Interação da radiação com a matéria 8 a aula/9 ª aula i - INTRODUÇÃO ii - IONIZAÇÃO, EXCITAÇÃO, ATIVAÇÃO E RADIAÇÃO DE FRENAGEM iii RADIAÇÕES DIRETAMENTE IONIZANTES iv RADIAÇOES INDIRETAMENTE IONIZANTES
i - INTRODUÇÃO Para que possamos entender as bases da proteção radiológica, dosimetria e teoria de blindagem das radiações, é necessário entendemos os mecanismos pelos quais a radiação interage com a matéria Sob o ponto de vista físico, as radiações ao interagir com um material, podem nele provocar excitação atômica ou molecular, ionização ou ativação do núcleo
ii-ionização, EXCITAÇÃO, ATIVAÇÃO E RADIAÇÃO DE FRENAGEM Excitação Atômica ou molecular: Interação na qual elétrons são deslocados de seus orbitais de equilíbrio e,ao retornarem emitem a energia excedente na forma de luz ou raios X característicos Ionização: Interação na qual elétrons são removidos de seus orbitais, resultando em elétrons livres de alta energia, íons positivos ou radicais livres quando ocorrem quebras de ligações químicas Ativação Nuclear: A interação de radiações com energia superior à a energia de ligação dos nucleons com um material, pode provocar reações nucleares, resultando num núcleo residual e emissão de radiação Radiação de frenagem As radiações constituídas por partículas carregadas, ao interagir com a matéria, pode converter parte de sua energia de movimento (5%), em radiação EM Raios X
iii RADIAÇÕES DIRETAMENTE IONIZANTES Por definição, são aquelas que incluem todas as partículas carregadas, emitidas durante as transformações nucleares, transferindo sua energia ao interagir com elétrons orbitais, ou eventualmente com os núcleos dos átomos do material Existem 2 processos importantes envolvendo a interação com os elétrons orbitais: excitação atômica ou molecular, com a emissão de luz resultante da desexcitação; ionização, que envolve a ejeção de um elétron orbital, resultando na criação de um par iônico.
A ionização absorve para cada tipo de material determinada quantidade de energia para a formação de um par elétron-ion No ar necessita gastar (33,85+-0,15)eV na formação deste par
As ionizações são a origem dos efeitos que se produzem no meio atravessado pela radiação: Stoping Power S: É a medida da taxa média pela qual as partículas perdem energia em um dado meio S = de/dx S de dx 4 4 e z 2 m v 2m0v B Z ln I 0 2 2 NB 2 2 ln(1 )
Alcance, R,de uma partícula no material (range) O alcance R de uma partícula em um meio absorvedor é definido coma a penetração neste meio até que sua energia cinética entre em equilíbrio térmico com as partículas do meio, após um percurso direto ou em zig-zag Este alcance pode ser: Alcance médio, R m, quando I/I 0 =1/2 Alcance extrapolado, R e, tomado no eixo x, quando a posição final da partícula não é bem definida Alcance máximo R max corresponde ao maior valor penetrado dentro de um material
iii.1 PARTÍCULAS α Têm energias bem definidas são duplamente carregadas movem-se com velocidades da ordem de 0,1 c possuem ionização específica bem alta poder de penetração limitado
O alcance pode ser expresso semi-empiricamente: <R>= 0,318 E 3/2 3<E< 7 O alcance ar ou em outro material depende da natureza da fonte, ja que dela depende a energia das partículas: Elemento Meia-vida Energia (MeV) Alcance no ar (cm) Th 232 1,39 x 10 10 4,0 2,5 U 235 7,13 x 10 8 4,4 e 4,6 2,9 e 3,1 U 233 1,62 x 10 5 4,8 3,3 Pu 239 2,41 x 10 4 5,1 3,6
iii.2 Elétrons Perdem energia principalmente pelas ionizações que causam no meio material e em segunda instância, pela radiação de frenagem. São partículas leves, cuja trajetória é irregular podendo sofrer retroespalhamento
Alcance para elétrons
iii.3 PARTÍCULAS β Mecanismo Interação com Consequência Colisão elétrons ionização Efeitos sobre o excitação meio transf. térmicas Bremsstralung núcleos Raios X
Atenuação de partículas β I I 0 e x
A relação entre o alcance (em mg/cm ) e a energia ( MeV), pode ser expressa: R = 0,54E - 0,133 R = 0,407E 1,38 R = 530E - 106 E > 0,8 MeV 0,15 MeV < E < 0,8 MeV 1,0 MeV < E < 20 MeV Alcance no ar Energia (MeV) Alcance (m) 0,1 0,11 0,5 1,5 1,0 3,7 2,0 8,5 3,0 13
Alcance:
iii.4 FRAGMENTOS DE FISSÃO Fragmentos de fissão são íons carregados de átomos de número de massa médio, com alta energia cinética, oriundos da fissão nuclear Baixa velocidade (α de 4 MeV) Devido à alta carga iônica, a ionização específica dos fragmentos é alta Por terem baixas velocidades, a ionização decresce ao longo da o trajetória
Alcances dos fragmentos leves de fissão. Substância Densidade (10 3 Kg/m 3 ) Alcance (μm) Alumínio 2,7 13,7 Ferro 7,86 6,6 Zircônio 6,4 9,1 Urânio 18,9 6,7 U0 2 (dióxido de 10,0 10,0 Urânio)
iv - RADIAÇÕES INDIRETAMENTE IONIZANTES Interação de Neutrons RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS: γ,x ABSORÇÃO FOTOELÉTRICA ESPALHAMENTO COMPTON PRODUÇÃO DE PARES PROCESSOS INTEGRADOS DE INTERAÇÃO: DISSIPAÇÃO DE ENERGIA
Interação com nêutrons Interagem por colisão direta com o núcleo Classificação segundo a energia lentos 0,03 ev < n < 100 ev intermediários 100 ev < n < 10 ev rápidos 10 kev < n < 10 kev alta energia n > 10 MeV ou térmicos n 0,025 ev epitérmicos 1 ev < n < 100 kev rápidos n > 100 kev
a- ABSORÇÃO FOTOELÉTRICA Acontece quando a radiação X, ou γ transfere sua energia total para um único elétron orbital ejetando-o do átomo com velocidade (processo de ionização). O processo de troca de energia pela equação: Ec = h.f - Elig, sendo Ec a energia cinética, h.f a energia do raio X ou γ incidente e Elig a energia de ligação do elétron ao seu orbital Este elétron expelido do átomo é denominado fotoelétron e poderá perder a energia recebida do fóton, produzindo ionização em outros átomos A direção de saída do fotoelétron com relação à de incidência do fóton, varia com a energia deste.
Valores para seção de choque para o efeito fotoelétrico, em função da energia da radiação
b- ESPALHAMENTO COMPTON Quando a energia da Radiação X ou γ aumenta, o espalhamento Compton torna-se mais freqüente que o efeito fotoelétrico. O efeito Compton é a interação de um raio X ou γ com um elétron orbital onde parte da energia do raio X ou γ incidente é transferida como energia cinética para o elétron e o restante é cedida para o fóton espalhado, levando-se em consideração também a energia de ligação do elétron. O fóton espalhado terá uma energia menor e uma direção diferente da incidente.
b- PRODUÇÃO DE PARES h E E 2 h 2 m0 c K K A produção de pares ocorre somente quando fótons de energia igual ou superior a 1,02 MeV passam próximos a núcleos de elevado número atômico. Nesse caso, a radiação X ou γ interage com o núcleo e desaparece, dando origem a um par elétron-pósitron com energia cinética em diferente proporção. O pósitron e o elétron perderão sua energia cinética pela ionização e excitação.
A Determinação da Existência do Pósitron Carl David Anderson, Prêmio Nobel de 1936, pela descoberta do pósitron. Carl David Anderson - 1905-1991
O Fenômeno da Aniquilação de Pares Um elétron e um pósitron, estando próximos um do outro, se unem e são aniquilados. A matéria desaparece e em seu lugar obtemos energia na forma de radiação (fótons de Raios- ).
Quando elétron e pósitron estão em repouso, a conservação do momento linear prediz que os fótons de Raios- criados devem sair do processo na mesma direção e em sentidos opostos. Isto mostra que neste processo são criados sempre, ao menos dois fótons de Raios-.
Energia do fóton nos processos competitivos 120 100 80 60 Efeito fotoelétrico dominante Produção de pares dominante 40 20 Efeito Compton dominante 0,01 0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 Energia do fóton, MeV
PROCESSOS INTEGRADOS DE INTERAÇÃO: DISSIPAÇÃO DE ENERGIA