Radiação & Saúde FQ 10º ano - Das Estrelas ao Átomo O tema deste documento é o uso da radiação como meio de diagnóstico em medicina. Abordamse as fontes de radiação natural e artificial, as radiações ionizantes e não ionizantes e algumas aplicações típicas.
2 CONTEÚDO O Big Bang... 3 Fontes de Radiação... 4 Raios X... 7 TAC... 8 Radioisótopos... 8 Ressonância Magnética Nuclear... 8 Comparação entre técnicas de diagnóstico... 10 Grandezas e unidades... 10 Bibliografia... 11 Anexo 1 Aplicações Médicas da Radiação... 12 Radioisótopos... 12
3 RADIAÇÃO & SAÚDE O BIG BANG Para falar sobre radiação é importante retomar a teoria do Big Bang, a interpretação do que ocorreu, ajuda os investigadores a explicar o que acontece hoje no universo, em particular, os diversos tipos de radiação natural. Esta teoria afirma que toda a matéria do universo estava concentrada e se começou a expandir rapidamente. Os átomos, os elementos da tabela periódica, as galáxias, as estrelas e os planetas e terse-ão formado à medida que o universo se ia expandindo e arrefecendo. Inicialmente pensava-se que todos os elementos, dos mais leves aos mais pesados, tinham sido originados nos primeiros instantes do Big Bang, quando a pressão e a temperatura eram suficientemente altas para promover a fusão dos núcleos leves em núcleos mais pesados. Porém o processo interrompe-se com o 7 Li, pois, com a expansão, a densidade e a temperatura decrescem rapidamente, não sendo suficientes para novas reacções envolvendo núcleos mais pesados. Não era possível responsabilizar o Big Bang, pela criação dos elementos mais pesados. A maior parte dos elementos químicos que podemos observar é originada em processos que ocorrem no interior das estrelas, ou seja, processos de nucleossíntese estelar, em que a transformação de um elemento num outro é um subproduto da energia nas estrelas. De maneira geral podemos subdividir esses processos em reacções nucleares que ocorrem durante a vida de todas as estrelas, e em processos que ocorrem somente nos estágios finais de estrelas de grande massa ou em explosões de supernovas. Alguns tipos de radiação corpuscular (partículas alfa e beta) e um dos tipos de radiação eletromagnética (raios gama) podem ser compreendidos a partir da síntese dos elementos, através da fusão nuclear. Ou da divisão de núcleos mais pesados em mais leves, através da cisão nuclear. É nos núcleos atómicos que se concentra a maior parte da massa dos átomos. Cada átomo caracterizado por um determinado número atómico, Z, pode ter vários núcleos possíveis. Todos têm o mesmo número de protões, Z, mas diferem no número N de neutrões. A soma Z+N dá o total de nucleões e designa-se por número de massa, A. Os diferentes núcleos com o mesmo número atómico e diferente número de massa, designam-se por isótopos. Por exemplo, conhecem-se quinze isótopos do elemento oxigénio (Z = 8) com números de massa que vão de A=12 a A=26. Destes, apenas os de número atómico A = 16, 17 e
4 18 são estáveis e o primeiro 16 O corresponde a mais de 99% do oxigénio natural. Os restantes são radioactivos, isto é, transformam-se espontaneamente noutros núcleos. O mercúrio 197 ( 197 Hg 80 ) transforma-se em ouro 197( 19 7 Au 79 ). O sonho dos alquimistas, transmutar elementos noutros e em particular os metais no metal mais nobre de todos, o ouro, é feito "voluntariamente" pela Natureza (Barroso, 2002). Quando um núcleo instável decai, pode fazê-lo através de três formas, emitindo: Uma partícula alfa Uma partícula beta Um raio gama Muitas das substâncias radioactivas emitem partículas alfa, partículas beta, e raios gama. De facto não existem fontes puras de radiação gama: tudo o que emite radiação gama emite também partículas alfa ou beta. A Terra sempre esteve sujeita à radiação cósmica e da sua constituição sempre fizeram parte elementos radioactivos, pelo que temos vivido num ambiente naturalmente radioactivo. A radioactividade pode ter origem natural ou artificial. FONTES DE RADIAÇÃO A maior parte da radiação a que estamos expostos ocorre de forma natural, como se pode observar nos dois gráficos seguintes. FIGURA 1 DISTRIBUIÇÃO DAS PRINCIPAIS FONTES DE RADIAÇÃO EXTRAÍDO DE HTTP://WWW.DCT.UC.PT/LRN/RN.HTML
5 FIGURA 2 FONTES DE RADIAÇÃO EM UK EXTRAÍDO DE HTTP://HOME.CLARA.NET/DARVILL/NUCRAD/SOURCES.HTM Existem basicamente quarto fontes principais de radioactividade (Reis, 2007): (1) Libertação de radão para a atmosfera. O radão ( 222 Rn) é um gás radioactivo que ocorre nas rochas, nos solos, no ar e na água. É gerado por decaimento do urânio ( 238 U), elemento químico presente em quantidades variáveis nas rochas. É um gás incolor e inodoro; daí que não se torne óbvio o risco a ele associado, em particular nas casas de habitação, onde, aliás, tende a concentrar-se. O principal mecanismo de transmissão do radão para espaços confinados resulta da introdução deste gás nas habitações a partir do subsolo (através de fissuras e juntas mal seladas nas fundações) mas pode tornar-se ocasionalmente importante a contribuição dos materiais de construção ou ainda a utilização de água enriquecida em radão proveniente de captações próprias, caso em que parte do gás se pode libertar para o ar interior durante a utilização dessa água. (2) Formação dos radionuclidos cosmogénicos através da interacção da radiação cósmica com gases atmosféricos como o carbono, o azoto e o oxigénio.
6 FIGURA 3 INTERACÇÃO DA RADIAÇÃO CÓSMICA COM A ATMOSFERA (REIS, 2007) Existem dois tipos de radiação que chegam até nós a partir do espaço: a radiação cósmica de fundo ( microondas); a radiação cósmica (também conhecida como raios cósmicos). A primeira tem carácter electromagnético e remonta ao período inicial da formação do Universo. Não é prejudicial aos seres vivos da Terra, mas pode interferir com alguns meios de comunicação, trata-se de radiação não ionizante. A segunda possui carácter corpuscular e alta energia, assim pode-se concluir que ela é formada de partículas extremamente penetrantes (chamadas de radiação cósmica primária), que ao atingir os núcleos dos átomos da atmosfera dão origem a outras partículas com menor energia, sendo chamadas de radiação cósmica secundária. A radiação cósmica primária é constituída em grande parte de protões e de partículas alfa (núcleos de Hélio). Esta radiação pode ser perigosa para os astronautas quando se encontram no espaço. Os raios cósmicos primários interagem com os átomos presentes na atmosfera e criam a radiação cósmica secundária, Figura 3. (3) Radioactividade natural tecnologicamente aumentada Entre as indústrias não nucleares mais importantes, do ponto de vista das emissões de radionuclidos naturais, encontra-se a de produção de energia eléctrica, particularmente as centrais térmicas a carvão. (4) Radioactividade artificial resulta de várias actividades humanas: Testes nucleares Produção de energia eléctrica Acidentes em instalações nucleares
7 Produção e utilização de radioisótopos para a indústria, medicina e investigação. Segue-se as aplicações em medicina, da radiação e dos radioisótopos. RAIOS X Os raios X são radiação electromagnética de alta frequência entre 10 17 e 10 21 Hz. Comportam-se como ondas, de c.d.o, λ e frequência, f, e como partículas ou quanta de energia E. Estes pacotes de quanta são também conhecidos por fotões de Raios X. Para produzir raios X, primeiro, por emissão termiónica, os electrões são emitidos por um filamento aquecido, em seguida, são acelerados através do tubo de Raios X. Ao atingirem o alvo, os electrões perdem a maior parte da sua energia em colisões com os electrões do alvo (cerca de 99%). Só cerca de 1% da energia é convertida em radiação X, Figura 4. FIGURA 4 TUBO DE RAIOS X Os exames de raios X fornecem apenas imagens bidimensionais. Por vezes, para exames mais profundos, são necessárias imagens mais detalhadas de que um simples raios X, recorrendo-se assim ao TAC.
8 TAC A Tomografia axial Computorizada resulta do bombardeamento da zona em estudo por feixes bidimensionais de raios x, que rodam ao longo de um eixo, Figura 5. A informação resultante é submetida a um processo complexo de tratamento do qual resultam imagens 3D de elevada qualidade. FIGURA 5 ASPECTO INTERNO DE UM EQUIPAMENTO DE TAC EXTRAÍDO DE HTTP://EN.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/COMPUTED_TOMOGRAPHY O preço a pagar, face ao aumento de qualidade do exame, é a quantidade de radiação ionizante a que o paciente é exposto. RADIOISÓTOPOS Podem usar-se como traçadores radioactivos, permitindo seguir o seu percurso ao longo do corpo humano, ou concentrados num determinado órgão, permitem uma imagem detalhada da zona a examinar. No anexo I apresentam-se tabelas com algumas aplicações típicas. RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR A ressonância Magnética nuclear usa radiação não ionizante. Os núcleos dos átomos do nosso corpo comportam-se como pequenas barras magnéticas - Nuclear. Submetidas a um campo magnético intenso as barras tendem a alinhar-se com o campo magnético - Magnética. Quando o corpo receber um impulso de uma frequência de rádio, os núcleos com frequência igual à da radiação incidente, entram
em ressonância e absorvem rvem energia - Ressonância. No final do impulso, os núcleos reenviam a energia, induzindo um sinal na mesma frequência de rádio, num condutor fora do corpo. O sinal MRI,, Figura 6. O Hidrogénio é o elemento mais usado por ser abundante no organismo e por gerar sinais MRI facilmente detectáveis. FIGURA 6 ESQUEMA DA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
10 COMPARAÇÃO ENTRE TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO Na tabela seguinte faz-se uma comparação as três técnicas de diagnóstico estudadas. GRANDEZAS E UNIDADES Só é possível referir a intensidade da radiação ionizante quando conhecemos as grandezas e as unidades que a representam, actividade, exposição, dose absorvida e dose equivalente. A actividade representa o número de núcleos da amostra radioactiva que sofreram desintegração por unidade de tempo. A unidade SI é o becquerel (Bq) e equivale a uma desintegração por segundo. Antigamente usava-se o curie (Ci) e o factor de conversão entre as duas unidades é: 1 Ci = 3,7 x 10 10 Bq. A exposição é definida como a quantidade de carga eléctrica, gerada pela radiação através da ionização, por unidade de massa do ar. A unidade dessa grandeza foi primeiramente definida como roentgen (R), mas no Sistema Internacional de Unidades usa-se coulomb por quilograma (C/kg) e o factor de conversão entre essas unidades é 1 R = 2,58 x 10-4 C/kg. Essa grandeza é definida para raios X ou gama no ar. A dose absorvida é a quantidade de energia cedida pela radiação ionizante por unidade de massa da matéria. Essa grandeza é definida para qualquer
11 tipo de radiação ionizante em qualquer meio por onde ela se desloque e usa-se em radioterapia. No Sistema Internacional de Unidades utiliza-se como unidade o gray (Gy). Esta equivale à unidade joule por quilograma (J/kg). Não há factor de conversão entre elas, assim 1 Gy = 1 J/kg. Diferentes tipos de radiação podem provocar os mesmos efeitos biológicos para quantidades bem diferentes de doses absorvidas. Por exemplo, é necessária uma dose maior de radiação gama do que de neutrões para provocar o mesmo efeito no organismo. A dose equivalente, usada em protecção radiológica, é obtida através do produto entre a dose absorvida e o factor de qualidade, que expressa a proporcionalidade entre o dano sofrido e o número de ionizações produzidas por unidade de comprimento do meio onde a radiação se propaga. Esse factor é adimensional e possui diferentes valores para diferentes tipos de radiação, a saber: vale 1 para radiações X, beta e gama e 20 para radiação alfa (esses valores estão tabelados em publicações técnicas do ramo). A unidade da dose equivalente no Sistema Internacional de Unidades é o sievert (Sv), sendo que os factores de conversão entre o Sv, o J/kg e o rem (roentgen equivalent man) são: 1 Sv = 1 J/kg = 100 rem. A proteção radiológica leva em consideração os valores de doses aos quais os indivíduos podem ficar expostos num ano sem que haja prejuízo para a sua saúde durante toda a sua vida. Para cada parte do corpo humano é especificado um limite anual para a dose equivalente, e para o corpo inteiro a dose equivalente efectiva anual corresponde a 5 rem (0,05 Sv). BIBLIOGRAFIA Reis, C. M. J.(2007). A radioactividade e o ambiente. Gazeta de Física, nº1, http://nautilus.fis.uc.pt/gazeta/. Consultado em 29 de Maio de 2009 Barroso, A. (2002). Dos átomos aos Quarks. Gazeta de Física, nº1. http://nautilus.fis.uc.pt/gazeta/. Consultado em 29 de Maio de 2009 http://www.deco.proteste.pt/prevencao/radao-um-inquilino-indesejavel-s348991.htm Consultado em 29 de Maio de 2009 Pope, J. (1998). Medical Physics: Imaging. Heinemann. Vaz, F., Cadilhe, A. (2006). Tópicos de Física Moderna no Ensino Secundário. Gradiva.
ANEXO 1 APLICAÇÕES MÉDICAS DOS RADIOISÓTOPOS 12
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