Aula 3 Estudo da interação da radiação com o corpo humano e do decaimento Alfa, Beta e Gama

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Radiobiologia e Dosimetria
Aula 3: Estudo da interação da radiação com o corpo humano e
do decaimento Alfa, Beta e Gama
Apresentação
Aprenderemos os efeitos produzidos no corpo humano devido à interação com a radiação ionizante e não ionizante, bem
como os conceitos básicos para o entendimento da desintegração nuclear.
Estudaremos também conceitos importantes sobre as partículas alfa (α), beta(β) e gama (γ) à luz da radiobiologia, e os
tipos de decaimento e instabilidade dos radioisótopos.
Objetivos
Descrever os mecanismos de interação das partículas alfa e beta com a matéria;
Identi�car os processos de decaimento radioativo.
 Radiações alfa (α), beta(β) e gama (γ)
As características e propriedades das substâncias e radiações têm sido estudadas há muito tempo, desde o descobrimento da
radioatividade. Inicialmente, o interesse estava concentrado nas transformações do Urânio, Torio e Actíneo. Esse interesse se
estendeu às descobertas sobre as transformações nucleares e às mudanças de energia em suas transformações.
Estudos revelaram, com precisão, medidas energéticas distintas originando-se do núcleo do átomo. Tais descobertas levaram
a teorias de que os radionuclídeos emitiam radiações diferentes, com características diferentes, sendo chamadas de radiações
alfa (α), beta(β) e gama (γ).
Nesta aula, estudaremos a desintegração alfa, beta e gama e as interações das partículas e radiações com a matéria.
Desintegração nuclear
A desintegração nuclear ou decaimento radioativo ocorre quando há emissão espontânea de partícula ou energia do interior de
um núcleo atômico.
Os núcleos atômicos podem ser classi�cados como:
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Átomos não radioativos, que não precisam decair para alcançar o equilíbrio, caracterizando entre as forças nucleares e a
força de repulsão coulombiana.
Estáveis #1 
Átomos radioativos, que emitem uma partícula ou radiação para alcançar a estabilidade. Durante o processo de
decaimento em átomos instáveis, a energia sempre deve ser conservada.
Instáveis #2 
No artigo “The cause and nature of radioactivity”, Ernest Rutherford e Frederick Soddy apresentaram a lei do decaimento
radioativo:
𝑁 é o número inicial de átomos que não se desintegraram, no instante t = 0, e 𝑁 é o número de átomos que ainda não se
desintegraram no instante t. O valor de 𝜆 simboliza a constante de decaimento, constante que depende de cada radionuclídeo.
O tempo necessário para que metade do número de átomos de um radionuclídeo se desintegre é chamado de meia vida física,
ou somente de meia vida, que é simbolizada por 𝑇 . A relação entre a meia vida e a constante de decaimento é dada por:
0 (t)
1/2
Decaimento alfa
 Veja o decaimento exponencial em escala linear de um radionuclídeo. Curva de decaimento do Cobalto-60 / Fonte: Infoescola
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Interação da partícula alfa com a matéria
As partículas alfa perdem energia devido à ionização que produzem no meio. No processo, três fases se destacam:
O decaimento alfa é um processo de desintegração
radioativa caracterizado pela emissão de dois prótons e dois
nêutrons que, ao deixarem o núcleo, formam juntos um
átomo de Hélio, que chamamos de partícula alfa.
Geralmente, a emissão da partícula alfa é mais provável em
núcleos considerados pesados (Z > 83), podendo ser
geradas por radionuclídeos naturais ou arti�ciais.
Um típico decaimento alfa pode ser demonstrado abaixo:
 Decaimento alfa do Urânio | Fonte: S3 Amazon AWS
As partículas alfa são facilmente blindadas devido à baixa distância que
consegue percorrer até se tornar um átomo de Hélio neutro. Entretanto,
devido à alta massa, a partícula alfa possui grande poder de ionização.
Portanto, a probabilidade da partícula alfa atravessar a pele do corpo
humano é quase nula se o emissor estiver fora do corpo. Mas, se o
radionuclídeo emissor alfa for inalado ou ingerido, causará diversos danos
ao tecido biológico.
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A trajetória da partícula carregada dentro de um material
absorvedor, até que ela entre em equilíbrio e pare, é
chamada de alcance R. A partícula carregada pode realizar
um percurso em linha reta ou em ziguezague, de forma que,
no �nal da sua trajetória, sua energia cinética entre em
equilíbrio térmico com as partículas do meio.
O alcance máximo R corresponde ao maior valor
penetrado dentro do material por uma partícula com uma
determinada energia (THAUATA, 2001).
max
 Alcance de diferentes radiações e partículas | Fonte: Bp Blogspot.
1 A partícula alfa interage pouco com o meio devido à sua alta velocidade, mantendo a taxa de ionização constante.
2 Devido à queda de energia, a partícula alfa �ca mais lenta, interagindo mais fortemente com os elétrons até chegar aomáximo da ionização, quando passa do íon +2 para o íon +1.
3 O poder de ionização da partícula cai drasticamente até capturar outro elétron e se tornar um átomo de Hélio neutro.Nesse ponto, a partícula tem poder de ionização igual a zero.
 Alcance da partícula Alfa / Fonte: RADIOBIOLOGIA, EMERGÊNCIA, TRANSPORTE E
REJEITO
Decaimento Beta
O decaimento Beta β é caracterizado pela emissão espontânea de um elétron β ou um pósitron β pelo núcleo do átomo. O
pósitron, também conhecido como elétron positivo, possui a mesma carga elétrica do elétron, mas positiva.
Para a explicação do decaimento β é necessário o conhecimento de uma partícula chamada neutrino e a antipartícula
conhecida como antineutrino . O neutrino é uma partícula sem carga e de massa de repouso extremamente pequena que
se propaga na velocidade da luz, sendo o antineutrino sua antipartícula.
O decaimento β é dado pela relação:
- +
νe
ν
e
-
O decaimento β é dado pela relação:+
Em ambos os casos, o número de massa A dos núcleos pai e �lho
permanece o mesmo, mas o número atômico do núcleo do �lho em
relação ao do núcleo pai no primeiro caso aumenta, e no segundo
caso diminui. O espectro característico da emissão beta é contínuo.
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Alcance para elétrons
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O processo de captura eletrônica caracteriza-se pela captura de um elétron pelo núcleo, geralmente da camada k do
átomo, para alcançar a estabilidade. Neste processo, ocorre no núcleo a interação do elétron capturado com um próton,
formando um nêutron.
Esse processo compete com o decaimento β e não se observa emissão de nenhuma partícula do núcleo. Contudo, o
orbital S desocupado pelo elétron capturado é preenchido pelo decaimento de um elétron mais externo, que, por sua vez,
emite radiação eletromagnética na forma de raios X. Essa é a chamada captura K.
Captura eletrônica #1 
+
A emissão por um elétron Auger ocorre durante a transição de um elétron em uma camada superior para uma camada
inferior. A emissão de elétrons Auger compete com a emissão de fótons, sendo este um processo de desexcitação
atômica.
Emissão de elétrons Auger #2 
A interação dos elétrons com a matéria é caracterizada pela perda de energia devido a ionizações e pela produção de
radiação de freamento. Devido à pequena massa, apresentam no meio absorvedor trajetórias extremamente irregulares,
podendo ser espalhadas em todas as direções, até mesmo na direção de origem.
Com relação ao alcance de partículas beta, a perda de energia é decrescente mesmo para pequenos valores de espessura
do absorvedor. Dessa maneira, a representação grá�ca do número de elétrons versus espessura do absorvedor decai
imediatamente desde o início, atingindo o zero para espessuras maiores do absorvedor.
Interação de elétrons com a matéria #3 
 Alcance dos elétrons monoenergéticos (THAUATA, 2001): Como o caminho percorrido pelos elétrons rápidos é consideravelmente maior do que para partículas pesadas, o conceito
de alcance possui difícil definição de trajetória. Normalmente, o alcance para elétrons é obtido pelo alcance extrapolado, que seria ovalor de R 
(Fonte: Slideplayer).
e
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Decaimento Gama
O decaimento gama é caracterizado pela emissão de um fóton do núcleo do átomo, que permanece excitado após um
decaimento alfa ou beta. Nesse decaimento, o número atômico não muda, de forma que o átomo não sofre transmutação.
O espectro energético característico desse decaimento é discreto, correspondendo à energia , que se refere à diferença entre
os dois níveis de energia.
Abaixo segue o decaimento gama do Tecnécio no nível excitado (metaestável) para seu estado fundamental.
hν
A radiação gama é extremamente penetrante e ionizante, podendo produzir diversos danos biológicos a um ser vivo. A radiação
gama emitida pelo cobalto-60 é utilizada em radioterapia, no tratamento do câncer.
Atividade
1. O núcleo instável do átomo possui alguns mecanismos para alcançar a estabilidade. Dentre eles, a emissão de partícula beta é
caracterizada pela seguinte alteração nuclear do átomo:
a) É produzida pela captura de um elétron, por isso o número atômico do núcleo é reduzido em uma unidade sem alteração no número
de massa.
b) É produzida quando é emitido um nêutron, ficando o núcleo com igual número atômico e com o número de massa reduzido em uma
unidade. Trata-se de um isótopo do núcleo pai.
c) Consiste na emissão de um elétron, sem que sofra alteração do número atômico e diminui em uma unidade o número de massa.
d) Consiste na emissão de um elétron, aumentando em uma unidade o número atômico sem que sofra alteração no número de massa.
e) É uma transição isomérica que deixa o núcleo no estado fundamental com igual número atômico e número de massa.
2. Leia o texto a seguir:
“Descoberto neutrino gerado por buraco negro a 3,7 bilhões de anos-luz
Durante décadas, os astrônomos buscaram detectar neutrinos cósmicos de alta energia para aprender onde e como são geradas
estas partículas subatômicas
Washington – Uma equipe multidisciplinar de pesquisadores detectou um neutrino que foi gerado por um buraco negro
supermassivo a 3,7 bilhões de anos-luz da Terra, na constelação de Órion, segundo um estudo publicado nesta quinta-feira na
revista especializada ‘Science’.
‘Esta identi�cação inicia o novo campo da astronomia de alta energia de neutrinos, que esperamos gere avanços emocionantes
na nossa compreensão do universo e da física fundamental, incluindo como e onde são produzidas estas partículas de alta
energia’, a�rmou Doug Cowen, da Universidade Penn State, da Pensilvânia (EUA).
O neutrino em questão, identi�cado como IceCube-170922A, foi localizado pelo detector antártico IceCube no dia 22 de setembro
de 2017 e tinha uma energia de 300 trilhões de elétron-volts. Durante décadas, os astrônomos buscaram detectar neutrinos
cósmicos de alta energia para aprender onde e como são geradas estas partículas subatômicas, que têm uma energia de
milhares a milhões de vezes maiores às obtidas pelo Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas do mundo.
O desa�o principal na detecção destes neutrinos e o estudo das suas fontes, de acordo com os autores, é que eles interagem
‘muito fracamente’ com a matéria.
O detector IceCube conseguiu a primeira detecção de neutrinos cósmicos de alta energia em 2013, e começou a distribuir alertas
de novos neutrinos em abril de 2016.
‘Estes avisos estimularam uma impressionante série de observações de acompanhamento, mas não de fontes interessantes, até
que apareceu o IceCube-170922A’, explicou Derek Fox, outro dos pesquisadores principais.
A detecção regular de neutrinos, partículas elementares de massa muito pequena, similar à do elétron, e desprovidas de carga
elétrica, desencadeou uma sequência automatizada de observações de raios X e ultravioleta por parte do Observatório Neil
Gehrels Swift da Nasa e de outros 13 centros.
Junto com uma nova análise do conjunto completo de dados do equipamento do IceCube para essa região do céu, estas
observações proporcionam uma ‘forte evidência’ de que o neutrino foi gerado por um buraco negro supermassivo a 3,7 bilhões de
anos-luz da Terra, conhecido pelos astrônomos como TXS 0506 + 056.
‘Durante 20 anos, um de nossos sonhos foi identi�car as fontes de neutrinos cósmicos de alta energia, e parece que �nalmente
conseguimos’, comemorou Cowen.
Além de Cowen e Fox, o pesquisador Azadeh Keivani, da mesma universidade americana, também teve um papel importante
nesta descoberta.”
(Revista Exame, 12 jul. 2018, acessado em 5 ago. 2019).
A presença da partícula mencionada no título da matéria e de sua antipartícula está presente na desintegração nuclear beta+
(pósitron) e beta- (elétron). Em 1930, Wolfgan Pauli (prêmio Nobel em física em 1945) fez a sugestão de que existiria uma nova
partícula, batizada por Enrico Fermi de neutrino.
O antineutrino foi anunciado posteriormente, e essas duas partículas resolveram alguns problemas para a explicação do
decaimento beta. A desintegração beta+ pode assemelhar-se esquematicamente ao processo:
a) Próton + nêutron – beta mais + antineutrino
b) Próton – nêutron + beta mais + neutrino
c) Nêutron + beta mais – próton + antineutrino
d) Próton + pósitron – nêutron + beta mais
e) Próton + nêutron – beta menos + beta mais
3. Quando os raios X atingem o tecido do paciente, a radiação pode ser completamente espalhada, sem perda de energia;
absorvida, com perda total de energia; espalhada, com alguma absorção e perda de energia; ou transmitida, sem qualquer
alteração.
A transmissão desses raios X através do corpo do paciente depende da densidade e da espessura do tecido, além do coe�ciente
de atenuação de massa. Para os raios X usados em radiodiagnóstico, que têm de 10 a 150 keV de energia, as principais
interações são dos seguintes tipos: espalhamento coerente, efeito fotoelétrico e espalhamento Compton.
Os raios X de baixas energias são absorvidos no metal do ânodo e, depois, na ampola de vidro. Posteriormente, a �ltragem
também reduz a quantidade de raios X de baixas energias que não iriam conseguir atravessar o corpo para formar a imagem, e
apenas aumentariam a dose no paciente.
Assim, somente os raios X com energias mais altas são capazes de atravessar o corpo do paciente e contribuir para o
enegrecimento do �lme e, consequentemente, a formação da imagem. A atenuação sofrida por um feixe de radiação X ou gama,
ao atravessar uma espessura de um certo material, depende:
a) Unicamente da energia dos fótons.
b) Unicamente da natureza do material.
c) Unicamente do estado físico do material.
d) Da energia dos fótons e do estado físico do material.
e) Da energia dos fótons e da natureza do material.
4. A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma propagação de energia através de uma onda ou ser descrita como a
emissão de “pacotes” de energia chamados de fótons. No espectro eletromagnético, o raio X e o a radiação Gama são ondas
eletromagnéticas de alta frequência. Embora ambas sejam radiação eletromagnética, no que consiste a diferença entre um feixe
de raios X e um de raios gama, ambos monoenergéticos?
a) Na maior energia do feixe de raios X.
b) Na menor energia do feixe de raios X.
c) Em sua origem.
d) Em sua penetração.
e) Em seu espectro energético.
5. A emissão alfa, desintegração alfa ou decaimento alfa é uma forma de decaimento radioativo que ocorre quando um núcleo
atômico instável emite uma partícula alfa, transformando-se em outro núcleo atômico com número atômico duas unidades
menor e número de massa quatro unidades menor. Podemos a�rmar que o espectro de energia da emissão alfa para um dado
radionuclídeo é:
a) Discreto e independente do isótopo.
b) Contínuo e dependente do isótopo.
c) Contínuo, se não for acompanhado de emissão gama.
d) Discreto e dependente do isótopo.
e) Contínuo e dependente do tempo.
Notas
OER1
OER é a dose de radiação que produz uma dada resposta biológica sob condições anóxicas, dividida pela dose de radiação que
produz a mesma resposta biológica sob condições aeróbicas
datagrama2Para o transmissor, o datagrama recebido da camada de redes sempre é interpretado como um conjunto de bits, um número
binário, independentemente de o signi�cado real dos dados ser uma foto, um texto, um vídeo etc.
Cibridismo3
É estar on e off o tempo todo.
Somos seres ciber-hídridos, ou seja, temos uma constituição biológica, expandida por todas as interfaces tecnológicas que
adquirimos, e, cada vez mais, estaremos replicados em todas essas plataformas. Nossos conteúdos, dados pessoais, fotos,
vídeos, leituras, tudo o que faz parte da nossa vida está integrado nas interfaces que utilizamos, e não vivemos sem eles. Isso é
ser cíbrido.
Referências
COSTA, P. R. Apostila interação da radiação com a matéria. São Paulo DFN/IFUSP, 2010.
OKUNO, E.; IBERÊ, L. C.; CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil, 2010.
PODGORŠAK, E. B. Radiation Physics for Medical Physicists. Germany: Springer, 2005.
TAUHATA, L. et al. Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Rio de Janeiro: IRD/CNEN, 2013.
Próxima aula
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