Aula 01-Física das Radiações e Radiobiologia

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Física das Radiações
Prof. Carlos Eduardo
Caruaru,2014
Radiação
É a propagação da energia em varias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos:
Radiação Corpuscular;
Radiação Eletromagnética.
Radiação Corpuscular
Constituída de uma feixe de partículas ou núcleos atômicos:
Elétrons;
Prótons;
Nêutrons;
Partículas alfa; etc.
Ondas eletromagnéticas são constituídas de campos elétricos (E) e magnéticos (B) oscilantes, propagando-se com velocidade constante, a velocidade da luz (c). Exemplos de radiações eletromagnéticas: raios X, radiação gama, ondas de rádio, ondas luminosas, radiação ultravioleta, radiação infravermelha. Nas animações abaixo temos representações de ondas eletromagnéticas se propagando, vemos que o campo elétrico (E) faz um ângulo de 90º com o campo magnético (B).
Duas visões da propagação de ondas eletromagnéticas da esquerda para direita.
Fonte dos gifs animados: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation
Acessado em 19/05/2012
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Propagação da onda
Propagação da onda
Radiação Eletromagnética
E
B
x
l
f = v
l
Como ocorre para toda onda, podemos caracterizar as ondas eletromagnéticas por meio de seu comprimento de onda (), freqüência (f) e velocidade de propagação(v).
Para ondas eletromagnéticos temos que a velocidade de propagação é a velocidade da luz (c), assim a equação para radiação eletromagnética fica da seguinte forma:
f = c
l
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O gráfico ao lado mostra diferentes faixas do espectro da radiação eletromagnética, separadas por tipos de radiação. Há indicação das faixas de comprimento de onda em nanômetros ( 1nm = 10-9 m), Angstroms ( 1 Å = 10-10 m), micrômetros (1 m = 10-6 m), milímetros ( 1 mm = 10-3 m), centímetros ( 1 cm = 10-2 m) e metros (m). Quando mais alto no gráfico ao lado, menor o comprimento de onda () e maior a energia (E) e a frequência (f) da radiação eletromagnética.
A parte visível é uma faixa entre aproximadamente 400 e 700 nm (ou 4000 e 7000 Å).
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Constante de Planck (6,63 .10-34 J.s ou 4,14.10-15 eV.s )
Frequência da radiação
Podemos pensar que toda energia da radiação está concentrada em pequenos pacotes de energia, chamados fótons. A energia dos fótons (E), associada à onda eletromagnética, é dada pela seguinte equação:
E = hf
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Teoria Quanta
E = hf
 f = c
l
l
f = 
c
l
E =
hc
Podemos expressar a energia de um fóton em função da freqüência, ou do comprimento de onda, sabemos que a velocidade de propagação da radiação eletromagnética é a velocidade da luz, assim temos:
Quando temos informação sobre a frequência (f) podemos usar a equação E = hf para calcularmos a energia associada ao fóton (E), no caso de termos conhecimento do comprimento de onda () usamos a forma alternativa:
l
E =
hc
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Dualidade Onda-particula
A matéria apresenta tanto características ondulatórias como corpusculares
mv= h/λ 
m= massa e v= velocidade (corpuscular);
λ = comprimento de onda e h= CTE (ondulatório)
Radiação e suas características
Quando possuem energia, atravessam a matéria, ionizando átomos e moléculas—modificação química;
Podem ocorrer mutações genéticas;
Modificações nas células vivas;
Aplicação no tratamento de tumores;
Partículas como elétrons, pósitrons ou partículas alfa e radiação como gama e raios X são geradas durante o decaimento radioativo ou por meio da desaceleração e/ou aceleração de partículas carregadas. Essas radiações interagem com a matéria, por meio de transferência de energia. Esses processos envolvem transições dos elétrons e são importantes para aplicações médicas e biológicas, bem como para as bases da dosimetria e detecção de radiação
Os principais processos, onde há interação da radiação com a matéria, são indicados ao lado.
Ionização
Excitação
Captura
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Quando uma partícula, ou um fóton, de energia suficiente incide sobre um átomo, pode haver a ejeção de um elétron desse átomo (ionização). A condição para que isto ocorra é que a energia da partícula, ou fóton, incidente seja maior ou igual à energia do nível onde se encontra o elétron. Temos como resultado um átomo com carga positiva e um elétron livre com energia cinética. O elétron pode ionizar outro átomo e o átomo ionizado absorve um elétron, emitindo o excesso de energia na forma de um fóton, um processo chamado captura. 
Elétron incidente
Elétron ejetado
Átomo no estado fundamental
Átomo sem 1 elétron na camada K
K L
K L
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Ionização
Outra forma de interação da radiação com a matéria, é por meio da absorção da energia de uma partícula ou de um fóton por um elétron de um átomo, onde esse elétron salta para uma camada de mais alta energia (como na figura abaixo). Essa transição leva o átomo a um estado excitado, onde haverá a emissão do excesso de energia na forma de um fóton. A condição para que ocorra a transição que a energia incidente seja igual à diferença de energia entre dois níveis.
Radiação incidente
Elétron num estado de
mais alta energia (excitado)
Átomo no estado fundamental
Átomo no estado excitado
K L
K L
Átomo no estado fundamental
K L
Emissão de fóton
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Excitação
Um átomo ionizado é capaz de capturar um elétron livre, liberando o excesso de energia na forma de um fóton, como mostrado no diagrama abaixo.
Elétron livre
Átomo ionizado
Átomo sem 1 elétron na camada K
K L
K L
Emissão de fóton
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Captura
As radiações podem ser classificadas considerando-se suas características majoritárias, assim temos a seguinte divisão:
Não ionizantes
 X
Ionizantes
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DIFERENÇA:
ENERGIA
RADIAÇÃO - CARACTERÍSTICAS
 Energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo - produção de pares de íons.
 Partículas carregadas: Alfa, Beta, Prótons, Elétrons 
 Partículas não carregadas: Nêutrons 
 Ondas eletromagnéticas: Gama, Raios X.
RADIAÇÃO IONIZANTE
RADIAÇÃO - CARACTERÍSTICAS
 Não possui energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo 
 Pode quebrar moléculas e ligações químicas 
 Ultravioleta, Infravermelho, Radiofreqüência, Laser, Microondas, Luz visível.
RADIAÇÃO NÃO IONIZANTE
Não possui energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo;
 Pode quebrar moléculas e ligações químicas;
 Ultravioleta, Infravermelho, Laser, Micro-ondas, Luz visível.
Tipos de Radiação e suas características
Radiação alfa ou partícula alfa ( α);
Radiação beta ou partículas beta (β);
Nêutrons (n);
Radiação gama ou partículas gama (γ);
Raios X
Radiação alfa ou partícula alfa. É formada por um núcleo do átomo Hélio, ou seja, dois prótons e dois nêutrons. É uma radiação de baixa penetração. É produzida pelo decaimento radioativo de elementos químicos, como urânio e rádio.
 
Radiação beta ou partícula beta. É composta por elétrons ou pósitrons de alta energia e são emitidos por núcleos atômicos como o potássio 40. Possui um poder de penetração maior que das partículas alfa. A produção de partículas beta é chamada decaimento beta.
Radiação gama ou raios gama. É uma radiação eletromagnética de alta energia. É produzida em processos nucleares, tais como aniquilação de pares elétron-pósitron. A radiação gama forma a parte mais energética do espectro eletromagnético (localizada à esquerda do gráfico abaixo).
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Espectro de radiação eletromagnética, com escala de comprimento de onda em metros.
Raios X. É a segunda radiação mais energética, pode ser produzida pela aceleração de partículas carregadas. 
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Os raios X foram descobertos em 1895 de forma quase acidental. O físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen realizava experimentos com um tudo de vidro, onde foi feito vácuo. Neste tubo de vidro havia dois eletrodos, e uma diferença de potencial de milhares de volts foi aplicada. Tal diferença de potencial levou elétrons migrarem de um eletrodo para outro, gerando uma radiação desconhecida até então, que Roentgen chamou de raios X. Diversos testesforam feitos, e num dos experimentos Roentgen descobriu a radiografia médica de raios X (mostrada ao lado). Roentgen usou a mão 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 19/05/2012
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Considere um tubo de vidro onde foi feito vácuo, nesse tubo temos dois eletrodos inseridos, conforme o esquema abaixo. O catodo apresenta um filamento, que ao ser aquecido, devido à passagem da corrente elétrica I, gera uma nuvem de elétrons. O anodo apresenta uma diferença de potencial (V2) em relação ao catodo. Tal ddp promove a aceleração dos elétrons do catodo para o anodo.
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Os elétrons são acelerados e colidem com o anodo. Essa colisão converte a energia cinética em energia térmica, que aquece o anodo, e em radiação eletromagnética, na forma de raios X. Com uma ddp da ordem de algumas dezenas de kV teremos a geração de raios X. Este espectro de raios X é chamado radiação branca, que se sobrepõe ao espectro característico, devido à retirada de elétrons dos átomos do anodo.
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Elétron incidente
Elétron ejetado
Átomo no estado fundamental
Átomo sem 1 elétron na camada K
K L
K L
O modelo de Bohr é suficiente para entendermos os principais aspectos do espectro característico de raios X. Considere que os átomos do anodo são bombardeados com elétrons com energia cinética. Esses elétrons apresentam energia suficiente para arrancar elétrons da camada K do átomo, como mostrado na figura abaixo.
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Elétron ejetado
Átomo sem 1 elétron na camada K
K L
Emissão de um fóton 
de raios X
Átomo sem 1 elétron na camada K
K L
O átomo sem um elétron é instável e tende a absorver um elétron de uma camada mais externa. Ao absorver esse elétron o excesso de energia é emitido na forma de um fóton de raios X, que terá a energia determinada pela diferença de energia entre os níveis da transição.
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FONTES DE RADIAÇÃO NO RAIO X DIAGNÓSTICO
A 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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Referências
OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. Editora Harbra, 1986.
TIPLER, P. Física, para cientistas e engenheiros. Volume 4 3a ed. LTC-S.A.1995.
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Radiobiologia
Parte II
Radiobologia
	Estuda os efeitos causados pela emissões radioativas sobre a natureza, especialmente nos seres vivo.
Fontes de Radiação Ambiental
Tabela- algumas fontes de Radiação
Fontes de Radiação Ambiental
Regiões “anomalas”
Morro do Ferro em Poços de Calda, MG:
Pode atigir 3 miliroentgens/h;
Média da região 1,5mr/h
Radiação de fundo normal 0,005 mr/h
Era nuclear
Pilhas;
Reatores;
Exploração de jazidas;
Aparelhos de Rx, etc.
Interações Emissões-Biossistemas
Por que as radiações agem sobre os biossistemas????????
Como a matéria do biossistemas comporta-se sobre a ação das radiações??????
Mecanismos do efeito Biológico das Radiações
Ação Direta (20%)
Choca-se e age sobre as moléculas biológicas;
Inativação de enzimas, quebra de ligações, formação de radicais, etc.
Ação indireta (80%)
É absorvido pela água, que forma radicais muito reativos;
Agem sobre as biomoléculas, lesando-as.
Mecanismos do efeito Biológico das Radiações
Emergia das Radiações e Efeitos Biológicos
Por que as radiações provocam tantos danos aos biossistemas??? 
R- Alta energia e a baixa energia nos processos biológicos
Niveis de energia:
	radiações- MeV,GeV(106, 109 eV);
	2-5eV-dissociação de ligações moleculares;
	10-12eV- ionização de átomos, moléculas,radicais reativos;
OBS.:% da emissão com choque efetivo
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
A lesão inicial é a nível molecular;
Vários níveis ou limitada
Reversíveis
Irreversíveis- multações genéticas
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
A Nível Molecular
Modificações nas propriedades(estrutura, função, carga, quebre de cadeia, perda de grupamentos, entre outros)
Valor de G : é o n de moléculas de produto formado, a cada 100eV de E aborvido.
		Portanto, G=2 significa?
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
A Nível Supramoleculares
Muitos Sensíveis
MedianamenteSensíveis
MenosSensíveis
Tecidos hematopoiético
( linfócitos, eritroblastos, mieloblastos)
CélulasEndoteliais
CélulaÓsseas
Tecido Conectivo
CélulasNervosas
TecidosEpiteliais
( testículos, ovário, pele)
Células Tubulares
Células Musculares
Radiossensibilidade de alguns tecidos e células
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
A Nível Supramoleculares
1
Maior quantidade de água
2
Maior concentração de DNA
3
Taxa elevadade reprodução
4
Baixo grau de diferenciação celular
( célulasmais jovens)
Fatores de sensibilidade Tissular (ordem decrescente)
Níveis Estruturais e Efeitos das Radiações
A Nível Supramoleculares
A radiossensibilidade animal está condicionada a dois fatores:
Animal mais jovem 
Animal mais evoluído na escala zoológica ( insetos com a carapaça de quitina)
Classificação dos efeitos biológicos das radiações ionizantes
Efeitos estocásticos
probabilidade de ocorrência é função da dose, não apresentando dose limiar. Ex.: câncer e os efeitos hereditários. 
Efeitos determinísticos
Gravidade aumenta com o aumento da dose e para os quais existe um limiar de dose. Ex.: a anemia, a catarata, as radiodermites.
Uso Terapêutico das Radiações
O princípio de uso é dos tecidos neoplásicos;
Radiação gama é necessário dividir a dose efetiva;
Dose alta---efeitos colaterais;
Se um tumor exige 500r/ dose 20x25r. 
Uso Terapêutico das Radiações
Doses diárias até 250-300r;
Fluxo de 2-4r/min ( 120-240r/h);
Doses totais de até 8000-10000r podem ser usadas, é possível que a radiação provoque ouras lesões e efeitos colaterais. 
Relação Dose x Efeito Biológico
Relação Dose x Efeito Biológico
Os efeitos estão relacionados com:
Dose ( única ou cumulativa);
Quantidade da dose ( mais ou menos r);
Área irritada( dose local ou sistêmico).
Radioproteção
MODOS DE EXPOSIÇÃO
Exposição externa
Exposição interna
Radioproteção
	Serão apresentadas medidas práticas que devem ser adotadas para assegurar o cumprimento dos limites de dose. No estabelecimento dessas medidas deve-se considerar o tipo de fonte radioativa, sua atividade, energia e os modos de exposição.
Radioproteção e Higiene das radiações
Controle de Exposição
Distancia da fonte;
Tempo de Exposição
Radioproteção e Higiene das radiações
Controle de Exposição
Distancia da fonte:
	A dose de radiação recebida por um indivíduo é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre o indivíduo e a fonte.
Radioproteção e Higiene das radiações
Diminuição da Exposição-Blindagem
Barreira de Chumbo( espessura)
Radioproteção e Higiene das radiações
Quimioproteção
Quimioterápicos para diminuir os efeitos das radiações;
Cisteamina: se oxida e combinam com os radicas oxidantes gerados pelas radiações
Obrigado!