Aula 02 - Fundamentos de Física das Radiações, Notas de aula de Física

Baixe Aula 02 - Fundamentos de Física das Radiações e outras Notas de aula em PDF para Física, somente na Docsity! 16/08/2011 1 Prof. AGUINALDO SILVA Mestrando em Eng. Biomédica - UNB Tecnólogo em Radiologia aguinaldo.radiologia@gmail.com 1  Estrutura do átomo  Descoberta da radioatividade natural e artificial  Isótopos  Radiações corpusculares e ondas eletromagnéticas  Produção dos raios X  Interações das radiações com a matéria Meia-vida de um elemento; decaimento radioativo e atividade de uma amostra  2 Tudo na natureza é feito de átomos que, com grande frequência se unem para formar moléculas. A neutralidade elétrica que existe nos átomos é mantida na molécula, uma vez que o número de cargas positivas (prótons) é o mesmo que o de cargas negativas (elétrons). Se uma ligação química que mantém uma molécula for rompida, fragmentos resultados podem não mais manter a neutralidade elétrica. 3 Quando um átomo perde ou ganha elétron, diz-se que ele se transformou em um íon. Se uma molécula perde um elétron, uma ligação química entre os átomos de uma molécula pode ser rompida e como consequência, haver a formação de íons moléculas, denominados radicais livres. 4 A comparação com o sistema solar, embora sirva para dar uma idéia visual da estrutura do átomo, logo, no sistema solar, os planetas se distribuem quase todos num mesmo plano ao redor do sol. No átomo, os elétrons se distribuem, em vários planos em torno do núcleo. 5 O Núcleo do átomo é constituído de partículas positivas, chamadas de prótons, e de partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. Num átomo neutro o número de prótons é igual o número de elétrons. 6 16/08/2011 2 O elemento mais simples, o hidrogênio, possui um próton, enquanto um dos mais complexos, o urânio, com 92 prótons, sendo o elemento químico natural mais pesado. 7 8 A Radioatividade natural foi descoberta em 1896, quando ele percebeu que o Urânio emitia radiações ao deixar filmes fotográficos em contato com o elemento radioativo. Henri Becquerel (1852 – 1908) 1896 – Descoberta da Radioatividade Prêmio Nobel em Física em 1903 9 A radioatividade natural (não produzida ou modificada pelo homem) é responsável por + da metade da exposição a que uma pessoa está sujeita. No Brasil, há cidades como Araxá, Guarapari e Poços de Caldas apresentam um alto índice de radioatividade natural. 10 A Radioatividade artificial é um fenômeno da mesma natureza da radioatividade natural. Entretanto, os núcleos atômicos são produzidos em laboratórios (cíclotrons) ou em reatores nucleares quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Irène Curie (1897 – 1956) Frederic Curie (1900 – 1958) 1934 – Descoberta da produção artificial de elementos químicos Prêmio Nobel Química 1935 11 ISÓTOPOS – são átomos de um mesmo elemento químico com o mesmo número de prótons mas com diferentes números de massa. 12 S = Símbolo Z = Número de prótons N = Número de nêutrons A = Z + n = número de massa 16/08/2011 5 Geralmente, após a emissão de uma partícula α ou β, o núcleo resultante deste processo, ainda com excesso de energia, tende a estabilizar-se emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética. 25 A diferença entre radiação X e radiação γ está na sua origem. Enquanto os raios γ resultam de mudanças do núcleo, os raios X, são emitidos quanto os elétrons sofrem uma mudança de orbital. 26 27 As radiações que possuem carga, (radiação corpuscular) como elétrons, partículas α, atuam principalmente por meio de seu campo elétrico e transferem sua energia para muitos átomos ao mesmo tempo e são denominadas: RADIAÇÃO DIRETAMENTE IONIZANTES. As radiações que não possuem carga, (ondas eletromagnéticas) interagem individualmente e transferem sua energia para elétrons que irão provocar novas energias e são denominadas: RADIAÇÃO INDIRETAMENTE IONIZANTES. 28 29 Núcleos instáveis (radioisótopos), não realizam todas as mudanças ao mesmo tempo. As emissões são realizadas de modo imprevisto e não se pode adivinhar o momento em que um determinado núcleo irá emitir radiação. Logo, espera-se um certo número de emissões ou transformações em cada segundo. Essa “taxa” de transformações é denominada atividade de uma amostra. 30 A atividade de uma amostra com átomos radioativos (fonte radioativa) é medida em: Bq (Becquerel) = uma desintegração por segundo Ci (Curie) = 3,7 x 1010 Bq 16/08/2011 6 31 DECAIMENTO RADIOATIVO – como já visto, um núcleo com excesso de energia tende a estabilizar-se emitindo partículas α ou β. Em cada emissão de uma dessas partículas, há uma variação no número de prótons e nêutrons, ou seja, o elemento se transforma em outro. Essa transformação também é conhecida como desintegração ou decaimento radioativo. 32 MEIA-VIDA é o tempo necessário para a atividade de um elemento radioativo seja reduzida à metade da atividade inicial. Cada elemento radioativo, seja natural ou artificial, se desintegra a uma velocidade que é característica. Decaimento do Iodo-131 Era uma sexta-feira, 8 de novembro de 1895, noite chegando quando Wilhelm Röentgen, decidiu repetir o experimento realizado por Lenard. Apagou a luz do laboratório, acomodou os olhos à escuridão e foi afastando a tela até 2m do tubo. Ligou e desligou o tubo e percebeu que toda vez que desligava a luminescência desaparecida. 33 Wilhelm Röentgen (1845 – 1923) 1901 – Prêmio Nobel em Física Descoberta dos raios X Durante a colocação de uma das peças entre o tubo e a tela, ele observou o contorno dos ossos de seus dedos. Conclui que aqueles raios era parados pelos ossos, da mesma forma que por uma placa de chumbo. No dia 22 de dezembro, Röentgen radiografou a mão da sua esposa Ana Bertha e deveria ficar estática durante 15 minutos de exposição. 34 Ana Bertha Röentgen (1833 – 1919) 35 Dentro da ampola de raios X, o filamento de tungstênio (catodo) ao ser aquecido libera elétrons que são acelerados e atraídos pela diferença de potencial (kV) em direção ao alvo (anodo). Nesse caso, não produzidos fótons de várias energias, em que a energia máxima depende do valor da kilovoltagem (kV). 36 16/08/2011 7 37 O que caracteriza a radiação ionizante é a sua capacidade de ionizar o meio que atravessa. Assim, a passagem das radiações ionizantes por qualquer meio pode produzir ionizações e excitações. 38 Em física das radiações consideram-se sete interações da radiação com a matéria como importantes:  Radiação de freamento ou Bremsstrahlung  Raios X característico  Efeito fotoelétrico  Efeito Compton  Produção de pares  Espalhamento coerente  Fotodesintegração 39 RADIAÇÃO DE FREAMENTO ou BREMSSTRAHLUNG Uma pequena fração dos elétrons incidentes no alvo aproxima-se dos núcleos dos átomos, que constituem o alvo. Eles podem perder de uma só vez, uma fração considerável de sua energia, emitindo um fóton de raios X. Logo, um fóton de raios X é criado quando um elétron sofre uma desaceleração brusca devido à atração causada pelo núcleo. Os raios X assim gerados são chamados de radiação de freamento e podem possuir qualquer energia, que depende do grau de aproximação do elétron do núcleo e da energia cinética do elétron. 40 RADIAÇÃO DE FREAMENTO ou BREMSSTRAHLUNG 41 RAIOS X CARACTERÍSTICOS Quando um elétron incidente no alvo remove um elétron da camada K, cria-se um buraco em seu lugar que é imediatamente preenchido pela transição de um elétron da camada mais externa. 42 RAIOS X CARACTERÍSTICOS