Aula 1 Conceitos Básicos sobre Radiação
Introdução O que vamos discutir? Tipos e características das radiações Teoria dos quanta Dualidade onda-partícula Microscópio eletrônico A radiação é a propagação de energia sob várias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos: Radiação Corpuscular e Radiação Eletromagnética
RADIAÇÃO CORPUSCULAR É constituída de um feixe de partículas elementares, ou núcleos atômicos, tais como: elétrons, prótons, neutrons, deuterons, partículas alfa, etc. Energia Cinética v << c K 1 mv 2 2 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA São constituídas de campos elétricos e magnéticos oscilantes e se propagam com velocidade constante c no vácuo. Exemplos: Ondas de rádio, luz visível, raios infravermelhos, raios ultra-violetas, raios X, raios gama, etc. f λ: comprimento de onda f: frequência v: velocidade da onda
Teoria dos Quanta Max Planck (1901) Albert Einstein (1905) A radiação eletromagnética é emitida e se propaga descontinuamente em pequenos pulsos de energia, chamados pacotes de energia, quanta ou fótons. (Caráter Corpuscular) O que são Fótons? Sem carga e Massa de Repouso nula Todos os fótons, numa dada freqüência, possuem a mesma energia h é a constante de Planck e vale 6,63 34 j s E E hf hc
Dualidade Onda-Partícula Louis de Broglie (1924) A matéria possui características ondulatórias e corpusculares... mv h λ é o comprimento de onda de de Broglie Unidade de Energia eletron-volt 1eV 1MeV 1,6 6 ev 19 J
Aplicação Microscopia A capacidade de resolução dos microscópios ópticos é limitada pelos efeitos da difração da luz (visível 0,4 a 0,7μm) Microscópio de Hooke, de uma gravura de seu livro Micrographia O microscópio eletrônico supera essa dificuldade, pois os comprimentos de onda associados aos elétrons são muito menores que o da luz visível
Microscópio Eletrônico O funcionamento do microscópio eletrônico se baseia nas propriedades ondulatórias do elétron!! São possíveis aumento de 350.000 vezes!!
Cápsulas de musgo (escala 16:1) Cápsulas de musgo seco liberam seus esporos. Os musgos estão entre os mais antigos vegetais do planeta. Essa imagem é a maior já tirada com ajuda de um microscópio eletrônico. O original mede 1,5 por 2,5 metros. ( Martin Oeggerli)
Bactérias intestinais E. coli (escala 57'800:1) As bactérias Escherichia Coli medem cerca de um milésimo de milímetro. Pela facilidade de cultura, elas são utilizadas freqüentemente na pesquisa científica. ( Martin Oeggerli)
Superfície de uma pteridófita aquática (escala 130:1) O tamanho dos folíolos das pteridófitas aquáticas não ultrapassa meio centímetro. Sua superfície é coberta de uma grande quantidade de asperidades que expelem a água e deixam a planta insubmergível. ( Martin Oeggerli)
Tipos de Radiação Radiação Alfa São núcleos de átomos de Hélio (2p + 2n) Perdem 33eV por ionização A distância que uma partícula percorre até parar é chamada alcance. Aumentando-se a energia, aumenta-se o alcance. O alcance diminui se a densidade do meio aumentar
Como são produzidas as partículas Alfa? A desintegração Alfa segue o modelo: Exemplo: A energia das partículas Alfa tem um caráter discreto, ou seja valores próprios para cada decaimento. Por exemplo: Neste caso 77% das partículas são emitidas com 4,2 MeV, 23% com 4,15 MeV e 0,23% com 4,04 MeV.
Tipos de Radiação Radiação Beta São elétrons (e - ) e pósitrons (e + ), que são muito mais penetrantes que as partículas alfa A radiação beta, ao passar por um meio material, também perde energia ionizando os átomos que encontra no caminho. Para blindar a radiação beta pode-se usar plástico ou alumínio.
Como são produzidas as partículas Beta? A desintegração Beta segue o modelo: Exemplo: Alguns radioisótopos de interesse biológico são:
Tabela 1: Alcance das partículas alfa e beta no ar, no tecido humano e no Alumínio (OKUNO, E. 1982) Energia (MeV) Alcance (cm) Partículas alfa Ar Tecido Humano Alumínio 1,0 0,55 2,0 1,04 3,0 1,67 4,0 2,58 5,0 3,50 0,33 0,63 1,00 1,55 2, 2 2 2 2 2 0,32 0,61 0,98 0,50 2,06 Partículas beta Ar Tecido Humano Alumínio 0,01 0,23 0,1 12,0 0,27 1,51 3 2 4,3 5,9x 0,5 150,0 0,18 1,0 420,0 0,50 0,15 2,0 840,0 1,00 0,34 3,0 1260,0 1,50 0,56 3 2 3 3 3 3 3
Tipos de Radiação Neutrons São partículas sem carga e não produzem ionização diretamente, mas o fazem indiretamente, transferindo energia para outras partículas carregadas que, por sua vez, podem produzir ionização Os neutrons percorrem grandes distâncias através da matéria, antes de interagir com um núcleo dos átomos que compõe o meio São muito penetrantes, podem ser blindados com materiais ricos em hidrogênio como parafina ou água
Tipos de Radiação Radiação Gama São ondas eletromagnéticas extremamente penetrantes, produzidas por elementos radioativos ou em processos subatômicos como a produção de pares. Por causa de sua alta energia são muito mais penetrantes do que as partículas Alfa ou Beta. Interagem com a matéria pelo efeito fotoelétrico, pelo efeito Compton ou pela produção de pares (e o que acontece?) Pode perder toda ou quase toda energia em uma única interação. Tudo o que se pode prever é a distância em que ela tem 50% de chance de interagir. Essa distância se chama semi-redutora.
Efeito Fotoelétrico Espalhamento Compton Produção e Aniquilação de Pares
Tipos de Radiação Raios X São ondas eletromagnéticas, exatamente como os raios gama, diferindo apenas quanto à origem. Os gamas se originam dentro do núcleo atômico, enquanto que os Raios X têm origem fora do núcleo, na desexcitação dos elétrons
Tabela 2: Camadas semi-redutoras no tecido humano e no chumbo para os raios X e gama (OKUNO, E. 1982). Energia (MeV) Camada Semi-redutora (cm) Raios X ou gama Tecido humano Chumbo 0,01 0,13 0,05 3,24 4,5 0,8 0,1 4,15 0,5 7,23 0,38 1,0 9,91 0,86 5,0 23,1 1,44 1,1 4 2 2