Aula 01-Física Das Radiações e Radiobiologia

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Fsica das Radiaes e Radiobiologia

Fsica das RadiaesProf. Carlos Eduardo

Caruaru,2014

Radiao a propagao da energia em varias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos:

Radiao Corpuscular;

Radiao Eletromagntica.Radiao CorpuscularConstituda de uma feixe de partculas ou ncleos atmicos:Eltrons;Prtons;Nutrons;Partculas alfa; etc.

Ondas eletromagnticas so constitudas de campos eltricos (E) e magnticos (B) oscilantes, propagando-se com velocidade constante, a velocidade da luz (c). Exemplos de radiaes eletromagnticas: raios X, radiao gama, ondas de rdio, ondas luminosas, radiao ultravioleta, radiao infravermelha. Nas animaes abaixo temos representaes de ondas eletromagnticas se propagando, vemos que o campo eltrico (E) faz um ngulo de 90 com o campo magntico (B).

Duas vises da propagao de ondas eletromagnticas da esquerda para direita.Fonte dos gifs animados: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation

Acessado em 19/05/20124Propagao da ondaPropagao da ondaRadiao EletromagnticaEBxlf = vlComo ocorre para toda onda, podemos caracterizar as ondas eletromagnticas por meio de seu comprimento de onda (), freqncia (f) e velocidade de propagao(v).

Para ondas eletromagnticos temos que a velocidade de propagao a velocidade da luz (c), assim a equao para radiao eletromagntica fica da seguinte forma:

f = cl5

O grfico ao lado mostra diferentes faixas do espectro da radiao eletromagntica, separadas por tipos de radiao. H indicao das faixas de comprimento de onda em nanmetros ( 1nm = 10-9 m), Angstroms ( 1 = 10-10 m), micrmetros (1 m = 10-6 m), milmetros ( 1 mm = 10-3 m), centmetros ( 1 cm = 10-2 m) e metros (m). Quando mais alto no grfico ao lado, menor o comprimento de onda () e maior a energia (E) e a frequncia (f) da radiao eletromagntica.A parte visvel uma faixa entre aproximadamente 400 e 700 nm (ou 4000 e 7000 ).6Constante de Planck (6,63 .10-34 J.s ou 4,14.10-15 eV.s )Frequncia da radiaoPodemos pensar que toda energia da radiao est concentrada em pequenos pacotes de energia, chamados ftons. A energia dos ftons (E), associada onda eletromagntica, dada pela seguinte equao:

E = hf7

Teoria QuantaE = hf f = cllf = clE =hcPodemos expressar a energia de um fton em funo da freqncia, ou do comprimento de onda, sabemos que a velocidade de propagao da radiao eletromagntica a velocidade da luz, assim temos:

Quando temos informao sobre a frequncia (f) podemos usar a equao E = hf para calcularmos a energia associada ao fton (E), no caso de termos conhecimento do comprimento de onda () usamos a forma alternativa:

lE =hc8Dualidade Onda-particulaA matria apresenta tanto caractersticas ondulatrias como corpuscularesmv= h/ m= massa e v= velocidade (corpuscular);

= comprimento de onda e h= CTE (ondulatrio)

Radiao e suas caractersticasQuando possuem energia, atravessam a matria, ionizando tomos e molculasmodificao qumica;

Podem ocorrer mutaes genticas;

Modificaes nas clulas vivas;

Aplicao no tratamento de tumores;

Partculas como eltrons, psitrons ou partculas alfa e radiao como gama e raios X so geradas durante o decaimento radioativo ou por meio da desacelerao e/ou acelerao de partculas carregadas. Essas radiaes interagem com a matria, por meio de transferncia de energia. Esses processos envolvem transies dos eltrons e so importantes para aplicaes mdicas e biolgicas, bem como para as bases da dosimetria e deteco de radiaoOs principais processos, onde h interao da radiao com a matria, so indicados ao lado.IonizaoExcitaoCaptura11Quando uma partcula, ou um fton, de energia suficiente incide sobre um tomo, pode haver a ejeo de um eltron desse tomo (ionizao). A condio para que isto ocorra que a energia da partcula, ou fton, incidente seja maior ou igual energia do nvel onde se encontra o eltron. Temos como resultado um tomo com carga positiva e um eltron livre com energia cintica. O eltron pode ionizar outro tomo e o tomo ionizado absorve um eltron, emitindo o excesso de energia na forma de um fton, um processo chamado captura. Eltron incidenteEltron ejetadotomo no estado fundamentaltomo sem 1 eltron na camada KK LK L12IonizaoOutra forma de interao da radiao com a matria, por meio da absoro da energia de uma partcula ou de um fton por um eltron de um tomo, onde esse eltron salta para uma camada de mais alta energia (como na figura abaixo). Essa transio leva o tomo a um estado excitado, onde haver a emisso do excesso de energia na forma de um fton. A condio para que ocorra a transio que a energia incidente seja igual diferena de energia entre dois nveis.Radiao incidenteEltron num estado demais alta energia (excitado)tomo no estado fundamentaltomo no estado excitadoK LK Ltomo no estado fundamentalK LEmisso de fton13ExcitaoUm tomo ionizado capaz de capturar um eltron livre, liberando o excesso de energia na forma de um fton, como mostrado no diagrama abaixo.Eltron livretomo ionizadotomo sem 1 eltron na camada KK LK LEmisso de fton14CapturaAs radiaes podem ser classificadas considerando-se suas caractersticas majoritrias, assim temos a seguinte diviso:

No ionizantes XIonizantes

15DIFERENA:ENERGIA

RADIAO - CARACTERSTICAS Energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo - produo de pares de ons. Partculas carregadas: Alfa, Beta, Prtons, Eltrons Partculas no carregadas: Nutrons Ondas eletromagnticas: Gama, Raios X.RADIAO IONIZANTERADIAO - CARACTERSTICAS No possui energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo Pode quebrar molculas e ligaes qumicas Ultravioleta, Infravermelho, Radiofreqncia, Laser, Microondas, Luz visvel.RADIAO NO IONIZANTENo possui energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo;

Pode quebrar molculas e ligaes qumicas;

Ultravioleta, Infravermelho, Laser, Micro-ondas, Luz visvel.Tipos de Radiao e suas caractersticasRadiao alfa ou partcula alfa ( );

Radiao beta ou partculas beta ();

Nutrons (n);

Radiao gama ou partculas gama ();

Raios X

Radiao alfa ou partcula alfa. formada por um ncleo do tomo Hlio, ou seja, dois prtons e dois nutrons. uma radiao de baixa penetrao. produzida pelo decaimento radioativo de elementos qumicos, como urnio e rdio.

Radiao beta ou partcula beta. composta por eltrons ou psitrons de alta energia e so emitidos por ncleos atmicos como o potssio 40. Possui um poder de penetrao maior que das partculas alfa. A produo de partculas beta chamada decaimento beta.

Radiao gama ou raios gama. uma radiao eletromagntica de alta energia. produzida em processos nucleares, tais como aniquilao de pares eltron-psitron. A radiao gama forma a parte mais energtica do espectro eletromagntico (localizada esquerda do grfico abaixo).20

Espectro de radiao eletromagntica, com escala de comprimento de onda em metros.Raios X. a segunda radiao mais energtica, pode ser produzida pela acelerao de partculas carregadas. 21

Os raios X foram descobertos em 1895 de forma quase acidental. O fsico alemo Wilhelm Conrad Roentgen realizava experimentos com um tudo de vidro, onde foi feito vcuo. Neste tubo de vidro havia dois eletrodos, e uma diferena de potencial de milhares de volts foi aplicada. Tal diferena de potencial levou eltrons migrarem de um eletrodo para outro, gerando uma radiao desconhecida at ento, que Roentgen chamou de raios X. Diversos testes foram feitos, e num dos experimentos Roentgen descobriu a radiografia mdica de raios X (mostrada ao lado). Roentgen usou a mo de sua esposa (Anna Bertha Ludwig) para registrar a radiografia.

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:First_medical_X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_his_wife_Anna_Bertha_Ludwig%27s_hand_-_18951222.gif

Acessada em 19/05/201222

Considere um tubo de vidro onde foi feito vcuo, nesse tubo temos dois eletrodos inseridos, conforme o esquema abaixo. O catodo apresenta um filamento, que ao ser aquecido, devido passagem da corrente eltrica I, gera uma nuvem de eltrons. O anodo apresenta uma diferena de potencial (V2) em relao ao catodo. Tal ddp promove a acelerao dos eltrons do catodo para o anodo.

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Os eltrons so acelerados e colidem com o anodo. Essa coliso converte a energia cintica em energia trmica, que aquece o anodo, e em radiao eletromagntica, na forma de raios X. Com uma ddp da ordem de algumas dezenas de kV teremos a gerao de raios X. Este espectro de raios X chamado radiao branca, que se sobrepe ao espectro caracterstico, devido retirada de eltrons dos tomos do anodo.

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Eltron incidenteEltron ejetadotomo no estado fundamentaltomo sem 1 eltron na camada KK LK LO modelo de Bohr suficiente para entendermos os principais aspectos do espectro caracterstico de raios X. Considere que os tomos do anodo so bombardeados com eltrons com energia cintica. Esses eltrons apresentam energia suficiente para arrancar eltrons da camada K do tomo, como mostrado na figura abaixo.25

Eltron ejetadotomo sem 1 eltron na camada KK LEmisso de um fton de raios Xtomo sem 1 eltron na camada KK LO tomo sem um eltron instvel e tende a absorver um eltron de uma camada mais externa. Ao absorver esse eltron o excesso de energia emitido na forma de um fton de raios X, que ter a energia determinada pela diferena de energia entre os nveis da transio.

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FONTES DE RADIAO NO RAIO X DIAGNSTICOA figura abaixo uma foto de um tubo de raios X.Fonte: http://onlineshowcase.tafensw.edu.au/ndt/content/radiographic/photo/xray_tube.jpg

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Referncias

OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Fsica para cincias biolgicas e biomdicas. Editora Harbra, 1986.

TIPLER, P. Fsica, para cientistas e engenheiros. Volume 4 3a ed. LTC-S.A.1995.

29RadiobiologiaParte IIRadiobologiaEstuda os