AULA_3_-_INTERA_O_DA_RADIA_O_DIRETAMENTE_IONIZANTE_COM_A_MAT_RIA

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DISCIPLINA: PROTEÇÃO 
RADIOLÓGICA 
AULA 3 – INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO 
DIRETAMENTE IONIZANTE COM A MATÉRIA 
Profa. Danielle Filipov 
2013 
AULA PASSADA 
• IONIZAÇÃO E EXCITAÇÃO 
 
• EFEITOS DOS RAIOS X E GAMA COM A MATÉRIA: 
– ESPALHAMENTO COERENTE 
– FOTODESINTEGRAÇÃO 
– PRODUÇÃO DE PARES 
– EFEITO COMPTON 
– EFEITO FOTOELÉTRICO 
 
• ENERGIA TRANSFERIDA AO MEIO NAS 
INTERAÇÕES 
 
 
• APLICAÇÕES: FILTROS 
• Filtros metálicos interceptam o feixe logo 
ao sair da ampola. 
• Quando isso ocorre, os fótons de menor 
energia são barrados >> efeito 
fotoelétrico. 
• Ou seja, a parte menos energética é 
retirada do espectro. 
• Figura ao lado: adição de filtros >> 
espectro dos raios X varia 
consideravelmente. 
• Energia média: 
– 38,1 keV (sem filtro); 
– 51,4 keV (com 4 mm de Al); 
– 67,4 keV (com 1 mm de Cu). 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO INDIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Outro tipo de filtro, são os filtros de 
borda K: emprega-se um material 
que atenue mais as regiões de alta 
energia do feixe que as de baixa. 
• Esse emprego é muito comum na 
densitometria óssea e na 
mamografia. 
• Os feixes gerados são filtrados por 
uma fina placa (do mesmo material 
do alvo), que faz com que somente a 
radiação de bremmstrahlung seja 
filtrada. Ficando, somente, a 
radiação característica. 
• Reduzindo a energia média do feixe: 
mais efeito fotoelétrico. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO INDIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Outra aplicação: uso de chumbo como blindagem. 
 
• Por que o chumbo? 
 
 
 
• Radiação espalhada pelo meio >> radiação de baixa 
energia >> Efeito Compton. 
• Radiação espalhada >> interação com o chumbo >> 
fotoelétrico >> fótons desaparecem. 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO INDIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
ORGANIZAÇÃO DA AULA 
• INTERAÇÕES DAS PARTÍCULAS CARREGADAS 
PESADAS 
 
• INTERAÇÕES DAS PARTÍCULAS CARREGADAS 
LEVES 
 
• PODER DE FREAMENTO E TRANSFERÊNCIA 
LINEAR DE ENERGIA 
 
• RELAÇÃO COM EFEITOS BIOLÓGICOS 
• As radiações diretamente ionizantes incluem todas as 
partículas carregadas (leves ou pesadas) emitidas durante as 
transformações nucleares (partículas alfa e beta) e que 
transferem energia ao interagirem com elétrons orbitais (por 
meio da excitação, ionização) e com o núcleo (freamento). 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• As radiações diretamente ionizantes 
incluem todas as partículas carregadas 
(leves ou pesadas). 
 
• PARTÍCULAS CARREGADAS RÁPIDAS 
PESADAS 
• O que é considerada uma partícula 
carregada pesada? 
• Um íon atômico ou uma partícula com 
carga que tenha energia superior à energia 
de ligação de um elétron. 
• Exemplos: partículas alfa ou prótons. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• A interação dessas partículas se 
restringe à nuvem eletrônica. 
• Ou seja, as partículas pesadas 
interagem somente com os 
elétrons orbitais de um átomo 
do meio. 
• Por que as partículas não 
interagem com o núcleo? 
– Pequeno, em relação ao 
átomo. 
– “Blindado” pela nuvem 
eletrônica. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• As interações dessas partículas com os 
elétrons se dão por inúmeras colisões 
ou choques. 
• A partir dessas colisões, ocorre uma 
transferência da energia cinética da 
partículas para os átomos, até que a 
energia cinética seja próxima de 0,025 
eV. 
• Quando ocorre a colisão entre a 
partícula e o elétron, a partícula segue, 
praticamente, em trajetória retilínea. 
• Isso porque a massa da partícula é 
muito maior que a do elétron. 
– Ex.: massa próton ~ 2.000 vezes a 
massa do elétron. 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Essa trajetória é limitada, pois a partícula 
reduz a sua velocidade até parar. 
 
• Quando isso acontece, ela é incorporada ao 
meio (recebendo elétrons do meio e se 
neutralizando – partícula alfa). 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• FORMAS DE INTERAÇÃO DAS PARTÍCULAS 
CARREGADAS PESADAS COM O MEIO: 
• Colisão inelástica com o átomo 
• Interação entre partícula e todo o átomo, ou com 
elétrons de camadas mais externas, resultando em 
excitações. Raramente ionizações. 
• A partícula sofre uma pequena perda de energia 
(pois, perde velocidade). 
• É a interação mais frequente para partículas 
pesadas. 
• Uma fração da energia perdida, nesta colisão, pode 
resultar na emissão de radiação Cherenkov. 
• Ocorre quando a partícula carregada “viaja” com 
uma velocidade maior que a velocidade da luz 
naquele meio. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Ocorre uma onda de choque 
(semelhante à produzida por um 
avião supersônico ao quebrar a 
barreira do som). 
• Esta onda de choque leva à 
emissão de radiação 
eletromagnética. 
• Pode ocorrer com elétrons, com 
energias na ordem de keV e com 
partículas pesadas (partículas alfa 
ou prótons) com energias na 
ordem de muitos MeV. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Colisão inelástica com elétron fortemente ligado 
• Colisão frontal, na qual pode ocorrer grande 
perda de energia pela partícula e ionização do 
átomo. 
• O elétron ejetado do átomo pode adquirir 
energia cinética suficiente para se afastar da 
trajetória da partícula inicial, criando um caminho 
de ionizações fora da região do feixe incidente. 
• A esse elétron dá-se o nome de raio delta. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• ALCANCE DAS PARTÍCULAS CARREGADAS PESADAS 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• A trajetória da partícula pesadas tem um comprimento limitado, uma vez 
que ela é rapidamente incorporada ao meio, quando sua velocidade é 
igual a zero >> ela se neutraliza pelo recebimento de elétrons do meio. 
 
• Exemplo de alcance: partículas alfa 
• Uma partícula alfa é ligeiramente defletida nas suas colisões com átomos 
e elétrons orbitais. 
• A distância percorrida (ou alcance) de uma partícula alfa depende, 
apenas, de sua energia inicial e da taxa média de energia perdida no 
meio. 
• As partículas alfa perdem energia, basicamente, pela ionização dos 
átomos, sendo que no seu trajeto ocorrem 3 efeitos importantes: 
• Ela, inicialmente com grande velocidade, interage por pouco 
tempo com os elétrons dos átomos do meio; 
• À medida que ela perde energia, ela interage mais fortemente com 
os elétrons do meio, até capturar um elétron do meio e sua carga 
passar de +2 para +1; 
• Com isso o seu poder de ionização cai rapidamente, até chegar a 
zero quando ele incorpora mais um elétron, tornando-se um 
átomo de Hélio neutro. 
• BLINDAGEM 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• O poder de ionização das partículas alfa é grande, mas o 
mesmo não se pode dizer da penetração. 
• Quanto mais denso o material, menor a penetração. 
• Quanto maior a energia da partícula, maior a penetração. 
• PARTÍCULAS CARREGADAS LEVES 
• Nesta categoria, enquadram-se, somente, elétrons e 
pósitrons com energia cinética maior que a energia de 
ligação dos elétrons aos átomos do meio. 
• Boa parte das interações são semelhantes às das 
partículas carregadas pesadas: interações coulombianas 
sucessivas. 
• Mas, há duas diferenças básicas: 
– Colisões entre partículas de mesma massa (partículas 
incidentes e elétrons do meio). 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Neste caso, podem ocorrer 
grandes perdas de energia e 
mudanças bruscas na direção 
da trajetória do elétron em 
uma única colisão.• As trajetórias são tortuosas, 
e, assim, para um conjunto 
de elétrons com a mesma 
energia cinética inicial, a 
penetração de cada partícula 
no meio, pode variar. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
– Colisões entre as partículas leves e os núcleos 
atômicos. 
• Podem resultar na emissão de raios X de 
freamento, ou de Bremmstrahlung. 
• Isso deve ser levado em consideração para o 
cálculo de blindagens em ambientes com 
emissões de elétrons. 
• Devem ser empregados, como blindagem, 
elementos que desfavoreçam o aparecimento 
desse tipo de radiação: baixo Z 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• FORMAS DE INTERAÇÃO DAS 
PARTÍCULAS CARREGADAS LEVES 
• Colisão inelástica com o núcleo 
• A partícula primária aproxima-se 
do núcleo e perde uma parcela 
muito grande de sua energia (às 
vezes, toda) na forma de um fóton 
de raios X, no processo conhecido 
como Bremmstrahlung 
(freamento). 
• Ocorrem em elétrons e pósitrons 
(partículas leves). 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• A parcela da energia cinética do 
elétron convertida em radiação é 
tanto maior quanto mais próximo 
ele estiver do núcleo no momento 
da emissão. 
• Somente em uma pequena fração 
(2 a 3%) das interações elétron-
núcleo a radiação de freamento é 
emitida. 
• Na grande maioria das vezes, 
ocorre, simplesmente, uma 
deflexão da trajetória, sem perda 
de energia. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Colisão elástica com o núcleo 
• A partícula primária aproxima-se do núcleo e 
sofre uma grande mudança na direção da sua 
trajetória, sendo a compensação de momento 
dada pelo recuo do núcleo. 
• Ou seja, a perda de energia sofrida pela 
partícula (devido ao desvio da trajetória) foi 
usada para causar um recuo do átomo. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Aniquilação do pósitron 
• Ocorre, em geral, entre o pósitron com velocidade 
muito baixa e um elétron praticamente em repouso 
no meio. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Alcance das partículas leves (elétrons) 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Se um feixe de elétrons incidir sobre um material absorvedor, mesmo 
pequenos valores de espessura serão suficientes para que elétrons 
sejam removidos do fluxo, devido ao espalhamento eletrônico. 
• Assim, de acordo com o gráfico, vemos que o número de elétrons do 
feixe irá decrescer imediatamente, desde o início, atingindo 
gradualmente zero (quanto maior a espessura). 
• Os elétrons que mais penetram o meio absorvedor são aqueles que 
não sofreram grandes desvios da trajetória. 
• Os elétrons possuem 1 unidade de carga, em comparação com as partículas 
alfa que possuem 2 unidades. 
• Assim, os elétrons exercem uma força elétrica pequena aos elétrons orbitais. 
• Por essa razão, eles perdem energia de maneira mais lenta que as partículas 
alfa. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• “STOPPING POWER” 
• A forma de interação, tanto em partículas pesadas quanto em 
partículas leves, é pelo “Stopping Power” ou Poder de 
Freamento. 
• Para cada interação meio-partícula, são calculadas as perdas 
de energia da partícula. 
• A composição dos possíveis valores dessas perdas, 
ponderados pela probabilidade de ocorrência de cada tipo de 
interação, resulta na grandeza conhecida como “Stopping 
Power”. 
• Essa grandeza representa a perda média da energia por 
unidade de distância percorrida pela partícula. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
S = - dE / dx 
 
• S: Stopping Power, em MeV/cm. 
• dE: perda de energia, em MeV. 
• dx: distância percorrida pela 
partícula, em cm. 
 
• Quanto maior a velocidade da 
partícula (energia cinética dela), 
menor a perda. 
• Quanto maior a carga da 
partícula, maior a perda. 
• Quanto maior ou menor a 
massa: somente muda a 
trajetória. 
 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Transferência Linear de Energia (LET) 
• Considera-se que toda a energia perdida por partículas 
carregadas em processos de colisão é absorvida pelo 
meio. 
• Assim, é mais interessante observarmos não a perda da 
energia da partícula carregada em colisões, mas uma 
estimativa da energia transferida para o meio, na forma 
de energia cinética dos elétrons. 
• Assim, define-se a transferência linear de energia (LET): 
quantidade média de energia recebida pelo meio por 
unidade de caminho da partícula carregada. 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• O poder de freamento (stopping power) expressa o efeito 
do meio material na partícula, enquanto que o LET 
expressa o efeito da partícula no meio, normalmente o 
tecido humano. 
• Para entender o significado do LET é preciso observar como 
as partículas carregadas interagem com o meio material. 
• Por exemplo, um elétron, quer gerado após interação de 
um fóton X ou gama com a matéria, uma radiação beta ou 
uma partícula proveniente de um acelerador linear, 
interage basicamente com o campo elétrico de sua carga, 
influenciado pela sua massa. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
LET = dE / dx [MeV/μm] 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Como num material 
existem muitos elétrons, 
quando um elétron nele 
incide, haverá uma série 
de colisões sequenciais, 
com correspondentes 
transferências de energia 
e mudanças de direção. 
• A energia inicial do 
elétron incidente vai 
sendo gradativamente 
transferida para o 
material, numa trajetória 
com a forma de linha 
quebrada. 
• Supondo, então, que uma certa quantidade média de 
energia dE foi transferida entre um ponto A de 
referência e um ponto B de avaliação final, após 
várias colisões, a relação entre a energia dE, média, e 
a distância dx entre os pontos A e B é denominada 
de LET. 
• Quando se fala em energia localmente cedida pela 
partícula, está implícito que o percurso da partícula 
carregada é menor do que o seu alcance (range) 
nomeio material. 
 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• O alcance não está relacionado ao LET. 
• LET >> Energia transferida ao meio, em uma certa 
distância percorrida pela partícula. 
• Alcance >> Distância para que a perda de energia 
seja máxima. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
E1 
E2 
d1 d2 
LET = (E2 – E1) / (d2 – d1) 
• No caso dos fótons, o LET se refere aos 
elétrons liberados nos processos de interação 
(efeitos Fotoelétrico, Compton e produção de 
pares). 
• Ou seja, o poder de ionização dessas 
radiações é baixo, assim como o LET. 
• Exemplo: 
– LET para RX produzidos com 250 kV = até 250 
keV/μm; 
– LET para partículas alfa = 2,5 MeV/ μm. 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
TIPO DE RADIAÇÃO LET (keV/μm) 
Cobalto-60 0,25 
Elétrons de 1 MeV 0,30 
RX diagnósticos ~ 3,0 
Fótons de 10 MeV 4,0 
Nêutrons de 2,5 MeV 20 
Partículas Alfa de 5 MeV 100,0 
Núcleos Pesados 1000,0 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO DIRETAMENTE 
IONIZANTE COM A MATÉRIA 
• Utilizando radiações de alto e baixo LET, pode-se obter o percentual 
de sobrevivência de células de um tecido ou órgão. 
• A curva abaixo mostra que, para o mesmo valor de dose de 
radiação, as radiações de alto LET (alfa, íons) resultamem um % de 
sobrevivência menor que as de baixo LET (fótons). 
RESUMINDO 
• INTERAÇÕES DAS PARTÍCULAS CARREGADAS PESADAS: 
– Colisões com elétrons (trajetória praticamente não muda) 
 
• INTERAÇÕES DAS PARTÍCULAS CARREGADAS LEVES: 
– Colisões com elétrons (trajetória tortuosa) e freamento 
 
• PODER DE FREAMENTO E TRANSFERÊNCIA LINEAR DE ENERGIA: 
– Poder de freamento: o quanto o tecido consegue atenuar a 
partícula; 
– LET: quanta energia foi transferida ao meio >> efeitos biológicos). 
 
• RELAÇÃO COM EFEITOS BIOLÓGICOS: 
– Radiações de alto LET >> partículas carregadas >> sobrevivência 
menor que para as radiações de baixo LET