Aula 4 _Energia das radiações

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Energia das Radiações
BIOFÍSICA
Ciências Biológicas
Profª Drª Leila Ribeiro
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SÍMBOLO DA RADIAÇÃO 
IONIZANTE
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Símbolo Proposto pela IAEA – 
International Atomic Energy Agency
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RADIAÇÃO
As radiações são produzidas por instabilidades que ocorrem no núcleo ou nas camadas eletrônicas, ou pela interação de outras radiações ou partículas com o núcleo ou com o átomo
ORIGENS:
Natural: elementos radioativos naturais, raios cósmicos, etc.;
	
Artificial: raios X, radioisótopos, reatores, aceleradores de partículas
Introdução
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ESTRUTURA E REPRESENTAÇÃO DE ÁTOMOS
Identificação de um elemento químico
Um mesmo elemento químico pode ter o seu núcleo constituído por uma quantidade diferente de nêutrons. Estes são os diferentes isótopos do mesmo elemento químico.
Por exemplo:
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Tipos de Radiação 
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RADIAÇÃO IONIZANTE 
Energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo – ionizar
Partículas carregadas: Alfa () e Beta ()
Partículas não carregadas: Nêutrons
Ondas eletromagnéticas: Gama (), Raios X.
RADIAÇÃO NÃO-IONIZANTE 
Energia suficiente para excitar os elétrons de um átomo.
O processo de excitação pode se dar pela interação da radiação com um elétron orbital.
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Radioatividade
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Alcance das Radiações Ionizantes
/ Raios-X
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RADIAÇÃO IONIZANTE
PARTICULAS CARREGADAS
Radiação 
Radiação 
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RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação 
Partículas com dois prótons e dois nêutrons (núcleo de um helio) - partícula pesada.
Possui duas cargas positivas 
Perde energia para o meio muito rapidamente - alcance pequeno (alguns centímetros no ar) 
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Quando um átomo emite uma partícula alfa, ele perde dois prótons e dois nêutrons. 
Deste modo, o átomo instável muda para um elemento diferente. 
Radiação 
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RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação 
Denominação dada ao elétron emitido pelo núcleo do átomo (negatrons ou pósitrons) - partícula leve 
Possui uma carga negativa (-) ou carga positiva (+) 
Perde energia para o meio rapidamente - alcance médio (até alguns metros no ar) 
Partículas beta são emitidas quando um nêutron do átomo se transforma em um próton ou um próton se transforma em nêutron.
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Radiação 
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RADIAÇÃO IONIZANTE
PARTICULAS NÃO CARREGADAS
Radiação de Nêutrons
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RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação de Nêutrons
Partícula pesada 
Não possui carga 
Perde energia para o meio de forma muito variável - extremamente dependente da energia 
A emissão nêutron está associada com a fissão nuclear. Fissão nuclear é usada em usinas nucleares para gerar o calor usado para produzir energia elétrica e ou aceleradores de partículas para produção de fármacos.
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RADIAÇÃO IONIZANTE
ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Radiação  
Radiação - X
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ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
São constituídas de campos elétricos (E) e magnéticos (B) oscilantes, propagando-se com velocidade constante.
Exemplos: raios X, radiação gama, ondas de rádio, ondas luminosas, radiação ultravioleta, radiação infravermelha.
Propagação com a velocidade da luz
Para entender o que vem por aí...
c = velocidade da luz no vácuo 3.108 m/s
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Energia radiante (ou eletromagnética) possui caráter ondulatório.
c = l x n
Velocidade de propagação da luz
Comprimento de onda.
Frequência de radiação
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A energia radiante inclui luz visível, radiação infravermelha e ultravioleta, ondas de rádio, raios X, micro-ondas...
... e se propaga com velocidade constante (c).
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No início do século XX...
Albert Einstein, que em 1905 apresentou estudos sobre o efeito fotoelétrico e a frequência da luz.
... foi demonstrado que a energia é “quantizada”, sendo enviada em “pacotes” de ondas carregadas pelos fótons. 
A energia de um fóton é calculada pela expressão:
E = h x n
Em que “h” é a constante de Planck = 6,63 x 10 -34 J x s e “v” é a freqüência da radiação emitida ou absorvida (s-1, ciclos por s).
Max Planck, que apresentou sua famosa equação em 1900.
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Já sabemos que:
e:
Então:
“A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda (“c” e “h” são constantes).
Haveria alguma relação entre a energia de um elétron e o comprimento de onda da luz emitida por um átomo?
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Ondas Eletromagnéticas emitidas do núcleo de átomos em estado excitado de energia 
Não possui carga 
Grande alcance (cm no concreto) 
RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação 
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ONDA ELETROMAGNÉTICA (IONIZANTE) produzida por elementos como o hidrogênio, césio, tório, urânio, plutônio, etc... 
- penetra em qualquer tecido orgânico (altera o núcleo das células) e até em material inorgânico (metais) - alta energia
RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação 
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60Co, 137Cs, 198Au, 192Ir, entre outras fontes de radiação, são utilizadas, dependendo de suas propriedades e de sua adequação ao tratamento preterido. Quando estas fontes se dividem emitem partículas alfa, beta e gama.
Braquiterapia é utilizada para tratar tumores de pequenas dimensões e permite que uma maior dose de radiação seja usada para o tratar e que baixas doses de radiação atinjam os tecidos normais próximos a ele.
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RADIAÇÃO IONIZANTE
Radiação X
Ondas Eletromagnéticas produzidas pela desaceleração de partículas carregadas (especialmente elétrons) - radiação de freamento ou Brehmstrahlung - ou pela transição de elétrons orbitais para órbitas mais internas do átomo - raio X característico.
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A detecção dos raios X pode ser feita de diversas maneiras, a principal é a impressão de chapas fotográficas que permite o uso medicinal e industrial através das radiografias.
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RADIAÇÃO NÃO IONIZANTE
PARTICULAS NÃO CARREGADAS
Excitação de elétrons
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Radiação não-ionizante 
A excitação de um elétron se dá quando a radiação promove este elétron para um nível de energia mais elevado, ou seja, transfere o elétron de uma camada eletrônica mais interna para uma camada eletrônica mais externa. 
O elétron permanece ligado ao átomo e não são produzidos íons.
Não possui energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo 
 Pode quebrar moléculas e ligações químicas 
 Ultravioleta, Infravermelho, Radiofreqüência, Microondas, Luz visível.
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INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO IONIZANTE COM A MATÉRIA
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Modos de interação da radiação ionizante com a matéria
	Transferência de energia da radiação para os átomos e moléculas do meio através do qual a radiação está passando.
Mecanismos principais
ionização
 excitação.
Consequência: deposição de energia nos tecidos vivos.
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Interação  com a matéria
As partículas carregadas pesadas são fortemente ionizantes, com grande transferência de energia para o meio, curto poder de penetração e grande ionização local.
Trajetória reta e curto alcance (range) na matéria.
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Interação  com a matéria
As partículas carregadas leves perdem energia por radiação (“bremsstrahlung”) e por ionização do meio, tendo maior poder de penetração no meio. Podem sofrer grandes desvios na trajetória e a ionização do meio é mais distribuída.
Acima vemos a simulação de um feixe de elétrons incidindo em uma superfície semelhante ao tecido humano.
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Interação Raios-X e Raios  com a matéria
Ocorre por meio de 3 efeitos principais:
 Efeito fotoelétrico - emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta, 
 Espalhamento Compton - é a diminuição de energia (aumento de comprimento de onda) de um fóton de raio-X ou de raio gama, quando ele interage com a matéria.
 Produção de pares - A produção de pares ocorre quando fótons com energia maior ou igual a 1,02 MeV passam próximos a núcleos de número atômico elevado. A radiação incidente interage com o núcleo transformando-se em duas partículas, o par elétron-pósitron.
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Efeito fotoelétrico
Predomina em baixas energias;
Fortemente dependente do Z (Z3);
elétrons ligados (camadas K e L);
absorção completa do fóton;
a energia é depositada localmente.
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Espalhamento Compton
Predomina em energias intermediárias;
praticamente independente do Z;
maior probabilidade com elétrons fracamente ligados (órbitas externas);
Parte da energia é removida do local pelo fóton espalhado.
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Produção de pares
Predomina em energias altas;
possui uma energia limiar de 1,022 MeV para ocorrer;
ocorre nas proximidades do núcleo.
OBS: Ocorre a aniquilação do pósitron após o mesmo perder toda a sua energia, gerando dois raios x de energia igual a 511 keV em direções opostas (180o) 
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GRANDEZAS E UNIDADES DA RADIAÇÃO
Atividade Radioativa
Decaimento Radioativo
Meia-vida física (T1/2)
Meia-vida Biológica
Exposição
Dose absorvida
Dose equivalente
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GRANDEZAS E UNIDADES
Onde λ é a constante de desintegração, que representa a probabilidade de desintegração de um núcleo por unidade de tempo. Esta constante é característica de cada radionuclídeo e o seu valor é medido experimentalmente e tabelado.
Grandeza física que nos dá a quantidade de desintegrações por unidade de tempo de uma amostra contendo N átomos de núcleos radioativos:
Atividade Radioativa
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Em 1977 a Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) definiu como unidade padrão de atividade o becquerel (Bq), definido como uma desintegração por segundo (1 Bq = 1 s-1).
Até recentemente a unidade utilizada era o curie (Ci), definido originalmente como a atividade de um grama de rádio e depois padronizada como 3,7 x 1010 desintegrações por segundo (exatamente).
Unidade de medida: 
Atual: bequerel (Bq) Antiga: curie (Ci)
1 Bq = 1/s 1 Ci = 3,7x1010 Bq
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Decaimento Radioativo
A atividade de uma fonte radioativa diminui com o passar do tempo, pois diminui o número de núcleos disponíveis para desintegração.
lembrando que....
a unidades de medida da atividade:
Antiga: curie (Ci)
Atual: bequerel (Bq)
1 Bq = 1s-1
 1 Ci = 3,7x1010 Bq
A = atividade no instante t
A0 = atividade inicial
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Meia-vida física (T1/2)
131I → 8 dias
201Tl → 3 dias
99mTc → 6 horas
235U → 713 milhões de anos
É o tempo necessário para que um material radioativo tenha sua atividade reduzida à metade de seu valor inicial.
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Por exemplo, 
O 131I tem uma meia-vida física de aproximadamente 8 dias. 
Uma atividade de 1000 Bq de 131I terá decaído para
500 Bq após 8 dias, 
250 Bq após 16 dias, 
125 Bq após 24 dias
 e assim sucessivamente.
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MEIA-VIDA BIOLÓGICA
Meia-vida efetiva
É o tempo necessário para ocorrer a eliminação da metade do material presente no organismo.
Quando a retenção se dá principalmente num único órgão, a taxa de eliminação é proporcional à quantidade existente no órgão, resultando também numa queda aproximadamente exponencial do conteúdo existente no organismo
A combinação da eliminação biológica e do decaimento radioativo nos dá a meia vida efetiva no organismo:
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EXPOSIÇÃO
A exposição é uma grandeza física especial, que nos dá uma medida da intensidade da radiação gama e X se propagando no ar.
Esta grandeza baseia-se na quantidade de ionização do ar medida por meio de uma câmara de ionização.
Formalmente a exposição é definida como a razão entre a carga elétrica total de mesmo sinal gerada num determinado volume de ar (Q), dividida pela massa (m) desse volume nas CNTP:
Unidade de medida:
SI : C/kg antiga: röentgen (R)
1 R = 2,5810-4 C/kg
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DOSE ABSORVIDA
É a quantidade de energia absorvida (E) por unidade de massa (m) de um material irradiado.
J/kg = (Gy) gray 
 
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DOSE EQUIVALENTE
Além de considerar a energia absorvida, considera fatores como o tipo de radiação, a energia e a distribuição da radiação no tecido para poder inferir os possíveis danos biológicos.
H – Dose equivalente
D – Dose absorvida
Q – Fator de qualidade da radiação
A mesma dose de radiação em Grays, produzida por diferentes tipos de radiação, não provoca necessariamente os mesmos efeitos biológicos ou com a mesma intensidade.
Sv (sievert)
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A exposição normal dos indivíduos deve ser restringida de tal modo que nem a dose efetiva nem a dose equivalente nos órgãos ou tecidos de interesse, causadas pela possível combinação de exposições originadas por práticas autorizadas, excedam o limite de dose especificado na tabela a seguir, salvo em circunstâncias especiais, autorizadas pela CNEN – Comissão Nuclear de Energia Nuclear.
Esses limites de dose não se aplicam às exposições médicas 
Limitação de Dose Individual 
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Radiobiologia
 
(Efeitos das Radiações em Seres Vivos)
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EFEITO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES EM
TECIDOS VIVOS
 Resultado de interações em nível atômico (células);
 Interações: ionização e excitação de elétrons orbitais;
 Consequência: deposição de energia no tecido.
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MECANISMO DE AÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES
Fenômeno Físico – Consiste na ionização e excitação
dos átomos, resultante da troca de energia entre a radiação e a matéria.
Fenômeno químico – Consiste na ruptura de ligações
químicas nas moléculas e formação de radicais livres.
Fenômenos Bioquímicos e fisiológicos –
Dependendo do órgão atingido teremos o aparecimento
de efeitos que alteram as funções específicas das células responsáveis pela atividade da substância viva.
Lesões observáveis – Aparecem após um intervalo de
tempo variável e podem ocorrer a nível celular ou a nível do organismo inteiro provocando alterações morfológicas ou funcionais.
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HISTÓRICO DOS EFEITOS BIOLÓGICOS DAS
RADIAÇÕES IONIZANTES
 Século XVI – Primeiras referências de efeitos danosos no homem – Câncer de pulmão em trabalhadores de minas subterrâneas na Alemanha. 400 anos antes da descoberta da radioatividade.
 1895 – Descoberta do raio-X (Roëntgen) e casal Curie trabalhava com as radiações provenientes do Rádio.
 1900 – Casos de lesão por raios-X foram relatados na literatura. Pierre Curie descreve as lesões no antebraço de Marie Curie.
 1902 – Primeiro caso de indução de câncer por radiação ionizante relatado na literatura.
 1903 – Provou-se que a radiação ionizante produzia variação na composição sangüínea
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HISTÓRICO DOS EFEITOS BIOLÓGICOS DAS
RADIAÇÕES IONIZANTES
 1910 – Relatos de câncer de pele em pessoas constantemente expostas ao raio-X
 1922 – Aproximadamente 100 médicos haviam morrido devido do uso indiscriminado do raio-X
 1942 – Primeira reação em cadeia controlada
 1945 – Explosões atômicas de Hiroshima e Nagazaki
 1986 – Acidente nuclear de Chernobyl
 1987 – Acidente radioativo de Goiânia
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Uma contaminação, radioativa ou não, caracteriza-se pela presença indesejável de um material em determinado local, onde não deveria estar.
A irradiação é a exposição de um objeto ou um corpo à radiação, o que pode ocorrer a alguma distância, sem necessidade de um contato íntimo.
Irradiação não contamina mas 
contaminação irradia
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EFEITO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES EM TECIDOS VIVOS 
Quando irradia-se o tecido biológico, a resposta à radiação (dano ao tecido) é determinado principalmente pela quantidade de energia depositada por unidade de massa: dose;
 Em condições controladas de experimento, quando doses iguais são entregues à células iguais, a resposta pode não ser a mesma devido a fatores modificadores;
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LET: Transferência Linear de Energia
É a medida da taxa em que a energia é transferida da radiação ionizante para o tecido vivo.
Energia depositada/unidade de percurso
Unidade: keV/μm
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EFEITOS DA RADIAÇÃO NAS CÉLULAS E MOLÉCULAS
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EFEITO DA RADIAÇÃO NO DNA 
 DNA é a molécula mais importante do corpo humano pois contém a informação genética das células
Se a radiação prejudica o DNA severamente, aberrações cromossômicas podem ser detectadas;
Se um número de células do mesmo tipo respondem similarmente, então um tecido ou órgão pode ser destruído;
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EFEITO DA RADIAÇÃO NO DNA
 Danos ao DNA podem resultar em atividade metabólica anormal;
 Uma proliferação não controlada rápida de células é a característica principal de doença maligna radioinduzida.
 Se o dano no DNA ocorrer em células germinativas, é provável que a resposta à radiação somente seja notada em gerações futuras;
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EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DAS RADIAÇÕES 
• As radiações podem interagir diretamente com componentes celulares, como DNA, provocando alterações estruturais;
• O efeito direto corresponde a 30% dos efeitos biológicos das radiações;
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EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DAS RADIAÇÕES
As radiações podem interagir com o meio onde os constituintes celulares e as próprias células estão, produzindo os radicais livres;
Como o corpo humano tem 80% de H20, sabe-se que o principal efeito das radiações é o indireto;
O efeito indireto corresponde a 70% do efeitos das radiações ionizantes no tecido vivo.
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EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DAS 
RADIAÇÕES
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OS EFEITOS BIOLÓGICOS DA RADIAÇÃO IONIZANTE PODEM SER DIVIDIDOS EM:
Efeitos Determinísticos
Efeitos Estocásticos
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Determinísticos
São efeitos que ocasionam um grau de morte celular não compensado pela reposição ou reparo, com prejuízos detectáveis no funcionamento de tecidos ou órgãos. A gravidade do efeito aumenta com o aumento da dose.
Ex: Catarata (5 Gy em uma exposição única), 
Ocorrem a partir de um determinado limiar de dose.
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Efeitos Determinísticos
Fonte: ICRP Suporting Guidance 2
		
		
		Dose limiar (mGy)
		Orgão/tecido
		Efeito
		Exposição única em curto período
		Exposição fracionada
(doses repetidas for vários anos)
		Testículos
		Esterilidade temporária
		150
		400
		
		Esterilidade permanente
		3500 a 6000
		2000
		Ovários
		Esterilidade
		2500 a 6000
		>200
		Cristalino
		Opacicidade detectável
		500 a 2000
		>100
		
		catarata
		5000
		>150
		Medula óssea
		Danos ao tecido hematopoetico
		500
		>400
		Pele
		Eritema
		2000
		
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Estocásticos
São efeitos em que a probabilidade de ocorrência é proporcional à dose de radiação recebida.
Ex: mutação e carcinogênese.
Não é possível estabelecer limite de dose abaixo da qual não ocorrem.
O dano é proporcional a dose.
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Fonte: ICRP Suporting Guidance 2
Efeitos Estocásticos
		Procedimento diagnóstico
		Dose efetiva aproximada (mGy)
		Risco adicional de câncer, por exame, na vida do indivíduo
		Raio X de pulmão, odontológico, extremidades
		0,01
		Desprezível
		Raio X de crânio
		0,1
		1 em 1.000.000 a 1 em 100.000
		Raio X de abdome, coluna, pelve, CT do crânio, etc.
		1
		1 em 100.000 a 1 em 10.000
		Raio X em crianças, estômago, colon, enema de bário, CT de abdome, etc
		10
		1 em 10.000 a 1 em 1.000
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Quando a quantidade ou efeito biológico produzido pela radiação começa a desequilibrar o organismo humano ou o funcionamento de algum órgão, surgem sintomas clínicos - DOENÇAS
Fases do efeito biológico produzido pela radiação
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Aplicações das Radiações
em Medicina
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O uso de materiais radioativos na medicina engloba tanto o diagnóstico como a terapia
Diagnóstico:
Os ensaios realizados para diagnóstico podem ser:
 “in vivo” ou “in vitro”.
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“in vivo”
Nos ensaios “in vivo”, o radioisótopo é administrado diretamente no paciente. 
O material a ser administrado, contendo uma pequena concentração do radioisótopo, deve ter afinidade com o tecido ou o órgão que se quer observar.
A radiação emitida produz uma imagem que revela o tamanho, a forma, as condições do órgão e, principalmente, sua dinâmica de funcionamento.
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Este tipo de ensaio é utilizado para todos os órgãos e sistemas do corpo humano, destacando-se, entre muitos, os estudos do miocárdio, da função renal e tireoidiana e a detecção de neuroblastomas.
Imagem de radiodiagnóstico mostrando o aumento do fluxo sangüíneo cerebral, utilizando 15O.
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 ensaios “in vitro” 
consistem na retirada de material orgânico do paciente, em geral plasma sangüíneo (sangue), e na reação de substâncias marcadas com material radioativo com algumas substâncias presentes no plasma, e posteriormente, medidas em detectores de radiação. 
A atividade detectada indica a presença e a concentração das substâncias que estão sendo analisadas.
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 Terapia
Nesta prática, a irradiação do paciente,
 a fim de destruir as células cancerígenas 
de um órgão, pode ser feita de três formas 
distintas:
A fonte radioativa é posicionada a certa distância do paciente e a irradiação se dá por feixe colimado (teleterapia).
b) A fonte radioativa é posicionada em contato direto com o tumor ou inserida no mesmo (braquiterapia).
c) A substância radioativa é injetada no paciente, a qual se instala no órgão de interesse por compatibilidade bioquímica.
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 Terapia
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Principais radiofármacos utilizados e seus respectivos órgãos ou tecidos de incorporação preferencial
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Todos os elementos figurados do sangue (glóbulos brancos, glóbulos vermelhos e plaquetas) originam-se das chamadas células-tronco pluripotenciais. Estas células constituem o tecido hematopoiético ou tecido reticular.
Este tecido é encontrado no baço, no timo, nódulos linfático e na medula óssea vermelha.
Efeito das Radiações Ionizantes no Homem
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Efeito das Radiações Ionizantes no Homem
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Para saber mais visite:
http://www.cnen.gov.br - Várias apostilas disponíveis e confiáveis
http://www.iaea.org
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