1410 MeV/cm Radiação directamente ionizante (Electrões, protões, alfas...) Radiação indirectamente ionizante (X, gama, neutrões, mesões...)

18 Unidades de medida da radiação ionizante e dos seus efeitos Lei do declínio radioactivo Slide 18 Probabilidade de desintegração por unidade de tempo é constante 1 ( dn) = λ dn =λn N dt dt dn = λdt N = N e λt 0 N Actividade nº de desintegrações por unidade de tempo A = dn dt = λ N Unidade SI Becquerel Bq Unidade convencional Curie Ci A = A e λ t 0 1Bq = 1des 1s 1Ci= 3,7 x Bq

19 Unidades de medida da radiação ionizante e dos seus efeitos N Slide 19 N 0 N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 t 1/2 = ln2/l N N = 2 t 1/2 2t 1/2 3t 1/2 t A = 0 A 0 n n 2 A A 0 A 0 /2 A 0 /4 A 0 /8 t 1/2 = ln2/l lnn lna t 1/2 2t 1/2 3t 1/2 t lnn 0 lna 0 l t

20 t 1/2 2t 1/2 3t 1/2 Slide 20 4t 1/2 1/2 5t 1/2 1/4 6t 1/2 1/8 10t 1/2... 1/16 1/32 1/64 1/1024 nt 1/2 1/2 n

21 Unidades de medida da radiação ionizante e dos seus efeitos Dose absorvida energia absorvida por unidade de massa Unidade SI Gray Gy Unidade convencional rad : 1Gy = 100 rad 1 Gy = 1J 1 kg D = de dm Slide 21 Os efeitos dependem do tipo de radiação e do tipo de tecido biológico D TR dose absorvida por um dado tecido T para radiação R Dose equivalente Dose efectiva Para radiação R e tecido T Para vários tipos de radiação e tecido T E = ω H T T T H H T TR = ω D R R R TR = ω D TR Unidade SI Sievert Sv Unidade convencional rem: 1Sv = 100 rem

22 Unidades de medida da radiação ionizante e dos seus efeitos Tipo e energia da radiação Factor de ponderação w R Fotões (todas as energias) 1 Slide 22 Electrões, muões (todas as energias) 1 Neutrões E<10 kev 10 kev<e<100 kev 100 kev<e<2 MeV 2 MeV<E<20 MeV E>20 MeV Protões, E> 2 MeV 5 Part. Alfa, fragmentos de cisão, núclidos pesados 20

23 Unidades de medida da radiação ionizante e dos seus efeitos Slide 23 Tecido ou orgão Factor de ponderação w T Gónadas 0,20 Medula 0,12 Cólon 0,12 Pulmão 0,12 Estômago 0,12 Bexiga 0,05 Tórax 0,05 Fígado 0,05 Esófago 0,05 Tiróide 0,05 Pele 0,01 Superfície óssea 0,01 Restante 0,05

24 Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 24 Radiação Directos Rotura de Indirectos Formação de radicais Hidrólise da água livres moléculas DNA Efeitos somáticos Efeitos genéticos Funcionamento orgânico (Cancro) Mutações que podem ser transmitidas às gerações seguintes

25 DIRECTOS Slide 25 INDIRECTOS

26 Efeitos físicos Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 26 Excitação ou ionização de moléculas s Efeitos físico-químicos Produção de radicais livres e átomos instáveis s Efeitos químicos Reacções das espécies instáveis com o meio 10-5 s Efeitos biológicos Modificações nas biomoléculas ~s Reparação molecular ~mn Modificação da transmissão de informação ~h

27 Efeitos biológicos da radiação ionizante Modificação da transmissão de informação Morte da Célula Mutação na célula dias Somática Genética Slide 27 Mudanças clínicas semanas Morte de Orgão(s) meses Leucemia/Cancro Efeitos hereditários anos décadas

28 Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 28 Quebra de cadeia de fosfato/desoxirribose; de ponte de hidrogénio; de base DIRECTOS Mais provável para radiação de alto LET INDIRECTOS Mais provável para radiação de baixo LET;

29 Radioprotecção Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 29 Probabilidade Efeitos Estocástico Determinístico Estocásticos (podem ou não ocorrer; podem ocorrer a longo prazo) Determinísticos (ocorrem sempre, de imediato) Severidade Estocástico Determinístico Dose Dose

30 Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 30 Dose (Gy) Orgão ou tecido Efeito 1 1,5 ovário esterilidade temporária 2,5 testículos esterilidade temporária 2,5 3 medula hipoplasia, morte 4 5 pele eritema transitório, queda temporária de cabelo 5 6 tecido linfoide redução da imunidade celular ovário esterilidade permanente cristalino catarata 6 7 pele queda de cabelo permanente pulmões pneumonite aguda 10 pele eritema 20 coração pericardite 30 esófago fibrose osso (adulto) fractura, osteomielite > 50 cérebro (total) morte

31 Efeitos biológicos da radiação ionizante Slide 31 Dose(Sv) Efeito 0,25 Não há efeito aparente 0,5 Ligeiras alterações sanguíneas 1 Fadiga, náuseas e alterações sanguíneas 3 Náuseas, vómitos, ~20% de mortes no 1º mês, recuperação dos sobreviventes 4 ~50% de mortes no 1º mês, recuperação dos sobreviventes mais difícil 6 Morte quase certa (~100%) 6-20 Morte certa rápida com sintomas gastrointestinais, sindroma agudo acelerado >20 Morte com sintomatologia do sistema nervoso

32 Efeitos biológicos da radiação ionizante Efeitos determinísticos podem ser benéficos RADIOTERAPIA Slide 32 Efeitos estocásticos são difíceis de quantificar Não há um limiar abaixo do qual se possa afirmar não existir perigo de desenvolvimento de células cancerosas. O risco é proporcional à dose recebida, independentemente da taxa de dose.

33 Exposição à radiação ionizante Slide 33 Radão 50,1% Radioterapia e diagnóstico médico 14,3% Radiação gama do terreno e dos edifícios 13,5% Outras fontes 0,5% Cósmica 10,0% Interna da comida e bebida 11,6%

34 Exposição à radiação ionizante Dose Equivalente (Sv) Slide 34 Dose para esterilização de material médico Dose total para tumor cancerígeno 60 Dose para corpo inteiro com 50% de sobrevivência 4 Limite de dose anual para trabalhador 0,05 Dose anual de origem natural 0,002 Raios X tórax 0,00002

35 Protecção à radiação ionizante ICRP International Comittee on Radiological Protection Slide 35 Limitação de doses Dose efectiva Trabalhadores expostos 100 msv em 5 anos, <50 msv por ano Público 1 msv por ano Dose equivalente Cristalino 150 msv por ano 15 msv por ano Pele 500 msv por ano e cm2 50 msv por ano e cm2 Mãos, pés, antebraços, tornozelos 500 msv por ano 50 msv por ano

36 Protecção à radiação ionizante Os limites de dose não são uma linha divisória entre o que é seguro e o que é perigoso; são antes uma linha divisória entre o que é aceitável e não-aceitável. Slide 36 Os limites de doses não devem ser considerados como ponto de partida para o design duma instalação radioactiva; o princípio a aplicar deve ser sempre o que as doses devem ser o mais baixo possível. ALARA - As Low As Reasonably Achievable

37 Células dos mamíferos existência de limiar Efeitos determinísticos Função tipo sigmóide: Risco de exposição: R Slide 37 Fracção de sobreviventes 50% f(x) = 1/(1+e -lx ) R = 1 exp(-h) H = ln 2(D/D50) V V taxa de incremento da curva de risco D 50 Dose

38 Efeitos determinísticos Slide 38

39 Racional da Radioterapia Slide 39

40 Abordagem terapêutica que pretende tratar lesões (particularmente do foro oncológico) com radiações ionizantes Radioterapia Slide 40 Radioterapia Externa (tele-roentgen-gama-terapia) Utilização de fontes de radiação ionizante X, γ, e-, ( ) colocadas à distância face à lesão Radioterapia Interna (braquiterapia ou Curieterapia) Utilização de fontes de radioactivas seladas colocadas próximo ou no interior da lesão

41 Radioterapia Slide 41 Vários Ângulos de Entrada

42 Terapia com iões acelerados Slide 42