Aula 2 Aplicações das Radiações. F 107 Física para Biologia 1º Semestre de 2010 Prof.Dr. Edmilson JT Manganote

Transcrição

1 Aula 2 Aplicações das Radiações

2 Radiografias

3 Análise de Materiais O XPS (X-Rays Photoelectron Spectroscopy - Espectroscopia Fotoelétrica de Raio-X). Também conhecido como ESCA ( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis - Espectroscopia Elétrica para Análise Química). É uma técnica de análise de superfícies usada para obter informações sobre as superfícies de materiais sólidos, condutores ou isolantes.

4 Um pouco de história Os raios X são descobertos por Wilhelm Conrad Rontgen Nos 15 anos seguintes muito trabalho foi feito na sua utilização para o exame de corpos

5 Um pouco de história Por volta deste ano se iniciaram os estudos relativos à aplicação dos raios X na inspeção de materiais Aplicações atuais Ensaios não-destrutivos Radiologia diagnóstica e terapia Pesquisas científicas

6 Os radioisótopos São isótopos instáveis dos elementos Podem ser usados como traçadores na diagnose ou como fontes de energia na terapia Traçadores Possuem comportamento químico idêntico ao de isótopos estáveis do mesmo elemento Apresentam emissão espontânea de radiação que pode ser detectada, indicando assim sua posição e quantidade

7 Os radioisótopos Fontes de energia Encontram aplicações por serem detectáveis após absorção ou espalhamento pela matéria, ou por quebrarem moléculas e ionizarem átomos formando íons, iniciando assim reações químicas ou biológicas São, portanto, utilizados para destruir tecidos, especialmente os cancerosos, ou para suprimir alguma função orgânica Alguns hospitais no Brasil possuem aceleradores lineares que produzem elétrons e raios X de até 10 MeV e são usados em terapias, principalmente de neoplasias

8 Raios-x digital por técnica de dupla energia. Baseia-se na subtração de duas imagens digitais obtidas com raios-x de diferentes composições espectrais, explorando as diferenças entre os números atômicos dos ossos e dos tecidos moles. No modo oneshot, a separação das energias é feita com o uso de filtros; no modo two-shot são obtidas duas imagens com kilovoltagens diferentes. A imagem resultante é a subtração ponderada das imagens, onde o parâmetro de ponderação pode ser variado de modo a produzir imagens em que predominam tecidos moles ou ossos.

9 Tubo ou ampola de raios X. Nesta ampola, utilizada para diagóstico médico, elétrons produzidos no catodo (1) são acelerados até o anodo (alvo) (2) por diferenças de potencial de dezenas de milhares de volts. Ao atingi-lo são bruscamente desacelerados, produzindo os raios X. Um invólucro de vidro (3) mantém o vácuo no interior da ampola, evitando descargas elétricas entre o anodo e o catodo e minimizando o espalhamento dos elétrons por outras moléculas na sua trajetória até o anodo. O rotor (4) gira o anodo-alvo em até rotações por minuto para evitar o superaquecimento.

10 Planejamento de radioterapia. Distribuição de dose de radiação superposta a corte tomográfico da região abdominal de um paciente. Um tratamento radioterápico é planejado por um físico-médico que utiliza aplicativos computacionais especializados no cálculo da distribuição da dose de radiação a ser depositada em um paciente. O planejamento é feito a partir da definição, pelo médico, dos contornos da lesão e de outras estruturas que devem ser preservadas. No planejamento ao lado foram utilizados dois campos laterais e dois frontais. No cruzamento dos quatro feixes a dose é máxima.

11 Braquiterapia de alta taxa de dose. Também conhecida como HDR, de high dose rate, é uma modalidade de radioterapia em que fontes radioativas de alta intensidade são introduzidas temporariamente em cavidades do paciente. Para evitar a exposição dos trabalhadores o tratamento pode ser feito com equipamentos robotizados. O posicionamento dos cateteres e das fontes é verificado através de um sofisticado processo de controle de qualidade. Após a verificação, o paciente é deixado só na sala e o robô acionado a distância por um computador, levando as fontes até os locais pré-determinados.

12 Implante permanente de sementes radioativas. Uma das maneiras de se combater o câncer de próstata é espalhar por todo o seu volume pequenas sementes radioativas. As sementes são cápsulas cilíndricas de titânio com cerca de 5 mm de comprimento e 1 mm de diâmetro. Dentro delas há um substrato (grafite, prata, resina) sobre a superfície do qual é adsorvido o radioisótopo, por exemplo o iodo-125. Este radioisótopo tem uma meia vida de cerca de 60 dias e decai por captura eletrônica, em que o núcleo "captura" um elétron da eletrosfera, transformando-se no telúrio-125. O decaimento é sucedido pela emissão de raios gama do núcleo residual e de raios x e elétrons da eletrosfera, que tem que se reorganizar para adaptar-se ao novo núcleo. Os elétrons são absorvidos pela cápsula de titânio, mas os raios x e os raios gama, com cerca de 30 kev, a atravessam e depositam sua energia nos tecidos da próstata do paciente.

13 Gerador de Tecnécio. O 99m Tc (tecnécio-99 metaestável) é um emissor gama com meia vida de 6 horas amplamente utilizado em procedimentos de Medicina Nuclear. É produzido pelo decaimento do 99 Mo (molibdênio-99), que tem uma meia-vida de 66 horas. O gerador de tecnécio consiste em um recipiente com pequenas esferas de alumina sobre as quais o 99 Mo (molibdênio- 99), produzido em um reator nuclear, liga-se firmemente. Quando decai em tecnécio este, por ser quimicamente diferente, desliga-se da alumina, e pode ser "lavado" do recipiente por uma solução salina. A foto ao lado mostra a coluna de alumina no centro de uma espessa blindagem para a radiação. Acima, à esquerda, o local onde é conectado o frasco da solução salina; à direita, o local onde é colocado o frasco evacuado que "suga" a solução, fazendo-a passar pela coluna de alumina.

14 Aplicações na Industria Radiografias (Raio X) e Gamagrafias (γ) Ensaios não-destrutivos para detectar descontinuidades e heterogeneidades da matéria Na inspeção radiográfica, a radiação penetrante, raio X ou gama, atravessa o espécime em ensaio. Uma parte é absorvida pelo espécime e a restante vai impressionar um filme fotográfico, onde se pode visualizar a estrutura do corpo de prova ou parte dela

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16 Principais fontes radioativas utilizadas: * Quase sem utilidade no momento, má qualidade da imagem ** Recente na industria, muito boa qualidade da imagem

17 Aplicações na Industria Medida de espessura ou de níveis de materiais Baseia-se no fato de que o material, colocado entre a fonte de radiação e o detector, absorve ou espalha radiação. A radiação que atravessa o material e atinge o detector pode dar informação sobre espessura e a densidade do material Vantagens: Não ser necessário o contato mecânico com o material a ser medido A medida pode ser feita continuamente e à longa distância

18 Aplicações na Industria Medida de vazamentos Radioisótopos usados como traçadores oferecem um método simples, seguro e de baixo custo para detectar vazamento de líquidos Uma pequena quantidade de material radioativo é adicionada ao fluxo. Qualquer vazamento pode ser detectado mesmo que seja invisível

19 Aplicações na Industria Pesquisa sobre desgaste de motores Materiais radioativos são usados como traçadores na fabricação de motores. A análise do óleo lubrificante poderá fornecer informação sobre o grau de desgaste do motor

20 Aplicações na Industria Conservação de alimentos Evitar que certas raízes ou tubérculos brotem durante o armazenamento Eliminar insetos dos grãos antes do armazenamento Preservar alimentos, inibindo ou destruindo bactérias e outros microrganismos Existem, entretanto, problemas como mudança no sabor, na cor e na textura, dependendo do alimento.

21 Aplicações na Industria Esterilização de materiais cirúrgicos Método tradicional: aquecimento do material entre 150ºC e 170ºC Radiações suficientemente energéticas podem destruir as bactérias Vantagens: Sem aplicação de calor Esterilizar materiais já embalados Desvantagens: Mudança na estrutura de alguns plásticos, tornando-os quebradiços

22 Radiofármacos Radiofármacos são isótopos de elementos radioativos utilizados com a finalidade de diagnóstico, terapia e pesquisa. Possuem diversas aplicações: a) Diagnóstico e acompanhamento terapêutico no combate ao câncer; b) Avaliações neurológicas e cardiológicas; c) Análise de disfunções cérebro-vasculares; d) Estudo do metabolismo cerebral nas doenças de Parkinson, Alzheimer e Tourettes.

23 Aplicações na Agricultura Benefícios do uso de radioisótopos: Criação de novas variedades de plantas, com características melhoradas Aumento das mutações genéticas Maior conhecimento do metabolismo vegetal e animal Utilizando radioisótopos como traçadores Controle ou eliminação de insetos Irradiação de machos até a esterilização

24 Outras aplicações Análise por ativação com nêutrons É uma técnica na qual a amostra é irradiada com nêutrons, a fim de tornar radioativos seus elementos constituintes. Como cada radioisótopo emite um espectro de radiação característico, é possível, por esse meio, identificar e medir os elementos presentes na amostra Vantagens: A análise é não destrutiva Para alguns elementos consegue-se uma sensibilidade muito maior que a obtida pela análise química

25 Outras aplicações Estudo de poluição do ar Esta análise vem sendo feita através do método PIXE (Particle Induced X-ray Emission) A amostra de ar coletada é irradiada com prótons ou alfas Estes arrancam os elétrons das camadas mais internas dos elementos constituintes da amostra. Quando os elétrons das camadas mais externas passam a ocupar os lugares vazios deixados pelos elétrons arrancados, raios X característicos são emitidos com energia específica para cada elemento, identificando-os.

26 Outras aplicações Coloração de cristais por radiação A radiação provoca danos nos cristais, criando o que se chama de centros de cor, que podem mudar ou intensificar a cor dos cristais Gemologia é uma especialidade da geologia que estuda o caráter físico e químico dos materiais de valores gemológicos, sejam esses de origem inorgânica ou origem orgânica e que se prestam a adorno pessoal ou decoração de ambiente.

27 Turmalina Quartzo Diamante Esmeralda Bruta Marfim Pérolas Rubi bruto Âmbar

28 Outras aplicações Datação por meio da radiação Método do Carbono-14 Idade de materiais orgânicos de centenas até dezenas de milhares de anos Os organismos vivos absorvem carbono (sendo que para cada átomos de 12 C existe apenas um átomo de 14 C) direta (ar) ou indiretamente (alimentos) Quando morre a quantidade de 12 C se mantém constante enquanto o 14 C vai se desintegrando sem ser substituído Medindo-se a radioatividade presente no material podemos inferir a razão 12 C para 14 C e, consequentemente, inferir sua idade

29 Outras aplicações Datação por Termo-luminescência Esse método baseia-se no fato de que muitos cristais podem armazenar energia proveniente da radiação. Quando o cristal é aquecido esta energia é liberada na forma de luz. Medindo-se a intensidade desta luz, a quantidade de radiação acumulada pode ser determinada. Idade = (Radiação Acumulada)/(Radiação Anual)