Dosimetria e Proteção Radiológica

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1 Dosimetria e Proteção Radiológica Prof. Dr. André L. C. Conceição Departamento Acadêmico de Física (DAFIS) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI) Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Conteúdo Fundamentos de Física Atômica e Nuclear Propriedades e Produção de Raios X Interação da Radiação com a Matéria Grandezas Dosimétricas Equipamentos medidores de radiação André L. C. Conceição Slide 2 Conceito de átomo e núcleo Z: número atômico A: número de massa N=A-Z= número de neutrons 1 uma = 1,6605 x10-27 kg =1/12 M( 12 C) E= mc 2-1uma 931,5MeV Partícula Carga (C) Massa (uma) Próton +1,6x ,00727 Neutron 0 1,00866 Elétron Pósitron -1,6x , ,6x , Classificação dos átomos Z N A Isótopos = Isótonos = Isóbáros = Isômeros = = = 1

2 Mecanismos de radiação de um átomo Quando temos transições eletrônicas entre estes níveis, ou seja, entre um estado excitado e outro, temos produção de REM (raios X característicos) Massa e Energia Massa como forma de energia Energia de repouso 1uma = 1, kg André L. C. Conceição Slide 5 Energias de ligação dos núcleos A massa real de um núcleo é menor que a soma das massas dos nucleons que os constituem. A diferença de massa, corresponde à energia necessária para romper o átomo em suas partículas constituintes, denominada Energia de Ligação do Núcleo (E B ). (energia de ligações) (energia de ligação por núcleon) André L. C. Conceição Slide 6 2

3 Energias de ligação dos núcleos 2 2 2, ( ) ncl (, ) E Z A Zm c A Z m c M Z A c B p n E 931,5 MeV 1uma E 0,0305uma 931,5MeV uma 28,41MeV André L. C. Conceição Slide 7 Mecanismos de radiação de um núcleo Níveis de Energia de um núcleo Quando um núcleo está em um estado excitado, ele decai ao estado de menor energia emitindo radiação γ. André L. C. Conceição Slide 8 Núcleos Estáveis e Instáveis Radioatividade Natural Artificial André L. C. Conceição Slide 9 3

4 Radioatividade Natural vs Artificial Partículas nucleares em constante movimento colisões e transferência de energia de uma partícula para outra. Se E partícula > E b a partícula pode escapar do núcleo (Radioatividade Natural) Novos isótopos são produzidos pelo bombardeamento de núcleos estáveis com neutrons, prótons de alta energia, partículas alfa, raios gama, etc. (Radioatividade Artificial) André L. C. Conceição Slide 10 Decaimento radioativo André L. C. Conceição Slide 11 Atividade Não é possível dizer quando um dado átomo se desintegrará. Porém, na média, nós podemos prever que em um intervalo de tempo, chamado meia-vida, metade dos átomos iniciais terão se desintegrado. Atividade: número de desintegrações por unidade de tempo. (decaimento radioativo) Unidades 1 bequerel (Bq) = 1 desintegração por segundo 1 curie (Ci) = 3, Bq André L. C. Conceição Slide 12 4

5 Decaimento Exponencial Desintegração radioativa é a transformação de um nuclídeo pai para outro filho. Cada elemento possui uma constante de desintegração simbolizada por λ. Esta constante é característica do pai e independe de qualquer condição físico-química da amostra radioativa. (taxa de decaimento) cte. de decaimento (ou de desintegração) (decaimento radioativo) André L. C. Conceição Slide 13 Meia-vida e vida-média Meia-vida T 1/2 N, R ½ N 0, ½ R 0 Vida-média t N, R 1/e N 0, 1/e R 0 André L. C. Conceição Slide 14 Verificação O nuclídeo 131 I é radioativo, com uma meia-vida de 8,04 dias. Ao meio dia de primeiro de janeiro, a atividade de uma certa amostra é 600 Bq. Usando o conceito de meia-vida, determine, sem fazer cálculos por escrito, se a atividade da amostra ao meio dia de 24 de janeiro será um pouco menor que 200 Bq, um pouco maior que 200 Bq, um pouco menor que 75 Bq ou um pouco maior que 75 Bq. André L. C. Conceição Slide 15 5

6 Exercícios e problemas A meia-vida de um isótopo radioativo é 140 dias. Quantos dias são necessários para que a taxa de decaimento de uma amostra deste isótopo diminua para um quarto do valor inicial? André L. C. Conceição Slide 16 Modos de Decaimento Decaimento Alfa ( ) Decaimento Beta ( - ) Decaimento Beta ( + ) Captura Eletrônica ( ) Decaimento Gama ( ) André L. C. Conceição Slide 18 6

7 Emissão Gama Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton, acabando em um estado de menor energia de excitação ou no seu estado fundamental * 240 Pu Pu F887 Física André Nuclear, L. C. Conceição Aula Slide 19 Decaimento Radioativo Decaimento α, β Captura Eletrônica Conversão Interna André L. C. Conceição Slide 20 Decaimento α Notação: A Z X Y He Q A 4 4 Z 2 2 Energia Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4 He. Normalmente ocorre para núcleos pesados (A>150) Normalmente é seguido por emissão e raios X característicos A alfa é partícula pesada e de baixo poder de penetração - (alguns cm no ar) Espectro de energia discreto Carga elétrica + 2e ; 4x mais pesada p ou n; André L. C. Conceição Slide 21 7

8 Decaimento α Ra Rn He MeV André L. C. Conceição Slide 22 Exercícios e problemas Os radionuclídeos pesados emitem partículas alfa em vez de outras combinações de núcleons porque as partículas alfa formam uma estrutura particularmente estável. Para confirmar esta tese, calcule as energias de desintegração para as reações hipotéticas a seguir e discuta o significado dos resultados: (a) (b) (c) dados c 2 = 931,5 MeV/u André L. C. Conceição Slide 23 (a) Solução (b) < 0 > 0 (c) < 0 André L. C. Conceição Slide 24 8

9 Decaimento β - n p e Notação: A Z X Y e Q A Z 1 André L. C. Conceição Slide 25 Decaimento β - André L. C. Conceição Slide 26 Decaimento β + p energia n e A Notação: Z X Y e Q A Z 1 André L. C. Conceição Slide 27 9

10 Decaimento β + André L. C. Conceição Slide 28 Espectro Decaimento β - Espectro Contínuo + E max ( - ) 571 KeV Só pode ser certo se existe outro corpo, o neutrino ( ) E max ( + ) 657 KeV Energia Cinética de partículas (KeV) André L. C. Conceição Slide 29 O neutrino Wolfgang Pauli propos (1930) The neutrino collides with a proton in the water and creates a positron and a neutron. The positron is slowed down by the water and destroyed together with an electron (matter meets antimatter), whereupon two photons (light particles) are created. These are recorded simultaneously in the two detectors (Fig. 3). The neutron also loses velocity in the water and is eventually captured by a cadmium nucleus, whereupon photons are emitted. These photons reach the detectors a microsecond or so later than those from the destruction of the positron and give proof of neutrino capture. Frederick Reines detectou (1953) Junto com Clyde L. Cowan Jr. André L. C. Conceição Slide 30 10

11 Detectando neutrinos 1998 The neutrino detector for the Super-Kamiokande experiment in Japan contains ultra pure water surrounded by an array of thousands of photo-tubes, arranged to catch the flashes of light from neutrino interactions in the water. André L. C. Conceição Slide 31 Detectando neutrinos André L. C. Conceição Slide 32 Exercício Dado o decaimento β - abaixo e sabendo que o P-32 e o S-32 tem respectivamente 31, e 31, u.m.a., respectivamente, encontre o energia cinética entregue à partícula β - em termos de u.m.a. Dado: m e = 0, u.m.a André L. C. Conceição Slide 33 11

12 Solução Massa do núcleo do P-32 Massa do núcleo do S-32 31, m e Massa do neutrino 0 Massa do β - 1m e 31, m e Massa total 31, m e 31, m e Energia entregue ao β - (u.m.a.) 0, u.m.a. André L. C. Conceição Slide 34 Exercício Dado o decaimento β + abaixo e sabendo que o N-13 e o C-13 tem respectivamente 13, e 13, u.m.a., respectivamente, encontre o energia cinética entregue à partícula β + em termos de u.m.a. Dado: m e = 0, u.m.a André L. C. Conceição Slide 35 Solução Massa do núcleo do N-13 Massa do núcleo do C-13 13, m e Massa do neutrino 0 Massa do β + 1m e m e Massa total 13, m e m e Energia entregue ao β - (u.m.a.) André L. C. Conceição Slide 36 0, u.m.a. - 2m e (2 x 0, u.m.a)= u.m.a. 12

13 A radioatividade e a carta de nuclídeos decaem emitindo pósitrons decaem emitindo André elétrons L. C. Conceição Slide 37 Captura de elétrons Decaimento por captura eletrônica (EC) é um processo alternativo de decaimento β +. e p n Geralmente ocorre em radionuclídeos deficientes em nêutrons. O elétron é normalmente capturado das camadas mais internas do átomo (K), mas pode também ser dos níveis de energia maior, como os níveis L, M ou N. Uma vez dentro do núcleo, o elétron interage (interação fraca) com um próton resultando em um nêutron e liberando um neutrino. Esquema do decaimento: A A Z X e Z 1Y e Transformação isobárica e Exemplo: I e 125 Te * 52 e Captura de Elétrons 13

14 Conversão Interna Durante um processo de emissão γ, esta radiação que está saindo do núcleo pode arrancar um e - (chamado de e - de conversão) que terá energia cinética K=hν-E b. Este processo ocorre mais comumente com átomos pesados do que com átomos leves. Acompanha sempre a este efeito a emissão de raios X característicos, produto do preenchimento da lacuna deixada pelo e -. André L. C. Conceição Slide 40 Conversão Interna O processo de conversão interna é importante apenas quando a transição é de baixa energia, e para elétrons da camada mais interna K (n=1), em núcleos pesados. André L. C. Conceição Slide 41 Elétrons Auger Fenômeno análogo ao de conversão interna, porém acontece com raios X. Resultado: Espectro discreto de e - Auger. André L. C. Conceição Slide 42 14

15 Resumo: Mecanismos de Decaimento Decaimento Alfa ( ) Decaimento Beta ( - ) Decaimento Beta ( + ) Captura Eletrônica ( ) Decaimento Gama ( ) André L. C. Conceição Slide 43 Energia Absorvida no decaimento radioativo André L. C. Conceição Slide 44 15