Física das Radiações

Física das Radiações

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Curso: "Acidente com material radionuclear - Estamos preparados?"

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Autor: Dr. Christiano Alvernaz Co-autor e Revisor de conteúdo: Dr. Alexandre Maurmo

1- INTRODUÇÃO

A radioatividade é um fenômeno pelo qual algumas substâncias ou elementos químicos são capazes de emitir, espontaneamente ou não, através de seus núcleos, determinadas partículas e/ou ondas (que recebem a denominação genérica de ‘radiações’), as quais têm a propriedade de sensibilizar placas fotográficas, ionizar gases e substâncias, produzir fluorescência, atravessar corpos opacos à luz ordinária etc.

QUADRO DE CONCEITOS I A radioatividade pode ser:

- Natural: É a que se manifesta nos elementos radioativos e nos isótopos que se encontram na natureza, sendo decorrente da instabilidade nuclear (átomos de grande número atômico); - Artificial ou induzida: É aquela que é provocada por transformações artificiais nos núcleos dos átomos (normalmente pelo bombardeamento nuclear por partículas sub-atômicas).

A radioatividade é uma forma de energia nuclear e sua forma natural ocorre espontaneamente na natureza. Isto se deve, pois alguns átomos, tais como os do Urânio (U), Rádio (Ra) e Tório (Th) são naturalmente grandes e “instáveis”, perdendo (emitindo) constantemente radiações.

Na área da saúde, esta propriedade dos núcleos atômicos é utilizada com diversas finalidades, sejam elas diagnósticas ou terapêuticas. De uma forma geral, a radioterapia (principalmente) e a radiologia são as áreas médicas que mais se beneficiam dos efeitos das radiações. Mapeamento com radiofármacos, radioterapia, braquiterapia, uso de aplicadores e radioisótopos são exemplos da utilização da radioatividade na medicina.

Mas a aplicação da radioatividade vai muito além da saúde. Na indústria e na agricultura, por exemplo, diversos processos são realizados graças a esta propriedade atômica. Para se ter uma idéia da diversidade do seu uso na indústria, o controle de qualidade da textura e das partes soldadas de tubulações, chapas metálicas e peças fundidas pode ser feito pelo processo de gamagrafia, uma espécie de radiografia industrial, onde ao invés de raios-X são utilizados radiação gama de média e alta energia. Outros exemplos são os medidores nucleares (p.ex., os medidores de nível - para realizar o controle do nível correto de uma bebida embalada num envólucro de alumínio utiliza-se uma fonte radioativa de baixa atividade (100 mCi) e um detector. As “latinhas” enfileiradas numa correia transportadora de alta velocidade interceptam o feixe de radiação que sai da fonte e é registrado no detector. Se o líquido estiver acima do nível estabelecido, o feixe será atenuado bastante em comparação com a presença só de gás, quando um pouco vazia. Quando não preencher o requisito, uma pequena alavanca retira a lata do roteiro de empacotamento), os irradiadores industriais de grande porte (para esterilização biológica) e os aceleradores de elétrons.

Na agricultura, podemos citar a utilização de fertilizantes marcados com Fósforo-32 (32P) radioativo - que pode indicar a velocidade de captação dos nutrientes do solo pelas plantas -, além de processos que promovem a conservação de alimentos e insumos agrícolas por irradiação.

Outras formas de utilização da radioatividade incluem a geocronologia e datação (p.ex., Carbono-14), e a geração de energia (reatores nucleares, como os utilizados nas usinas de Angra I e I).

2- BREVE HISTÓRICO

Em 1896, o físico francês Antoine-Henry Becquerel constatou que o sulfato duplo de potássio e uranila (K2(UO2)(SO4)2), extraído do mineral pechblenda, também provocava velamento de chapas fotográficas envoltas de

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Copyright © 2010 by Medicina1® - Todos os direitos reservados 2 papel preto ou com lâminas finas de metal, num fenômeno semelhante ao observado com os raios-X. Becquerel atribuiu esta propriedade à emissão de algum tipo de raio capaz de atravessar a proteção e atuar sobre o filme (raios de Becquerel).

Em 1897, o casal Marie e Pierre Curie extraiu e purificou o urânio do minério pechblenda (U3O8). Eles verificaram que as impurezas deste minério eram mais ativas que o próprio urânio. Dessas impurezas, foram isolados dois novos elementos: o

Polônio e o Rádio, sendo este último muito mais ativo que os demais. O fenômeno de emissão de energia por estas substâncias foi, então, denominado radioatividade ("atividade do Rádio").

c) radiação gama (γ), sem carga elétrica, identificada posteriormente como radiação eletromagnética, com freqüência de aproximadamente 1021 Hz.

ao nuclídeo filho. Em alguns casos, o nuclídeo filho também é radiativo, formando, assim, uma cadeia radioativaUm

Esses trabalhos de pesquisa científica permitiram concluir que a radioatividade é a transformação espontânea de um núcleo atômico, convertendo um nuclídeo em outro. A natureza das radiações emitidas é característica das propriedades nucleares do nuclídeo que está se desintegrando, denominado nuclídeo pai. O nuclídeo pai, ao se desintegrar, dá origem nuclídeo radioativo é denominado radionuclídeo.

Chama-se nuclídeo qualquer espécie nuclear (núcleo de um dado átomo) definida por seu número atômico (Z), número de massa (A) e estado energético. O símbolo utilizado para representar os nuclídeos consiste no símbolo químico do elemento (por exemplo, Pb = Chumbo), com o número atômico (Z = 82) como sub-índice à direita, abaixo, e o número de massa (A = 207) como supraíndice, à esquerda e acima. Assim temos:

Normalmente, omite-se o número atômico como sub-índice, uma vez que o símbolo químico é suficiente para identificar o elemento, por exemplo: 207Pb, 4He , 200Hg.

Em 1934, o casal Frédéric Joliot e Irène Curie (filha de Pierre e Marie Curie) anunciou a descoberta da radioatividade artificial. Eles constataram que alguns núcleos atômicos bombardeados com determinados tipos de radiações de partículas tinham sua estrutura interna alterada e passavam a apresentar propriedades radioativas. Os procedimentos de transmutação artificial dos elementos químicos resultaram na obtenção de isótopos artificiais e radioativos da maioria dos átomos conhecidos e na descoberta de numerosos átomos novos, como os transurânicos (Neptúnio, Plutônio, Amerício etc.).

aí o embrião da energia atômica

Próximo ao ano de 1935, Enrico Fermi, baseado em trabalhos de vários pesquisadores, montou o primeiro reator nuclear, no qual núcleos de Urânio-235, ao serem bombardeados por neutrons, dividiam-se em núcleos menores (num processo denominado fissão nuclear), emitindo dois ou três neutrons novos e uma grande quantidade de energia. Nascia

Já entre os anos de 1898 e 1900, Ernst Rutherford e Paul Villard, utilizando um dispositivo semelhante ao esquematizado ao lado (figura 1), descobriram, pelo comportamento frente às placas carregadas, que a emissão natural das substâncias radioativas podia ser de três tipos, assim denominadas:

a) radiação alfa (α), de carga positiva e massa elevada, posteriormente identificada como núcleos de átomos de Hélio; b) radiação beta (β), de carga negativa e massa menor que da partícula alfa, identifica posteriormente como elétron; e

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O emprego de técnicas de transmutação radioativa permite obter elementos químicos artificiais desconhecidos na natureza. De vida extremamente curta, devido a seu caráter fortemente radioativo, esses elementos sofrem imediatas transformações, que os convertem em elementos naturais.

3- ESTRUTURA ATÔMICA

O átomo é a menor unidade de um elemento que conserva suas propriedades químicas, sendo constituído por partículas fundamentais (prótons, elétrons e neutrons) - figura 2.

Os prótons e os neutrons encontram-se aglomerados numa região central muito pequena, o núcleo, que se mantém unida mediante forças extremamente fortes, que têm caráter atrativo, e que são muito superiores à força de repulsão eletrostática existente entre os prótons (partículas de mesma carga elétrica - positiva), a qual tenderia a expulsá-los do interior do núcleo. A densidade nuclear é muito elevada, sendo da ordem de milhões de toneladas por centímetro cúbico.

Segundo o modelo atômico de Bohr, os elétrons, partículas de carga elétrica negativa e massa insignificante (1840 vezes menor que a massa de um próton), movem-se em torno do núcleo (em trajetos denominados órbitas), numa região chamada de coroa, cujo raio é cerca de dez mil vezes maior que o raio do núcleo.

Como a massa dos elétrons que orbitam a coroa de um átomo é extremamente pequena, é consenso considerar o núcleo como a parte do átomo onde está concentrada a sua massa (na realidade, aí estão mais de 9,9% da massa total do átomo!).

O átomo de um elemento químico possui uma massa bem definida, cujo valor exato é determinado em relação à massa de um elemento tomado como padrão. Em 1961, por um acordo internacional entre físicos e químicos, foi estabelecida uma escala unificada, tendo sido atribuído o valor exato de 12,0 para a massa atômica do Carbono-12. Assim, nessa escala, uma unidade de massa atômica (u.m.a.) é igual a 1/12 da massa do átomo de Carbono-12, ou seja:

- O próton possui uma massa de 1,00759 u.m.a., valor muito semelhante à massa do átomo de hidrogênio, e uma carga positiva igual a 1,6021.10-19 C. - O neutron possui uma massa de 1,00898 u.m.a., valor muito próximo ao da massa do próton, sendo eletricamente neutro. - O elétron, como dissemos, possui massa atômica insignificante, porém carga elétrica negativa igual a 1,6021.10-19 C (idêntica a do próton).

As propriedades químicas dos átomos são definidas pelo número atômico Z [número de unidades de cargas positivas (prótons) existentes no átomo], sendo esta a característica que diferencia um elemento de outro. Portanto, qualquer átomo que possua um total de 6 prótons, por exemplo, é idenfificado como sendo do elemento químico Carbono. Normalmente, o número de unidades de cargas positivas é igual ao das negativas, tornando o átomo eletricamente neutro.

3.1- NÚMERO ATÔMICO E NÚMERO DE MASSA

Número atômico: é o número de prótons que um átomo possui em seu núcleo e que determina suas propriedades químicas, sendo representado pelo símbolo Z. Átomos do mesmo elemento químico (isótopos) possuem o mesmo número atômico, mas não necessariamente a mesma massa, já que podem diferir pelo número de neutrons. Exemplos

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Copyright © 2010 by Medicina1® - Todos os direitos reservados 4 são os isótopos do Carbono (número atômico = 6), com números de massa 12, 13 e 14 (este último, radioativo) - 12C,

Número de massa: é o número total de núcleons, ou seja, prótons (Z) + neutrons (N), existentes em um átomo, sendo simbolizado pela letra A (A = N + Z). Nos exemplos acima, temos que no Carbono-12 o número de massa é 12 (6 prótons + 6 neutrons); no Carbono-13 o número de massa é 13 (6 prótons + 7 neutrons); e no Carbono-14 o número de massa é 14 (6 prótons + 8 neutrons).

4- RADIAÇÕES FUNDAMENTAIS

Tal como observado por Rutherford, em 1898, é possível verificar a existência de três tipos de radiação introduzindo-se uma substância radioativa no interior de um bloco de chumbo perfurado, para permitir a passagem das emissões. Em seguida, um campo elétrico é aplicado na saída da perfuração do bloco, para identificar a natureza das radiações. Uma placa fotográfica, ou uma tela fluorescente, colocada logo acima do campo elétrico, registra a trajetória das radiações (retorne à figura 1 e observe-a novamente).

A emissão nuclear que sofre um pequeno desvio para o lado da placa negativa é denominada emissão α (alfa), visto sua maior massa e sua carga fortemente positiva. A emissão que sofre um desvio maior para o lado da placa positiva é denominada emissão β (beta); a que não sofre desvio, emissão γ (gama) - isenta de carga elétrica.

4.1- EMISSÃO ALFA

A emissão de uma partícula alfa, que corresponde ao núcleo do Hélio (4He2) por possuir 2 prótons e 2 neutrons, é um processo chamado decaimento radiativo. Após o decaimento de uma partícula alfa, o núcleo residual terá uma massa e uma carga diferente daquelas do núcleo original (figura 3). A mudança na carga nuclear (diminuição em duas unidades) significa que o elemento inicial foi mudado em outro, num processo denominado transmutação. O número de massa da partícula alfa é 4 e, portanto, o número de massa do núcleo decaido será reduzido de 4 unidades, assim como o número atômico é reduzido de 2 unidades (Lei de Soddy). Isso pode ser escrito em uma equação, similar a uma reação química. Por exemplo, para o decaimento de um isótopo do elemento Seaborgio-263 (263Sg106), temos:

4.2- EMISSÃO BETA

Partículas beta são partículas com massa desprezível e carregadas negativamente (carga = -1, sendo, portanto, semelhante ao elétron). Como a massa do elétron é uma fração extremamente pequena de uma unidade de massa atômica, a massa do núcleo que sofre decaimento beta praticamente não é alterada. Por esta razão, convencionou-se dizer que o número de massa do núcleo não modifica no decaimento beta. Mas você pode estar se perguntando, como é que o núcleo emite elétrons, uma vez que em seu interior só existem prótons e neutrons? Bem, na verdade o elétron emitido no decaimento beta corresponde à transmutação de um neutron em um próton, no interior do núcleo. Neste processo, é criada também uma outra partícula, o neutrino (υ), que não tendo carga e interagindo muito fracamente com a matéria, passa, normalmente, despercebido. No decaimento beta, o número de prótons no núcleo é aumentado de uma unidade (o que modifica o número atômico do elemento, transformando-o em outro), enquanto que o de neutrons diminui em uma unidade, mantendo, assim, o mesmo número de massa (figura 4) - Lei de Soddy-Fajans-Russel. Por exemplo, o isótopo 14 do Carbono (14C) é instável e emite naturalmente uma partícula beta, transmutando-se no isótopo estável de Nitrogênio, o 14N:

Repare que o número atômico do núcleo muda de 106 para 104, produzindo o Rutherfordio, com massa atômica 263-4 = 259. O decaimento alfa ocorre tipicamente em núcleos muito pesados (Z > 82), onde a repulsão eletrostática entre os prótons no núcleo é muito grande. Certa quantidade de energia é liberada no decaimento alfa de um núcleo. Verde: número de neutrons; Vermelho: número de prótons (= n atômico); Branco: número de massa.

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