INTERACÇÕES DAS RADIAÇÕES COM A MATÉRIA

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1 INTERACÇÕES DAS RADIAÇÕES COM A MATÉRIA M Filomena Botelho A radiação interage com a matéria, resultando consequências específicas, consoante o local da interacção Esta interacção resulta da: cedência de energia ao meio que percorrem Energia capaz de extrair electrões a átomos provocando alterações químicas das moléculas Radiação ionizante 1

2 RADIAÇÃO IONIZANTE A radiação pode ser sob a forma de: partículas radiação electromagnética e ambas as formas se podem propagar através da matéria Partículas Carregadas Não carregads Possuem energia cinética (vai desde alguns ev a muitos milhões de ev) ++ Deuterões Partículas α Protões Neutrões Partículas β + + Núcleos pesados Radiação electromagética Pequena quantidade de energia por fótão Rx de pequena energia Fótões de luz Relativamente grande quantidade de energia Raios gama A radiação interage com a matéria, através de: Transferência de energia ao meio envolvente A energia das partículas carregadas energia cinética A energia dos fótões energia electromagnética Embora marcadamente diferentes nas suas características físicas, os diferentes tipos de radiação, exercem: algumas acções análogas quando atravessam a matéria 2

3 A radiação pode interagir com a matéria de maneiras diferentes: pode atravessar os átomos sem ceder energia não há interacção pode interagir com o núcleo pode interagir com os electrões orbitais Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas a Neutrões Radiação electromagnética 3

4 Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas a Neutrões Radiação electromagnética Partículas carregadas As partículas carregadas podem ser classificadas como: pesadas protões deuterões tritões partículas a átomos ionizados leves electrões positrões 4

5 Partículas carregadas Quando as partículas carregadas e com elevada energia cinética se deslocam no meio material, podem exercer forças coulombianas com os: electrões núcleos dos átomos do meio Ocorre uma colisão sempre que a partícula passa suficientemente próximo de um: electrão, ou núcleo de modo a que haja interacção Partículas carregadas Quando as partículas carregadas e com elevada energia cinética se deslocam no meio material, podem exercer forças coulombianas com os: electrões núcleos dos átomos do meio A transferência da energia cinética, pode produzir: ionização excitação conforme a quantidade de energia transferida 5

6 Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas α Neutrões Radiação electromagnética 1. Interacção dos electrões com a matéria A maioria das transferências de energia no interior da matéria, é feita à custa dos electrões. Estes podem interagir com: electrões orbitais dos átomos do meio atravessado ionização ou excitação núcleos dos átomos do meio atravessado radiação de frenação (= bremsstrahlung) 6

7 A. Interacção dos electrões com electrões orbitais dos átomos do meio atravessado Quando ocorre uma colisão de um electrão com um electrão orbital, verificase uma: repulsão coulombiana que origina uma distribuição entre os 2 electrões, da energia cinética do primeiro A transferência de energia cinética, pode produzir: ionização excitação conforme a quantidade de energia transferida Ionização electrão incidente electrão secundário O átomo neutro fica com carga + ião 7

8 Ionização Ionização específica ou poder ionizante Número de pares de iões formados por unidade de comprimento de percurso, quando um feixe de electrões percorre uma distância x no interior de um dado meio Quando ocorre a formação de iões, há transferência de energia por unidade de comprimento, e a perda energética é igual a: E x 2 k q n Z = 2 v = I E q carga do electrão n número de átomos da sunstância atravessados por unidade de volume Z nº atómico do elemento atravessado v velocidade E energia que é necessário ceder para produzir 1 par de iões I ionização específica E x 2 k q n Z = 2 v = I E A ionização específica das partículas a é alta porque: têm pequena velocidade quando comparada com a da luz têm carga dupla O produto nz representa o número de electrões por unidade de volume da matéria atravessada Quando maior nz maior o número de colisões 8

9 E x E x 2 k q n Z = 2 v = I E v Esta curva mostra a variação da: perda energética por unidade de comprimento em função da velocidade da partícula A curva rosa mostra a variação qunado aplicada a fórmula completa, Enquanto que a curva verde representa a aplicação da fórmula simplificada A diferença entre estas duas tem a ver com que um efeito relativístico que o factor B(v) tem em conta electrão inicidente, com energia cinética E c colide com um electrão periférico do material atravessado com energia de ligação El estabelecese entre os dois electrões uma: força repulsiva coulombiana com transferência de uma certa quantidade Q de energia cinética do electrão inicidente para o electrão ligado 9

10 Q > El O electrão ligado é arrancado (formando um ião positivo) sendolhe transmitida uma energia cinética igual a: Q El O electrão incidente é desviado da sua trajectória inicial, ficando com uma energia cinética após a colisão de: E c Q A energia transferida ao electrão ligado, é função da: distância que o separa da trajectória do electrão incidente sendo tanto maior quanto menor for a distância Porém, as interacções deste tipo, são mais frequentes com os: electrões mais afastados da trajectória do electrão inicidente pois são os que existem em maior número o número de reacções com baixa transferência de energia é superior ao número de reacções com grande transferência de energia Devido à pequena massa do electrão : 1800 vezes mais leve do que o protão 7200 vezes mais leves do que a partícula α a colisão sofrida é em geral suficiente para produzir desvios consideráveis do seu trajecto, o que lhe confere: trajectórias sinuosas 10

11 Os electrões (partículas β) à medida que vão percorrendo o meio e produzindo ionizações vão: perdendo energia diminuir a sua velocidade o que significa aumento do poder ionizante 2 E k q n Z = 2 x v = I E O poder ionizante das partículas β é sempre muito pequeno quando comparado com o dos protões e o das partículas α, pois possuem: menor carga velocidade muito maior Alguns dos electrões arrancados aos átomos da matéria atravessada, podem adquirir energia cinética suficiente, para por sua vez, produzirem ionizações secundárias Os átomos ionizados apresentam um excesso energético e têm que perder a energia em excesso para retornar ao estado de maior estabilidade Após a colisão, o átomo ionizado emite radiação electromagnética, ao reajustar as suas camadas electrónicas para se estabelecer a estabilidade emissão de fótão de fluorescência emissão de raios X característicos emissão de electrão auger 11

12 emissão de fótão de fluorescência emissão de raios X característicos As interacções que ocorrem entre os electrões acelerados e os electrões dos átomos do alvo atravessado, levam à: emissão de radiação característica por parte dos átomos do meio atravessado A orbital deixada livre pelo electrão expulso, é ocupada: por um electrão de uma das orbitais mais periféricas Por sua vez, o lugar deixado vago pelo electrão que mudou de orbital, é ocupado por: um electrão ainda mais periférico emissão de fótão de fluorescência emissão de raios X característicos Este tipo de mobilização de electrões continua a verificarse até que a orbital livre pertença à camada mais externa O lugar vago pode ser ocupado por um electrão estranho ao átomo Cada salto de um electrão de uma camada periférica para outra mais interna, é acompanhado pela: libertação de uma energia igual à diferença entre as energias de ligação de cada electrão, sob a forma de: um fótão de fluorescência 12

13 emissão de fótão de fluorescência emissão de raios X característicos O conjunto dos fótões de fluorescência libertados constitui a: radiação característica da amostra, e possui um espectro de riscas L Vazio K K Os fótões libertados, podem ser: fótões X se os átomos do meio forem pesados fótões UV se os átomos do meio forem leves L Vazio K Raios X K Os raios X com interesse em radiodiagnóstico, só podem ser produzidos pelas ionizações com: expulsão de um electrão da camada K e quando os átomos da substância atravessada possuirem número atómico > 30 ( 30 Zn zinco) em alguns casos especiais quando o electrão libertado pertencer à camada I com Z > 70 ( 70 Yb ytérbium) No caso da produção de RaiosX, este espectro caracteístico corresponde a uma energia total emitida muito menor do ue o espectro contínuo da radiação de frenação só é utilizado em medicina nas ampolas de mamografia 13

14 emissão de electrão auger O excesso energético do átomo, pode ser comunicado directamente a um electrão periférico, o qual vai ser expulso, originando uma: segunda ionização L K L K Este tipo de emissão é predominante quando os meios atravessados têm: pequeno número atómico A energia cinética do electrão expulso é rapidamente absorvida pelo meio Excitação Mecanismo de transferência de energia semelhante à ionização mas em que a quantidade de energia transferida é: menor do que a energia de ligação do electrão ficando o átomo apenas excitado O electrão passa para uma orbital mais exterior 14

15 E x 2 k q n Z = 2 v = I E Esta equação aplicase também a outras partículas carregadas, para além dos electrões, como: partículas α protões Curvas de Bragg Traduzem a variação da ionização em função da distância percorrida I x Curvas de Bragg Traduzem a variação da ionização em função da distância percorrida I À medida que a partícula abranda o seu movimento, por perda de energia cinética, a: ionização específica aumenta primeiro entamente e, depois, mais rapidamente Ri x Quando a energia cinética já baixou tanto que não é possível produzir mais ionizações, a curva diminui bruscamente, até que atinge o eixo dos x num ponto Ri que traduz a distânca a partir da qual já não há ionização específica Este ponto Ri é específico para cada partícula 15

16 Curvas de Bragg Traduzem a variação da ionização em função da distância percorrida I Ri x As diferenças entre os electrões, os protões e as partículas α resultam de que para a: a mesma energia o módulo da velocidade ser muito superior para os elctrões do que para as partículas pesadas, as quais: não sofrem alterações da trajectória após colisão (por terem massa maior) Devido à pequena velocidade das partículas pesadas, a ionização específica é maior do que a dos electrões No caso dos: protões pode provocar um máximo de ionizações por cm partículas α pode atingir as ionizações por cm B. Interacção dos electrões com o núcleo dos átomos do meio atravessado Radiação de frenação Quando um electrão incidente, passa próximo de um núcleo pertencente a um átomo da matéria atravessada, sofre uma: força de atracção coulombiana pela qual o electrão é desviado na sua trajectória Como a massa do núcleo é muito superior à do electrão, a energia que é comunicada ao núcleo é muito pequena, e o electrão é desviado, não sofrendo redução considerável na sua energia dispersão de Rutherford (colisão elástica) 16

17 Quando o electrão é desviado da sua trajectória inicial, fica sujeito a uma: aceleração centrípeta hν E c e Electrão Partícula beta + + Núcleo E c hν Radiação de Bremsstrahlung A energia é perdida pela passagem perto de um núcleo Teoria electromagnética clássica Toda a aceleração do electrão deve provocar emissão de radiação electromagnética Teoria quântica A aceleração cria uma certa probabilidade de emissão de um fótão, e a energia irradiada pode variar de zero até à energia total do electrão Quando uma partícula carregada e de elevada energia cinética sofre aceleração, criase a probabilidade de: emissão de energia electromagnética na forma de 1 fótão cuja energia pode variar de zero à energia cinética total da partícula A importância deste tipo de emissão é: inversamente proporcional ao quadrado da massa da partícula incidente Pouca importância quando se trata de partículas pesadas A interacção entre o electrão incidente e o núcleo traduzse por uma: diminuição da velocidade do electrão, e consequentemente diminuição da energia cinética Irradiada sob a forma de fótões Radiação de bremsstrahlung ou radiação de frenação (Radiação de espectro contínuo) 17

18 A importância deste tipo de emissão é: inversamente proporcional ao quadrado da massa da partícula incidente Pouca importância quando se trata de partículas pesadas A interacção entre o electrão incidente e o núcleo traduzse por uma: diminuição da velocidade do electrão, e consequentemente diminuição da energia cinética Irradiada sob a forma de fótões Radiação de bremsstrahlung ou radiação de frenação (Radiação de espectro contínuo) A probabilidade do electrão perder energia é tanto maior quanto mais próximo do núcleo passar Radiação de Bremstrahlung Se: E c energia cinética inicial do electrão E perda de energia do electrão ν frequência ħ constante de Planck E = hν Se o electrão perde toda a sua energia: E = E c 18

19 Para valores de energia cinética 150 kev: dφ de = K F Z (E c E) dφ de dφ Energia total cedida pelo efeito de de bremstrahlung por unidade de energia dos fótões 0 (ħν) max = E c E (ħν) F Fluxo de electrões incidentes por unidade de tempo Z Número atómico dos átomos do alvo K Constante Esta equação corresponde ao espectro teórico, e nunca se obtém à saída de um ampola de RaiosX, porque o proprio vidro da ampola, absorve as baixas energias A potência necessária para comunicar a energia cinética E c (ev) a um feixe de electrões: P = F. E c Rendimento (ρ) na produção de RaiosX através da radiação de frenação: ρ = Φ = P 1 2 K F Z E F E c 2 c = 1 2 K Z E c O rendimento aumenta: com o número atómico do material do alvo e com a energia dos fótões incidentes 19

20 Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas α Neutrões Radiação electromagnética 2. Interacção dos protões e das partículas α com a matéria Quer os protões quer as partículas α têm massa muito superior à dos electrões Para igual energia cinética a: velocidade é consideravelmente inferior à dos electrões As transferência energéticas entre protões ou partículas α e os átomos do meio, são muito menores do que as que ocorrem quando a partícula incidente é o electrão 20

21 α Os protões e as partículas α são totalmente frenados por obstáculos bastante finos, como: uma folha de papel não representando grande perigo quando se trata de irradiação externa p Por outro lado: quando introduzidos no organismo, as partículas podem provocar efeitos nocivos consideráveis, pois toda a energia é dissipada num percurso muito curto Só provoca lesões quando dentro do organismo Absorvida por papel Folha de papel Irradiação interna lesão interna Ionização Processo pelo qual um átomo neutro adquire carga positiva ou negativa Partícula α + + electrão é retirado do átomo O átomo neutro fica com carga + ião 21

22 Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas α Neutrões Radiação electromagnética 3. Interacção dos neutrões com a matéria Neutrão Grande poder de penetração Interacção com os núcleos do meio Perda progressiva de energia cinética Não têm carga Folha de papel Chumbo Parafina Alumínio Podem penetrar profundamente no organismo 22

23 As consequências são diferentes consoante a energia cinética do neutrão incidente: 1º E c > 1000 ev toda a energia cinética é transferida para os núcleos da matéria atravessada Não têm carga 2º Ec < 1000 ev o próprio neutrão é absorvido pelos núcleos do meio envolvente Podem penetrar profundamente no organismo A energia absorvida pelos núcleos levaos a entrar em reacção com os outros átomos do mesmo meio, originando: ionização excitação Tipos de interacções Partículas carregadas Electrões Protões e partículas a Neutrões Radiação electromagnética 23

24 4. Interacção das radiações electromagnéticas com a matéria Quando as radiações electromagnéticas, de origem nuclear (raios gama γ) ou de origem extranuclear (RaiosX) interagem com a matéria, a colisão pode ocorrer com o: núcleo elecrões orbitais Quando consideramos um feixe de fótões a incidir sobre um objecto, a energia do feixe emergente é inferior à do feixe incidente, pois existem interacções com a matéria Quando o fótão incidente interage com a matéria, diferentes situações podem ocorrer: Absorção total Toda a energia do fótão incidente é absorvida pelos átomos do meio atravessado Transmissão sem desvio da trajectória Não ocorre qualquer reacção entre o fótão e o meio Difusão O fótão é desviado da sua trajectória inicial, podendo haver ou não perda de energia Feixe incidente Absorção total Transmissão sem desvio Por outro lado, as colisões podem ser: elásticas inelásticas x Difusão 24

25 Tipos de interacções Radiação electromagnética Com os electrões orbitais Efeito fotoeléctrico Efeito de Compton Efeito de Rayleigh Thonson Com o núcleo Materialização ou produção de pares Reacções fotonucleares Efeito fotoeléctrico Processo de absorção atómico no qual o átomo absorve totalmente a energia do fótão incidente (E c ) O fótão incidente desaparece e a energia abdorvida é usada para ejectar o electrão orbital para fora do átomo O electrão ejectado chamase: fotoelectrão Fotoelectrão ejectado Fótão incidente A energia cinética do electrão (E ce ) ou fotoelectrão é igual à diferença entre a energia do fótão incidente e a energia de ligação do electrão do átomo do material E ce = E c E l Parte da energia do fótão incidente é dispensada para extrair o electrão do seu nível energético, sendo a restante energia transferida ao electrão orbital sob a forma de energia cinética 25

26 E ce = E c E l O fótão incidente tem que ter uma energia pelo menos igual à energia de ligação do electrão orbital Apesar de teoricamente este processo pder ocorrer com qualquer electrão do meio, desde que E c (energia cinética do fótão incidente) seja superior a E l (energia de ligação do electrão orbital), ocorre sobretudo: electrões mais fortemente ligados ao núcleo, isto é, camadas mais internas K, L O átomo atingido pelo fótão, após libertar o fotoelectrão fica ionizado e num estado excitado, sofrendo um rearranjo dos electrões periféricos, com emissão de: raiosx característicos fótões de fluorescência electrões de Auger fotoelectrão ionização excitação + ++ RaiosX característico Fótões de fluorescência Electrões Auger Irradiação secundária A probabilidade de ocorrência do efeito fotoeléctrico: aumenta rapidamente com o número atómico do absorvente decresce muito rápido quando aumenta a energia do fótão Z E 3 O fotoelectrão tornase uma partícula ionizante e vai ser um agente de ionização secundária à radiação γ 26

27 Efeito Compton É a colisão entre um fótão e um electrão orbital das camadas mais externas do átomo Só parte da energia do fótão incidente é cedida ao electrão orbital Ocorre nos electrões mais frouxamente ligados, os electrões periféricos Fótão difundido θ Fótão incidente ϕ Electrão Compton Fótão difundido θ Fótão incidente ϕ Electrão Compton O fótão incidente em energia cinética (E c ) ao colidir com um electrão orbital com baixa energia de ligação (E l ), cede parte da sua energia ao electrão orbital, que é expulso do átomo com uma energia cinética (E ce ), enquanto que o fótão incidente sofre uma alteração na sua trajectória O fótão difundido passa a ter uma energia cinética (E d ) E c = E ce + E d + E l A energia cinética do electrão diminui progressivamente, e como é ela própria uma partícula ionizante pode ionizar ou excitar átomos 27

28 λ λ e e φ θ e + ++ ionização excitação RaiosX característico Fótões de fluorescência h λ λ = m (1 cos θ) e c Electrões Auger Irradiação secundária A probabilidade de ocorrência do efeito Compton: Z E Z número átomo E energia do fótão Efeito RayleighThonson Quando a interacção entre o fótão e o electrão periférico é insuficiente para produzir excitação ou ionização, a colisão é: Elástica esta difusão só se manifesta para pequenas energias Posteriormente reemitido + ++ Fótão aborvido pelo átomo O fótão é absorvido pelo átomo, sendo posteriormente reemitido, sem qualquer alteração do seu estado energético, mas com uma ligeira mudança de direcção O ângulo de difusão: tanto mais pequeno quanto maior a energia do fótão 28

29 Materialização ou produção de pares Fótões incidentes com energias cinéticas elevadas (> 1,022 MeV) quando passam nas proximidades do núcleo dos átomos do material que atravessam, ficam sujeitos ao intenso capo eléctrico nuclear Nestas circunstâncias pode ocorrer materialização da energia produzindose 1 electrão 1 positrão e E = 511 kev e + e do meio E = 511 kev Positrão (+) 511 kev Energia do fótão 1,022 MeV Electrão () 511 kev O fótão incidente é aniquilado e o excesso de energia que o fótão possuia em relação a 1,022 MeV (energia equivalente a 2 vezes a massa do electrão, no repouso) aparece na forma de: energia cinética do par de electrões E c = ħ ν = 2 m c 2 +E ce+ + E ce 29

30 Positrão (+) 511 kev Energia do fótão 1,022 MeV Electrão () 511 kev Qualquer dos electrões produzidos, tem a capacidade de ionizar átomos (partículas ionizantes secundárias) A energia cinética que possuem vai gradualmente ser utilizada a produzir ionizações Quando o electrão tiver perdido a sua energia cinética combinase com um átomo ionizado do meio Quando o positrão tiver perdido quase toda a sua energia cinética combinase com um electrão negativo do meio desaparecendo as duas massas e produzindose 2 fótões divergentes com 511 kev cada Positrão Electrão 511 kev 2 fótões emitidos em direcções opostas 511 kev E = mc 2 30

31 Quando o electrão tiver perdido a sua energia cinética combinase com um átomo ionizado do meio Quando o positrão tiver perdido quase toda a sua energia cinética combinase com um electrão negativo do meio desaparecendo as duas massas e produzindose 2 fótões divergentes com 511 kev cada A probabilidade de ocorrência de materialização ou produção de pares é aproximadamente proporcional a: Z 2 (E 1,022) Aumenta com o: quadrado do número atómico do material atravessado energia do fótão Reacções fotonucleares Quando os fótões inicdentes têm energias cinéticas muito intensas ( 10 MeV) ao incidirem no núcleo há: emissão de partículas nucleares reacções γ,n reacções γ,p ou seja, os fótões com alta energia ejectam do núcleo um neutrão ou um protão radionuclideos deficitários em neutrões emissores de β+ reacções γ,n 12 C 11 C 14 N 13 N 16 N 15 O 19 F 18 F 31