PROCESSOS DE DECAIMENTO

PROCESSOS DE DECAIMENTO (Transformações Radioactivas) M Filomena Botelho Objectivos Compreender o que são transformações radioactivas Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas Transformações alfa Transformações isobáricas Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas isobáricas Emissão β- Emissão β Captura electrónica 1

Transformações radioactivas Depois de vermos como é que um nuclídeo instável, pode atingir a estabilidade, vamos descrever os diversos processos de decaimento radioactivo São vários os tipos de decaimento radioactico, podendo a transformação de um radionuclídeo, até ser atingido o estado estável, envolver mais do que uma transformação ou processo de decaimento Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna 2

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Emissão α A equação geral que representa este decaimento é: Núcleo de 4 He ejectado do núcleo A A-4 4 Z X Z-2Y 2He Q Alguns núcleos pesados podem libertar simultaneamente 2 protões e 2 neutrões, isto é, 1 núcleo de hélio partícula α = núcleo de hélio 238 92 4 2 234 90 U He Th 23 892 U 4 2He 23 490 Th Partícula α A energia da partícula α relaciona-se com o átomo que a origina 3

Características das partículas α Massa muito pesada Geralmente muito energéticas No ar atravessam alguns cm No tecido atravessam fracção do µm Ocorre principalmente em nuclídeos com Z>82 Do decaimento α pode resultar um nuclídeo-filho: - estado excitado - estável Do decaimento α pode resultar um nuclídeo-filho: - estado excitado - estável estado excitado O nuclídeo-filho tem que emitir radiação, para atingir um estado mais estável A A-4 4 Z X Z-2Y 2He Q Q (energia resultante da desintegração α) corresponde à perda de massa e é igual a: - energia cinética da partícula α - energia de recuo do núcleo emissor - energia dos raios Estável Q = energia cinética da partícula α energia de recuo do núcleo Exemplo: α 1 226 88Ra 222 88 Ra 86Rn 226 4 2 He α 2 222 86Rn 4

As partículas α emitidas por um dado radionuclídeo - ou têm todas a mesma energia - ou distribuem-se por um pequeno número de valores de energia podendo ou não ser acompanhas de emissão Se a energia total correspondente à desintegração for libertada sob a forma de energia cinética de 1 partícula α: não haverá libertação de radiação Se só é emitida parte da energia sob a forma de energia cinética da partícula α: o nuclídeo resultante fica num estado energético superior ao seu estado fundamental, sendo a energia de excitação libertada sob a forma de radiação Por vezes há possibilidade de ocorrerem vários estados de excitação emissão de partículas α com várias energias, acompanhadas de emissão, de tal modo que em todos os processos a energia total é a mesma 5,728 MeV 212 83Bi α α α α α 5,709 MeV 5,729 MeV 5,873 MeV 0,492 MeV 6,161 MeV 0,472 6,201 MeV MeV 0,328 MeV 0,04 MeV 208 81Tl 5

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Transformações isobáricas Processo de decaimento no qual os nuclídeos pai e filho são isóbaros Membros de uma família nuclear com: - mesmo número de massa A - diferente número de protões (Z) e de neutrões (N) Este tipo de transformações podem ocorrer de três maneiras: 1. emissão de β - 2. emissão de positrões β 3. captura electrónica 6

Emissão β A reacção nuclear com emissão β - tem a seguinte forma: - antineutrino A A 0 Z X Z 1Y -1e ν Q partícula β = electrão de origem nuclear 14 6 C 14 7 N e - ν A partícula β e o antineutrino partilham energia 14 6C - 14 7N e - espectro contínuo de energia Características das partículas β Electrões negativos Massa = 0,000548 u.m.a. Velocidade próxima da velocidade da luz No ar penetram alguns cm No tecido atravessam alguns mm As emissões β ocorrem nos: - nuclídeos instáveis com relação N/Z grande (excesso de neutrões) 7

Estes radionuclídeos atingem a estabilidade pela conversão de 1 neutrão num protão com emissão de 1 partícula β : 1 1 0 0 n 1p -1e ν Q Q igual à soma da energia correspondente ao espectro contínuo o valor máximo é igual à energia de ligação A partícula β e o antineutrino partilham energia espectro contínuo de energia Desde 0 até um valor máximo (E max ) A energia β média é aproximadamente igual a: - 1/3 da energia máxima Para explicar o espectro contínuo de energia, Pauli e Fermi, postularam e existência de uma nova partícula, o: - anti-neutrino ( ν ) cuja existência foi provada experimentalmente Nº part. Β Anti-neutrino - ν partícula Sem massa Sem carga E Anti-partícula da partícula β - Transporta o excesso de energia de cada processo de decaimento β - Possui quantidade de movimento e energia, quando emitido E max = E β E ν E E max 8

Nº part. β Anti-neutrino - ν partícula Sem massa Sem carga Anti-partícula da partícula β - E Transporta o excesso de energia de cada processo de decaimento β - Possui quantidade de movimento e energia, quando emitido E max = E β E ν E E max A soma das energias da - partícula β - - anti-neutrino ν dão um valor constante, qualquer que seja a energia da partícula β (quando a partícula β for igual a zero, o anti-neutrino terá a energia máxima E igual a E max ) Exemplo A transformação do fósforo ( 32 P) em enxofre ( 32 S) 32 15 P = S e 32 16 0-1 0 0ν 1,71 MeV 32 15P β 0 22 16S Entre o nuclídeo do P e do S existe uma diferença de energia de: 1,71 MeV Esta energia corresponde à: - energia cinética máxima (E max ) da partícula β 9

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Decaimento por emissão de positões β Ocorre em nuclídeos instáveis que tenham uma: - relação N/Z muito baixa por uma de duas maneiras: - excesso de protões (Z) - deficiência de neutrões (N) neutrino A reacção nuclear com emissão β tem a seguinte forma: A A 0 Z X Z 1Y 1e ν Q positrão 10

Características das partículas β Electrões positivos Outras características são semelhantes às β - Massa = 0,000548 u.m.a. Velocidade próxima da velocidade da luz No ar penetram alguns cm No tecido atravessam alguns mm As emissões β ocorrem nos: - nuclídeos instáveis com relação N/Z pequena (excesso de protrões) - atingem a estabilidade, pela conversão de um protão num neutrão com emissão de uma partícula β 1 1 0 1 p 0n 1e ν Q 1 1 0 1 p 0n 1e ν Q 11

1 1 0 1 p 0n 1e ν Q Esta reacção parece impossível, pois a: - massa do positrão, e a do neutrão é maior do que a massa do protão A sua ocorrência sugere que os outros nucleões devem fornecer a energia necessária Também neste tipo de decaimento neutrino A partícula β e o neutrino partilham energia 15 8 O 15 7 N e ν espectro contínuo de energia 15 8O - 15 7N e O excesso de energia entre a energia esperada (E max ) e a observada em cada processo de decaimento isolado, é transportado pelo neutrino antipartícula do positrão 12

Nº part. β Nas partículas β, devido ao facto da: - interacção coulombiana por parte do núcleo ser repulsiva, ao dar-se a emissão, o valor do pico de energia é mais próximo da E max E E E max Após serem emitidos, os positrões perdem progressivamente a sua energia cinética, entrando em colisão com um electrão do meio, e sofrendo uma: reacção de aniquilação a massa das duas partículas se converte em energia, libertando-se: 2 fótões de igual energia 511 kev em sentidos opostos formando entre si um ângulo de 180º Positrão Electrão 15 8 15 0 O N β 7 1 0 0 ν Nesta reacção, entre o nuclídeo-pai e o nuclídeo-filho existe uma diferença de energia de pelo menos: - 1,022 MeV A energia em excesso entre os 2 estados de energia é dividia entre o: - positrão - neutrino 13

Também neste processo de decaimento, o nuclídeo-filho pode ficar num estado excitado, emitindo radiação para atingir o estado de repouso exemplo 15 15 0 8 O 7 N 1 e 0 0ν 2,722 MeV 15 8O 0 1,722 β 15 7N Emissores β puros Este tipo de desintegração é relativamente raro Nos emissores β puros, toda energia resultante da perda de massa durante a desintegração é transferida para - partícula β - neutrino ν / antineutrino ν sob a forma de energia cinética, atingindo o nuclídeo-filho o estado fundamental após a emissão da partícula β (Não há emissão de radiação ) 14 6C 11 6C 0,155 MeV β 0,96 MeV β 14 7N Carbono-14 Azoto-14 11 5B Carbono-11 Boro-11 14

... Mas geralmente: Partícula β Neutrino ν transportam uma energia total E max : inferior à energia disponível ficando o núcleo resultante com energia de excitação, a qual é libertada sob a forma de um - fótão - vários fótões em cascata Do mesmo modo que na desintegração α, a: radiação emitida consequente à desintegração β tem energias características para cada tipo de desintegração nuclear o processo de emissão β pode, em algumas transformações radioactivas, dar-se segundo vários esquemas Para cada esquema pode ocorrer com maior ou menor probabilidade, diferindo nas: E max energias... Contudo, cada esquema tem: - energia total igual (energia cinética da partícula β energia do fótão ) β β 0,335 MeV β 0,250 MeV β 131 53I 0,6,08 MeV 0,809 MeV 0,163 MeV 0,248 MeV 0,364 MeV 0,657 MeV 0,6722 MeV 131 54Xe 15

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Decaimento por captura electrónica Ocorre em nuclídeos instáveis que tenham uma: - relação N/Z muito baixa Raio-X Transformação de um protão num neutrão Raio-X 16

Raio-X Raio-X Características da captura electrónica Processo de decaimento nuclear O núcleo captura um dos electrões orbitais O electrão capturado pertence a maior parte das vezes à camada K (90%) Captura K ( 10% camada L, 1% camada M) Raio-X Características da captura electrónica Raio-X Processo de decaimento nuclear O núcleo captura um dos electrões orbitais O electrão capturado pertence a maior parte das vezes à camada K (90%) Captura K ( 10% camada L, 1% camada M) A equação nuclear geral da captura electrónica é: A 0 A Z X 1e Z-1Y ν Q 17

Raio-X Raio-X A equação nuclear geral da captura electrónica é: A 0 A Z X 1e Z-1Y ν Q A captura electrónica e a emissão de positrões são processos de decaimento que competem, em certos radionuclídos O nuclídeo resultante produzido por captura de electrão é igual ao que resulta do decaimento por emissão de positrões Raio-X Raio-X A captura electrónica pode ser pensada como o inverso do decaimento β ocorre a união de um electrão com um protão para formar um neutrão, com exceso de energia que é transportada por um neutrino 1 0 1 1 p 1e 0n ν Q n p 1 1 0 0 1 1 β - antineutrino 18

O processo de captação electrónica pode fazer com que o núcleo fique num estado excitado, sendo o excesso de energia libertado sob a forma de: - fótão Quando o núcleo captura um electrão orbital da camada K (L ou M) o átomo fica num estado excitado porque se origina um espaço vago numa das camadas electrónicas mais próximas do núcleo (K, L ou M) Este espaço vazio vai ser preenchido por um: electrão proveniente de uma camada electrónica mais externa, do que resulta: emissão de raios-x característicos ou emissão de electrões auger Característicos do núcleo resultante O electrão orbital mais periférico que vai preencher o estado vazio criado pela captura electrónica por parte do núcleo, vai por sua vez deixar novo espaço vazio, o qual poderá ser preechido de modo análogo ao 1º: o rearranjo das camadas electrónicas pode originar a emissão de vários fotões, em cascata Raio-X Raio-X A detecção de raios-x característicos é o primeiro mecanismo para detectar o processo de decaimento por captura electrónica 19

As radiações electromagnéticas - X - possuem características idênticas... Mas: - os raios-x têm origem em transições electrónicas orbitais - a radiação têm origem nuclear Exemplos: 0,177 MeV CE 125 53I 0,055 MeV 0 MeV 125 52Te (Telúrio) 0,320 MeV 0 MeV CE 10% 51 23V CE 90% 51 24Cr (Vanádio) (Crómio) Outro exemplo: 4,117 MeV 10% CE β 22[ Ne] 10 1,275 MeV 22 0 MeV 10Ne (Neon) 22 11Na 90% 22 0 22 11 Na -1e (K) 10Ne ν A radiação é mantida na equação porque o nuclídeo resultante fica em estado excitado, voltando ao estado fundamental após emissão de radiação 20

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna Objectivos Compreender o que são transformações radioactivas Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas Transformações alfa Transformações isobáricas Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas isobáricas Emissão β- Emissão β Captura electrónica 21

Leitura adicional Biofísica Médica. JJ Pedroso de Lima Capítulo V- pag. 584 a 592 PROCESSOS DE DECAIMENTO (Transformações Radioactivas) M Filomena Botelho 22

Objectivos Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas isoméricas Estados excitados Estados metaestáveis Estados de conversão interna Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna 23

Transformações isoméricas Processo de decaimento no qual os nuclídeos pai e filho são isómeros ou seja: - mesmo número de massa A - mesmo número de protões (Z) mas com níveis energétios diferentes Este tipo de transformações podem ocorrer de três maneiras: 1. estados excitados 2. estados metaestáveis 3. estados de conversão interna Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna 24

Estados excitados Por vezes, o nuclídeo resultante fica num: - estado excitado ou seja, tem um estado energético superior ao compatível com o seu número de: - protões - neutrões Estes nuclídeos passam ao seu estado energético normal, libertando energia sob a forma de: - radiação Muitas vezes, a passagem pelo estado excitado é praticamente instantânea, com tempo de duração muito curto: - entre 10-9 e 10-13 s A reacção nuclear de um estado excitado: A' A' [ Y] ω Q Y ω Q A Z X Z' Z' Como os estados excitados têm duração muito curta, não se obtém a porção média da equação 25

Exemplo: Decaimento do 60 Co para o 60 Ni: 60 27 Co 60 28 Ni β ν 1 2 O 60 Co decai para um: - estado excitado do 60 Ni, por decaimento β 3,99 MeV 60 27Co (Cobalto) β 2,5 MeV 1,33 MeV 0 MeV 1 2 [ ] 60 Ni 28 60 28Ni (Niquel) O Ni passa imediatamente do estado excitado para o estado fundamental através da emissão de: 2 raios A emissão consecutiva a este processo de decaimento, pode ser: - muito simples raios de uma só energia - muito complicada raios de diversas energias Exemplo: - O 206 Bi tem 74 emissões diferentes no seu processo de decaimento - em cascata (um após o outro) β 1 2 60 27Co [ ] 60 Ni 28 60 28Ni - em paralelo (lado a lado) β β β β 131 53I 131 54Xe 26

Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna Estados metastáveis Quando o estado excitado do núcleo, existe durante tempo suficiente, de tal modo que é possível medi-lo (>10-12 seg) chama-se: - estado isomérico ou estado metastável O estado excitado e o estado fundamental do núcleo filho são: isómeros pois têm o: - mesmo A - mesmo Z - só diferindo nos estados de energia 27

A reacção nuclear geral deste processo de decaimento por estado metastável: A A'm Z X Z' Y ω Q A' Z' Y Z' Y A'm m acrescenta-se um m ao número de massa do núcleo com estado excitado, indicando um estado metastável ocm tempo de duração mensurável Os estados metastáveis quando transitam para o estado fundamental, emitem: - radiação Exemplo: Decaimento do 137 Cs para o 137 Ba através do estado 137m Ba : 137m 55 Cs 56Ba β ν 137 137 56 Ba 56Ba 137m 1,176 MeV β 1 137 55Cs (Césio) 0,662 MeV 0 MeV β 2 137m 56Ba T½ = 2,5 min 137 56Ba 28

Exemplo: T½ = 106 min 113m 49In 0,390 kev 113 49In (Índio) β 99 42 Mo (Molibdénio) 6 h 98,6 % 2 kev 140 kev 142 kev 1,4 % 99m 43Tc 99 43Tc (Tecnécio) β 2 x 10 5 anos 99 44Ru (Ruténio) Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna 29

Conversão interna Muitos nuclídeos quando passam de um estado excitado para o estado fundamental, emitem: - radiação O processo de decaimento por conversão interna, ocorre primeiramente nos: estados metastáveis é um processo nuclear, no qual as modificações do estado de energia, se fazem por: - transferência de energia do núcleo para electrões orbitais das camadas mais internas, os quais são posteriormente ejectadas para o exterior do átomo Este processo pode ser considerado como se a radiação que parte do núcleo fosse absorvida internamente por um electrão O electrão de conversão deixa o átomo com uma: - energia cinética igual à energia da radiação menos a energia de ligação do electrão à sua camada E c = ( Ei Ef ) El Este processo deixa o átomo num estado excitado porque se cria um lugar vago, e o átomo perda energia através da saída do electrão da camada mais externa, para ocupar o lugar vago Este processo é acompanhado da emissão de: - Rx característico - electrão auger 30

A possibilidade de ocorrência de um decaimento - por conversão interna ou - por emissão é uma questão de probabilidade, havendo necessidade de se definir uma característica: o coeficiente de conversão interna coeficiente de conversão interna - a É definido para todos os radionuclíde que decaiam por 2 processos, e é igual à: relação entre os electrões de conversão emitidos e os raios- também emitidos Geralmente é definido para cada camada com a maior probabilidade Para a camada K a k = e Exemplo: Podemos agora melhorar o esquema de decaimento do - 137m Ba 137 Ba porque aqui a conversão interna compete com a emissão 1,176 MeV β 1 137 55Cs (Césio) 0,662 MeV β 2 137m 56Ba T½ = 2,5 min 0 MeV e - 137 56Ba 31

Objectivos Saber distinguir os diversos tipos de transformações radioactivas isoméricas Estados excitados Estados metaestáveis Estados de conversão interna Leitura adicional Biofísica Médica. JJ Pedroso de Lima Capítulo V- pag. 584 a 599 32