Radiologia: Física Nuclear, Radiação Eletromagnética, Radiação Corpuscular e Radiação Ionizante

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Unidade 4 - Radiologia
Conteu´do
1 Introduc¸a˜o 1
2 F´ısica Nuclear 1
2.1 A´tomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Pro´ton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3 Neˆutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.4 Ele´tron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Radiac¸a˜o Eletromagne´tica 4
3.1 Interac¸a˜o Radiac¸a˜o-Mate´ria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 Raios-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Radiac¸a˜o Corpuscular 5
4.1 Raios Alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Raios Beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5 Radiac¸a˜o ionizante 7
1 Introduc¸a˜o
De modo geral, vivemos em um mundo repleto de radiac¸o˜es que constantemente esta˜o em contato com
nossos corpos e que sequer podemos nota´-las. Para nossa felicidade, grande parte dessa radiac¸a˜o na˜o e´ nociva
a` nossa sau´de (pelo menos nada foi ate´ o momento confirmado atestando o contra´rio), de modo que mesmo
na˜o “sentindo” radiac¸a˜o, podemos apenas nos preocupar apenas com seus benef´ıcios.
Em f´ısica, radiac¸a˜o e´ a propagac¸a˜o da energia em uma onda eletromagne´tica ou part´ıcula, com ou sem
carga ele´trica. As radiac¸o˜es podem ser emitidas tanto artificialmente em procedimentos me´dicos ou atividades
industriais, quanto naturalmente como a luz solar. Podemos classificar a radiac¸a˜o em duas grandes a´reas:
• Radiac¸o˜es Eletromagne´ticas;
• Radiac¸o˜es Corpusculares;
2 F´ısica Nuclear
Em geral, o ramo da F´ısica responsa´vel pela ana´lise dos processos radioativos e´ a chamada F´ısica Nuclear.
F´ısica Nuclear e´ a a´rea da f´ısica que estuda os constituintes e interac¸o˜es dos nu´cleos atoˆmicos. As
aplicac¸o˜es mais conhecidas da f´ısica nuclear sa˜o a gerac¸a˜o de energia nuclear e tecnologia de armas nucleares,
mas a investigac¸a˜o tem proporcionado aplicac¸a˜o em muitos campos, incluindo aqueles em medicina nuclear
e ressonaˆncia magne´tica, implantac¸a˜o de ı´ons em engenharia de materiais, e datac¸a˜o por radiocarbono em
geologia e arqueologia. Alguns conceitos fundamentais dessa a´rea devem ser compreendidos:
1
2.1 A´tomo
A´tomo e´ uma unidade ba´sica de mate´ria que consiste num nu´cleo central de carga ele´trica positiva envolto
por uma nuvem de eletro˜es de carga negativa. O nu´cleo atoˆmico e´ composto por pro´tons e neˆutrons. Os
ele´trons de um a´tomo esta˜o ligados ao nu´cleo por forc¸a eletromagne´tica. Da mesma forma, um grupo de
a´tomos pode estar ligado entre si atrave´s de ligac¸o˜es qu´ımicas baseadas na mesma forc¸a, formando uma
mole´cula. Um a´tomo que tenha o mesmo nu´mero de pro´tons e ele´trons e´ eletricamente neutro, enquanto
que um com nu´mero diferente pode ter carga positiva ou negativa, sendo desta forma denominado ı´ons. Os
a´tomos sa˜o classificados de acordo com o nu´mero de pro´tons no seu nu´cleo: o nu´mero de pro´tons determina
o elemento qu´ımico e o nu´mero de neˆutrons determina o iso´topo desse elemento.
Os a´tomos sa˜o objetos minu´sculos cujo diaˆmetro e´ de apenas algumas de´cimas de nanoˆmetros e com pouca
massa em relac¸a˜o ao seu volume. A sua observac¸a˜o so´ e´ poss´ıvel com recurso a instrumentos apropriados,
como o microsco´pio de corrente de tunelamento. Cerca de 99,94% da massa ato´mica esta´ concentrada no
nu´cleo, tendo os pro´tons e neˆutrons aproximadamente a mesma massa. Cada elemento possui pelo menos
um iso´topo com nucl´ıdeo insta´vel que pode sofrer decaimento radioativo. Isto pode levar a` ocorreˆncia de
uma transmutac¸a˜o que altere o nu´mero de pro´tons ou neˆutrons no interior do nu´cleo. Os ele´trons ligados a
a´tomos possuem um conjunto esta´vel de n´ıveis energe´ticos, ou orbitais atoˆmicos, podendo sofrer transic¸o˜es
entre si ao absorver ou emitir foto˜es que correspondam a` diferenc¸a de energia entre esses n´ıveis. Os eletro˜es
definem as propriedades qu´ımicas de um elemento e influenciam as propriedades magne´ticas de um a´tomo.
A mecaˆnica quaˆntica e´ a teoria que descreve corretamente a estrutura e as propriedades dos a´tomos.
2.2 Pro´ton
O pro´ton (portugueˆs brasileiro) e´ uma part´ıcula subatoˆmica, de s´ımbolo p ou p+, com uma carga ele´trica
positiva de +1e carga elementar e com uma massa ligeiramente menor do que a de um neˆutron (Outra
part´ıcula subatoˆmica encontrada nos a´tomos). Os pro´tons e os neˆutrons, possuem massa de aproximadamente
uma unidade de massa atoˆmica, sa˜o referidos coletivamente como ”nucleon”, pro´tons esta˜o presentes no
nu´cleo de um a´tomo. O nu´mero de pro´tons no nu´cleo e´ conhecido como nu´mero atoˆmico. Uma vez que cada
elemento tem um u´nico nu´mero de pro´tons, cada elemento tem o seu pro´prio nu´mero atoˆmico. A palavra
pro´ton significa em grego ”primeiro”, e esse nome foi dado ao nu´cleo de hidrogeˆnio por Ernest Rutherford
em 1920. Nos anos anteriores, Rutherford descobriu que o nu´cleo de hidrogeˆnio (conhecido por ser o nu´cleo
mais leve) podia ser extra´ıdo dos nu´cleos de nitrogeˆnio por colisa˜o. O pro´ton foi, portanto, um candidato a
ser uma part´ıcula fundamental e um bloco de construc¸a˜o para nitrogeˆnio e todos os outros nu´cleos atoˆmicos
mais pesados.
No moderno modelo padra˜o da f´ısica de part´ıculas, o pro´ton e´ um ha´dron, e como o neˆutron, o outro
nu´cleon (part´ıculas presentes no nu´cleo atoˆmico), e´ composto por treˆs quarks. Embora o pro´ton foi inici-
almente considerado uma part´ıcula fundamental, um pro´ton e´ agora compreendido a ser composto por treˆs
quarks de valeˆncia: dois quarks up e um quark down. Pensa-se que as massas de repouso dos quarks contri-
buem apenas cerca de 1% da massa do pro´ton. O restante da massa dos pro´tons se deve a` energia cine´tica
dos quarks e a` energia dos campos de glu´ons que ligam os quarks juntos.
Ja´ que o pro´ton na˜o e´ uma part´ıcula fundamental, ele possui um tamanho f´ısico — Embora isto na˜o e´
perfeitamente bem definido ja´ que a superf´ıcie de um pro´ton e´ um tanto distorcida. O raio do pro´ton e´ de
cerca de 0.84-0.87 fm.
O pro´ton livre (um pro´ton que na˜o esta´ ligado a nu´cleons ou ele´trons) e´ uma part´ıcula esta´vel que
na˜o tenha sido observada para separar espontaneamente a outras part´ıculas. Pro´tons livres sa˜o encontrados
naturalmente em va´rias situac¸o˜es em que as energias ou as temperaturas sa˜o altas o suficiente para separa´-los
de ele´trons, para que eles tenham alguma afinidade. Pro´tons livres existem em plasmas em que a temperatura
e´ bastante elevada para permitir que eles se combinem com os ele´trons. Pro´tons livres de alta energia e
velocidade compo˜em 90% dos raios co´smicos, que se propagam no va´cuo em distaˆncias interestelares. Pro´tons
livres sa˜o emitidos diretamente de nu´cleos atoˆmicos em alguns tipos raros de decaimento radioativo. Pro´tons
tambe´m resultam (junto com os ele´trons e os antineutrinos) do decaimento radioativo de neˆutrons livres, que
sa˜o insta´veis.
Em temperaturas suficientemente baixas, pro´tons livres ligam-se aos ele´trons. No entanto, as propriedades
de tais pro´tons ligados na˜o mudam, e eles permanecem pro´tons. Um pro´ton em um ra´pido movimento
atrave´s da mate´ria vai desacelerar por conta das interac¸o˜es com ele´trons e nu´cleos, ate´ que ele seja capturado
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pela nuvem eletroˆnica de um a´tomo. O resultado e´ um a´tomo protonado, que e´ um composto qu´ımico de
hidrogeˆnio. No va´cuo, quando os ele´trons livres esta˜o presentes, um pro´ton suficientemente lento pode pegar
um u´nico ele´tron livre, tornando-se um a´tomo de hidrogeˆnio neutro,que e´ quimicamente um radical livre. Tais
”a´tomos de hidrogeˆnio livres”tendem a reagir quimicamente com muitos outros tipos de a´tomos em energias
suficientemente baixas. Quando os a´tomos de hidrogeˆnio livres reagem uns com os outros, eles formam
mole´culas neutras de hidrogeˆnio (H2), que e´ o componente molecular mais comum de nuvens moleculares
no espac¸o interestelar. Tais mole´culas de hidrogeˆnio na Terra podem, enta˜o, servir (entre muitos outros
usos) como uma fonte conveniente de pro´tons para aceleradores (como o utilizado na terapia de pro´tons) e
em outros experimentos de f´ısica de part´ıculas com ha´drons que exigem que pro´tons acelerem, com o mais
nota´vel exemplo sendo o acelerador de part´ıculas Large Hadron Collider.
2.3 Neˆutron
Hoje sabemos que o neˆutron na˜o e´ uma part´ıcula elementar, mas quando foi descoberto ele assim era
considerado. Sabemos que part´ıculas de mesma carga se repelem por causa da repulsa˜o ele´trica, desta forma
na˜o seria poss´ıvel um nu´cleo atoˆmico ser esta´vel contendo apenas pro´tons, fazendo-se necessa´rio uma part´ıcula
neutra que estivesse presente no nu´cleo dos a´tomos para dar essa estabilidade.
Cientistas passaram a buscar essa part´ıcula neutra do nu´cleo. Por volta de 1920, Ernest Rutherford e
tambe´m outros f´ısicos sugeriam uma part´ıcula eletricamente neutra formada por um pro´ton e um ele´tron.
Dessa maneira obter´ıamos uma carga nula, ou seja, e´ como se soma´ssemos -1 e +1. Eles previam tambe´m uma
massa muito pro´xima a` do pro´ton. Para essa nova part´ıcula que foi prevista deram o nome de neˆutron, no
entanto essa teoria na˜o deu muito certo: a mecaˆnica quaˆntica oferecia muitos argumentos que contrariavam
essa suposic¸a˜o do neˆutron, como por exemplo o Princ´ıpio da incerteza de Heisenberg. Esse princ´ıpio nos diz
que a incerteza de uma medida e´ inevita´vel, ou seja, e´ imposs´ıvel medir a velocidade de uma part´ıcula e sua
posic¸a˜o ao mesmo tempo sem que essa mesma part´ıcula sofra influeˆncia do instrumento de medic¸a˜o.
Segundo este princ´ıpio, seria imposs´ıvel que um ele´tron ficasse preso em um espac¸o ta˜o pequeno quanto o
nu´cleo atoˆmico: o ele´tron possuiria uma velocidade ta˜o grande que escaparia do nu´cleo. A ideia do neˆutron foi
muito boa pois com ele podemos explicar os iso´topos de um elemento qu´ımico, ale´m da estabilidade atoˆmica.
No entanto, por ser eletricamente neutro, o neˆutron tornou-se extremamente dif´ıcil de se observar.
Em 1928, Walter Bothe e Herbert Becker, em uma experieˆncia usando poloˆnio como fonte de part´ıcula
alfa, observaram o neˆutron sem se dar conta. Ambos observaram uma radiac¸a˜o neutra penetrante, mas
pensaram ser raios X. Foi enta˜o que, em 1932, o f´ısico James Chadwick refez uma experieˆncia de Fre´de´ric
Joliot-Curie e Ire`ne Joliot-Curie e percebeu que eles haviam observado uma versa˜o neutra do pro´ton. Treˆs
anos mais tarde recebeu o Pre´mio Nobel de F´ısica.
Atualmente sabemos que o neˆutron e´ necessa´rio para a estabilidade de quase todos os nu´cleos atoˆmicos (a
u´nica excec¸a˜o e´ o hidrogeˆnio), ja´ que a forc¸a nuclear forte faz com que seja atra´ıdo por ele´trons e pro´tons, mas
na˜o seja repelido por nenhum, como acontece com os pro´tons, que se atraem nuclearmente mas se repelem
eletrostaticamente.
2.4 Ele´tron
A existeˆncia do ele´tron foi postulada por George Johnstone Stoney, como uma unidade de carga no
campo da eletroqu´ımica. O ele´tron foi descoberto por Thomson em 1897 no Laborato´rio Cavendish, da
Universidade de Cambridge, enquanto estudava o comportamento dos raios cato´dicos. Influenciado pelo
trabalho de Maxwell e o descobrimento dos raios X.
”O Tubo de Raios cato´dicos de J.J. Thomson”. O tubo de raios cato´dicos e´ semelhante ao tubo de
imagem de um aparelho de televisa˜o. Part´ıculas carregadas (hoje conhecidas como ele´trons) sa˜o emitidas por
um filamento aquecido em uma das extremidades de um tubo evacuado e aceleradas por uma diferenc¸a de
potencial ele´trico (V). Depois de passarem por uma fenda em um anteparo, formam um feixe estreito. Em
seguida, passam por uma regia˜o onde existem dois campos cruzados e atingem uma tela fluorescente, onde
produzem um ponto luminoso (na televisa˜o os pontos sa˜o parte da imagem).
As Forc¸as a que o ele´tron e´ submetido na regia˜o de campos cruzados podem desvia´-lo do centro da tela.
(como o sentido da deflexa˜o depende do sinal da carga das part´ıculas, Thompson foi capaz de provar que as
part´ıculas responsa´veis pelo ponto luminoso na tela tinham carga negativa).
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Thomson tambe´m afirmou que essas part´ıculas estavam presentes em todas as formas de mate´ria e tambe´m
eram mais de 1000 vezes mais leves que o a´tomo mais leve conhecido (hidrogeˆnio).
Ainda que George Johnstone Stoney haja proposto a existeˆncia do ele´tron, foi Thomson quem descobriu
seu cara´ter de part´ıcula fundamental. Para confirmar a existeˆncia do ele´tron, era necessa´rio medir suas
propriedades, em especial a sua carga ele´trica. Este objetivo foi alcanc¸ado por Millikan, atrave´s da ce´lebre
experieˆncia da gota de azeite, realizada em 1909.
George Paget Thomson, filho de J.J. Thomson, demonstrou a natureza ondulato´ria do ele´tron, provando
a dualidade onda-corpu´sculo postulada pela mecaˆnica quaˆntica. Esta descoberta lhe valeu o Pre´mio Nobel
de f´ısica de 1937.
O spin do ele´tron foi observado pela primeira vez pela experieˆncia de Stern-Gerlach. Sua carga ele´trica
pode ser medida diretamente atrave´s de um eletroˆmetro e a corrente gerada pelo seu movimento com um
galvanoˆmetro.
3 Radiac¸a˜o Eletromagne´tica
A radiac¸a˜o eletromagne´tica e´ uma oscilac¸a˜o em fase dos campos ele´tricos e magne´ticos, que, autossustentando-
se, encontram-se desacoplados das cargas ele´tricas que lhe deram origem. As oscilac¸o˜es dos campos magne´ticos
e ele´tricos sa˜o perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a propagac¸a˜o de uma onda transversal,
cujas oscilac¸o˜es sa˜o perpendiculares a` direc¸a˜o do movimento da onda (como as ondas da superf´ıcie de uma
laˆmina de a´gua), que pode se deslocar atrave´s do va´cuo. Dentro do ponto de vista da Mecaˆnica Quaˆntica,
podem ser entendidas, ainda, como o deslocamento de pequenas part´ıculas, os fo´tons.
O espectro vis´ıvel, ou simplesmente luz vis´ıvel, e´ apenas uma pequena parte de todo o espectro da ra-
diac¸a˜o eletromagne´tica poss´ıvel, que vai desde as ondas de ra´dio aos raios gama. A existeˆncia de ondas
eletromagne´ticas foi prevista por James Clerk Maxwell e confirmada experimentalmente por Heinrich Hertz.
A radiac¸a˜o eletromagne´tica encontra aplicac¸o˜es como a radiotransmissa˜o, seu emprego no aquecimento de
alimentos (fornos de micro-ondas), em lasers para corte de materiais ou mesmo na simples laˆmpada incan-
descente.
A radiac¸a˜o eletromagne´tica pode ser classificada de acordo com a frequeˆncia da onda, em ordem crescente,
nas seguintes faixas: ondas de ra´dio, micro-ondas, radiac¸a˜o terahertz, radiac¸a˜o infravermelha, luz vis´ıvel,
radiac¸a˜o ultravioleta, raios X e radiac¸a˜o gama.
O comportamento da onda eletromagne´tica depende do seu comprimento de onda. Ondas com frequeˆncias
altas possuem comprimento de onda curto e, por outro lado, ondas com frequeˆncias baixas possuem compri-
mento de onda longo . Quando uma onda interage com uma u´nica part´ıcula ou mole´cula, seu comportamento
depende da quantidade de fo´tons por ela carregada. Atrave´s da te´cnica denominada Espectroscopia o´ptica,
e´ poss´ıvel obter-se informac¸o˜es sobre uma faixa vis´ıvel mais larga do que a visa˜o normal. Um espectrosco´pio
comum pode detectar comprimentos de onda de 2 nm a 2500 nm.
Essas informac¸o˜es detalhadas podem informar propriedades f´ısicas dos objetos, gases e ate´ mesmo estrelas.
Por exemplo, um a´tomo de hidrogeˆnio emite ondas em comprimentos de 21,12 cm. A luz propriamente dita
corresponde a` faixa que e´ detectada pelo olho humano,entre 400 nm a 700 nm. As ondas de ra´dio sa˜o
formadas de uma combinac¸a˜o de amplitude, frequeˆncia e fase da onda com a banda da frequeˆncia.
3.1 Interac¸a˜o Radiac¸a˜o-Mate´ria
O efeito biolo´gico mais o´bvio das ondas eletromagne´ticas se da´ em nossos olhos: a luz vis´ıvel impressiona
as ce´lulas do fundo da retina, causando a sensac¸a˜o visual. Pore´m, existem outros efeitos mais sutis.
Sabe-se que, em determinadas frequeˆncias, as ondas eletromagne´ticas podem interagir com mole´culas
presentes em organismos vivos, por ressonaˆncia, isto e´, as mole´culas cujas frequeˆncias fundamentais sejam
iguais a` da onda em questa˜o ”captam”essa oscilac¸a˜o, como uma antena de TV. O efeito sobre a mole´cula
depende da intensidade (amplitude) da onda, podendo ir do simples aquecimento a` modificac¸a˜o da estrutura
molecular. O exemplo mais fa´cil de ser observado no dia a dia e´ o de um forno de micro-ondas: as micro-
ondas do aparelho, capazes de aquecer a a´gua presente nos alimentos, teˆm exatamente o mesmo efeito sobre
um tecido vivo. Os efeitos da exposic¸a˜o de um animal a uma fonte potente de micro-ondas podem ser
catastro´ficos. Por isso se exige o isolamento f´ısico de equipamentos de telecomunicac¸o˜es que trabalham na
faixa de micro-ondas, como as estac¸o˜es ra´dio-base de telefonia celular.
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Assim como as micro-ondas afetam a a´gua, ondas em outra frequeˆncia de ressonaˆncia podem afetar uma
infinidade de outras mole´culas. Ja´ foi sugerido que a proximidade a linhas de transmissa˜o teria relac¸o˜es com
casos de caˆncer em crianc¸as, por via de supostas alterac¸o˜es no DNA, provocadas pela prolongada exposic¸a˜o
ao campo eletromagne´tico gerado pelos condutores. Tambe´m ja´ se especulou que o uso excessivo do telefone
celular teria relac¸a˜o com casos de caˆncer no ce´rebro, pelo mesmo motivo. Ate´ hoje, nada disso foi provado.
Tambe´m ja´ foram feitas experieˆncias para analisar o efeito de campos magne´ticos sobre o crescimento de
plantas, sem nenhum resultado conclusivo.
3.2 Raios-X
O raio X e´ um tipo de radiac¸a˜o eletromagne´tica com frequeˆncias superiores a`s radiac¸o˜es ultravioletas, ou
seja, maiores que 1018 Hz. A Descoberta do raio X e a primeira radiografia da histo´ria ocorreram em 1895,
pelo f´ısico alema˜o Wilheelm Conrad Rontgen, fato esse que lhe rendeu o preˆmio Nobel de f´ısica em 1901.
Foi durante o estudo da luminesceˆncia por raios cato´dicos num tubo de Crookes que Conrad descobriu esse
raio. A denominac¸a˜o “raio X” foi usada por Conrad porque ele na˜o conhecia a natureza da luz que ele tinha
acabado de descobrir, ou seja, para ele tratava-se de um raio desconhecido.
Os raios X sa˜o obtidos atrave´s de um aparelho chamado de Tubo de Coolidge. Esse e´ um tubo oco,
evacuado e que conte´m um ca´todo em seu interior. Quando esse ca´todo e´ aquecido por uma corrente ele´trica,
que e´ fornecida por um gerador, ele emite grande quantidade de ele´trons que sa˜o fortemente atra´ıdos pelo
aˆnodo, chegando a este com grande energia cine´tica. Quando eles se chocam com o aˆnodo, transferem energia
para os ele´trons que esta˜o nos a´tomos dos aˆnodos. Os ele´trons com energia sa˜o acelerados e enta˜o emitem
ondas eletromagne´ticas que sa˜o os raios X.
Atrave´s de estudos sobre os raios X, Rontgen verificou que os mesmos teˆm a propriedade de atravessar
materiais de baixa densidade, como os mu´sculos por exemplo, e sa˜o absorvidos por materiais com densidades
mais elevadas como, por exemplo, os ossos. Foi em raza˜o dessa descoberta que esses raios passaram a ser
largamente utilizados para realizac¸a˜o de radiografias. Hoje o raio X possui vasto campo de aplicac¸a˜o, ale´m
da aplicac¸a˜o nas radiografias. Sa˜o utilizados, por exemplo, no tratamento de caˆncer, na pesquisa de estrutura
cristalina dos so´lidos, na indu´stria e em muitos outros campos da cieˆncia e da tecnologia.
Os raios X propagam-se com a velocidade da luz e, como qualquer outra onda eletromagne´tica, esses raios
esta˜o sempre sujeitos aos fenoˆmenos da refrac¸a˜o, reflexa˜o, difrac¸a˜o, polarizac¸a˜o e interfereˆncia.
Vale lembrar que, assim como outras coisas, esse raio possui ac¸o˜es bene´ficas e male´ficas. A exposic¸a˜o de-
morada desse raio no corpo humano pode causar se´rios danos a` sau´de como, por exemplo, leso˜es cancer´ıgenas,
morte de ce´lulas,
4 Radiac¸a˜o Corpuscular
Radiac¸a˜o corpuscular e´ a radiac¸a˜o constitu´ıda de um feixe de part´ıculas elementares ou de nu´cleos
atoˆmicos, tais como ele´trons, pro´tons, neˆutrons, me´sons pi, deˆuterons e part´ıculas alfa.
Esse tipo de radiac¸a˜o e´ originada a partir da dissociac¸a˜o de nu´cleos insta´veis, que bombardeiam seu redor
com 2 tipos ba´sicos de part´ıculas radioativas corpusculares:
• Alfa;
• Beta.
Ale´m disso, part´ıculas radioativas emitem raios gama, que sa˜o um tipo de emissa˜o puramente energe´tica.
Possuem velocidade igual a` da luz e alt´ıssimo poder de penetrac¸a˜o, tendo sua trajeto´ria desfalcada apenas
por paredes de concreto muito espessas ou placas de materiais resistentes a` radiac¸a˜o, como o chumbo.
4.1 Raios Alfa
A emissa˜o alfa, desintegrac¸a˜o alfa ou decaimento alfa, e´ uma forma de decaimento radioativo que ocorre
quando um nu´cleo atoˆmico insta´vel emite uma part´ıcula alfa transformando-se em outro nu´cleo atoˆmico com
nu´mero atoˆmico duas unidades menor e nu´mero de massa 4 unidades menor.
Por exemplo:
5
238
92 U →23490 Th+42 He+ γ (1)
A part´ıcula alfa e´ um nu´cleo de um a´tomo de he´lio. Portanto, a part´ıcula alfa ou “raio alfa” e´ um ı´on de
carga 2+ com dois neˆutrons e dois pro´tons, representado por 4He2+.
As part´ıculas alfa apresentam grande poder de ionizac¸a˜o devido a sua carga. No entanto, seu poder de
penetrac¸a˜o e´ inferior ao da part´ıcula beta, dos raios-X e dos raios gama.
Na altura em que foi descoberta a emissa˜o do ra´dio 226 (1898), por Marie Curie e Pierre Curie, chamou-se
ao fenoˆmeno radioatividade α ou emissa˜o α. E a`s part´ıculas emitidas deu-se o nome de part´ıculas α apenas
por ser a primeira letra do alfabeto grego.
Posteriormente, verificou-se que essas part´ıculas eram um nu´cleo de he´lio, formado por 2 pro´tons e 2
neˆutrons. As part´ıculas α emitidas apresentam energias bem definidas e podem ser utilizadas para caracterizar
o nu´cleo de onde proveˆm.
Sendo relativamente pesadas e carregadas positivamente, part´ıculas alfa tendem a ter um curto livre
caminho me´dio e rapidamente perdem energia cine´tica a uma curta distaˆncia da sua fonte. Isto resulta em
va´rios MeV, sendo depositado num volume relativamente pequeno de material, aumentando a possibilidade
de danos celulares em casos de contaminac¸a˜o interna. Em geral, a radiac¸a˜o alfa externa na˜o e´ prejudicial
uma vez que as part´ıculas alfa sa˜o eficazmente protegidas em alguns cent´ımetros de ar, uma folha de papel,
ou a camada fina de ce´lulas mortas da pele que constituem as epiderme. Mesmo tocando em uma fonte alfa
normalmente na˜o e´ prejudicial, embora muitas fontes alfa sejam tambe´m acompanhados por emisso˜es beta
filhos e emissa˜o de fo´ton gama. Se as substaˆncias que emitem part´ıculas alfa sa˜o ingeridas, inaladas, injetadas
ou introduzidos atrave´s da pele, enta˜o isso poderia resultar numa dose preocupante.
A efica´cia biolo´gica relativa (RBE) de radiac¸a˜o alfa e´ mais elevada do que a de radiac¸a˜o beta ou gama.
A RBE quantifica a capacidade de radiac¸a˜o para causar alguns efeitos biolo´gicos, nomeadamente, caˆncer
ou morte celular, por exposic¸a˜o a` radiac¸a˜o equivalente. O maior valor para a radiac¸a˜o alfa e´ geralmente
atribu´ıda ao alto coeficiente de transfereˆncia linear de energia (LET), que e´ cerca de uma ionizac¸a˜o de uma
ligac¸a˜o qu´ımica para cada angstrom de viagens pela part´ıcula alfa. A RBE foi definida no valor de 20 por
radiac¸a˜o alfa por va´rios regulamentos governamentais. O RBE e´ fixada em 10 de neˆutrons irradiac¸a˜o, e em
1para radiac¸a˜o beta e fo´tons ionizantes.
No entanto, outro componente da radiac¸a˜o alfa e´ o recuo do nu´cleo pai, chamado alfa recuo. Este recuo,
o que e´ devido a` conservac¸a˜o de momento, age muito parecido com o “chute” de uma coronha do rifle quando
uma bala vai na direc¸a˜o oposta. Isto da´ uma quantidade significativa de energia para o nu´cleo de recuo, o
que tambe´m provoca danos de ionizac¸a˜o. A energia total do recuo do nu´cleo e´ prontamente calcula´vel e e´
aproximadamente o peso da part´ıcula alfa dividido pelo peso da matriz vezes a energia total da alfa. Por
algumas estimativas, isso pode explicar a maioria dos danos de radiac¸a˜o interna, isso porque os nu´cleos sa˜o
tipicamente metais pesados, que preferencialmente se acumulam sobre os cromossomos.
O maior contribuinte natural a dose de radiac¸a˜o pu´blica e´ radoˆnio, uma ocorreˆncia natural, ga´s radioativo
encontrado no solo e rocha. Se o ga´s e´ inalado, algumas das part´ıculas de radiac¸a˜o podem se anexar ao
revestimento interno do pulma˜o. Estas part´ıculas continuam a decair, emitindo part´ıculas alfa, o que pode
danificar as ce´lulas do tecido pulmonar. A morte de Marie Curie aos 66 anos a partir da anemia apla´stica foi
provavelmente causado por exposic¸a˜o prolongada a altas doses de radiac¸a˜o ionizante, mas na˜o e´ claro se isso
foi devido a` radiac¸a˜o alfa ou raios-X. Curie trabalhou extensivamente com o ra´dio, que decai em radoˆnio,
juntamente com outros materiais radioativos que emitem beta e raios gama. No entanto, Curie tambe´m
trabalhou com tubos de raios-X na˜o blindados durante a Primeira Guerra Mundial, e ana´lise de seu esqueleto
durante um enterro mostrou um n´ıvel relativamente baixo de carga radioiso´topo.
4.2 Raios Beta
A emissa˜o beta, desintegrac¸a˜o beta ou decaimento beta, e´ o processo pelo qual um nu´cleo insta´vel pode
transformar-se em outro nu´cleo mediante a emissa˜o de uma part´ıcula beta, alterando o seu nu´mero de pro´tons
e nu´mero de neˆutrons sem variar o nu´mero total de nu´cleos. A part´ıcula beta pode ser um ele´tron, escrevendo-
se β−, ou um pos´ıtron, β+. Um terceiro tipo de desintegrac¸a˜o e´ a captura eletroˆnica. Existem, enta˜o, treˆs
reac¸o˜es distintas:
Processo geral da desintegrac¸a˜o β− : um neˆutron da´ lugar a um pro´ton, um ele´tron e um antineutrino.
Pode-se escrever o e− como β−.
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n→ p + e− + ν¯e (2)
Processo geral da desintegrac¸a˜o β+ : um pro´ton da´ lugar a um neˆutron, a um pos´ıtron e a um neutrino
ele´tron.
p→ n + e+ + νe (3)
Processo geral da captura eletroˆnica: um pro´ton junto com um ele´tron formam um neˆutron e um neutrino
ele´tron.
p + e− → n + νe (4)
Esse tipo de emissa˜o pode transferir energia aos tecidos e, consequentemente, gerar a ionizac¸a˜o destes.
5 Radiac¸a˜o ionizante
A radiac¸a˜o ionizante consiste radiac¸a˜o com energia suficiente para fazer com que os ele´trons se desprendam
de a´tomos e mole´culas, alterando sua estrutura – num processo conhecido como ionizac¸a˜o. Como resultado,
eles tornam-se eletricamente carregados, resultando na quebra de mole´culas.
Como parte do nosso ambiente, tanto das fontes naturais presentes na terra (terrestres) quanto do espac¸o
(co´smico), estamos permanentemente expostos a`s radiac¸o˜es ionizantes. Ale´m disso, fontes artificiais tambe´m
contribuem para nossa exposic¸a˜o.
Existem va´rios tipos de radiac¸a˜o ionizante e cada um tem um poder diferente de penetrac¸a˜o e causa
diferentes graus de ionizac¸a˜o na mate´ria.
Os tipos de radiac¸o˜es ionizantes mais conhecidos sa˜o os raios X, usados em equipamento radiolo´gico para
fins me´dicos, como por exemplo, no diagno´stico e tratamento. A radiac¸a˜o alfa, beta e gama produzidas por
nu´cleos de a´tomos insta´veis sa˜o outros tipos de radiac¸o˜es ionizantes.
A radiac¸a˜o ionizante penetra de acordo com seu tipo e energia. Enquanto part´ıculas alfa podem ser
bloqueadas por uma folha de papel, part´ıculas beta requerem alguns mil´ımetros de, por exemplo, alumı´nio,
para bloquea´-las, enquanto a radiac¸a˜o gama de alta energia requer materiais densos para bloquea´-la, como
por exemplo, chumbo ou concreto.
A radiac¸a˜o ionizante ocorre naturalmente, por exemplo, pela decomposic¸a˜o de substaˆncias radioativas
naturais como o ga´s radoˆnio. A taxa na qual um radionucl´ıdeo se decompo˜e (torna-se menos radioativo) e´
definida por sua “meia vida”, ou seja, pelo tempo que leva para um material radioativo reduzir sua atividade
em 50%. Dependendo do radionucl´ıdeo, isso pode variar de frac¸o˜es de segundo a milho˜es de anos.
E´ poss´ıvel medir a radiac¸a˜o em materiais, mesmo em n´ıveis muito baixos, devido a` ionizac¸a˜o resultante. A
quantidade de material radioativo encontrado no ar, a´gua, solo, grama, alimentos, etc, podem ser detectados,
e a quantidade de radioatividade medida e´ expressa como uma concentrac¸a˜o.
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