3) Noções Básicas de Física Nuclear%2c Radiações Ionizantes e seus Efeitos Biológicos

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Noções Básicas de Física Nuclear, Radiações Ionizantes e seus Efeitos Biológicos Prof. Tarso Ledur Kist, Instituto de Biociências, UFRGS. 8/setembro/2016. Introdução O presente texto destina-se aos estudantes de graduação dos cursos de Biologia, Biotecnologia e Ciências da Saúde em geral. O foco do texto é o núcleo dos átomos e os fenômenos pertinentes a ele. Mas para apresentar um resumo das teorias e modelos que foram desenvolvidas para o núcleo, faz-se necessário também citar brevemente os modelos desenvolvidos para a distribuição dos elétrons na eletroesfera dos átomos, pois ambas foram desenvolvidas de forma concomitante. Servindo os dois casos também como bons exemplos sobre o desenvolvimento das teorias nas ciências. Os principais tópicos abordados são: a nomenclatura, teorias e modelos para o núcleo, carta de nuclídeos, energia de ligação dos nucleons, transformações nucleares, radioatividade, fissão e fusão nuclear e efeitos biológicos das radiações, com ênfase nos danos ao DNA e efeitos estocásticos e não estocásticos. Relembrando os Modelos para o Átomo O atomismo, a teoria segundo a qual a matéria é formada por partículas indivisíveis (átomos) circundadas por um completo vazio, foi introduzida pelos gregos (Leucipus e Demócritos, século 5º a.c.) e outras culturas antigas. Esta teoria recebeu algumas críticas de Arsitóteles (330 a.c.) que defendia a tese de que a matéria é formada pelos elementos ar, fogo, terra e água. Além disso, de que estes elementos tem uma natureza contínua e não discreta. Mas a teoria atomista foi retomada e aperfeiçoada por Epicuros (341-270 a.c.) e Nausifanes. 
 A partir de 1803, Dalton mostrou que a teoria do átomo como esferas maciças, permite explicar vários fenômenos e observações, tanto da física (gases, metais) como da química (estequiometria das reações químicas). Logo após a descoberta do elétron em 1904, J.J Thomson propôs que os átomos são esferas com uma distribuição contínua da carga positiva e os elétrons posicionados em seu interior, tal como as ameixas em um pudim de ameixas. A carga positiva é representada pelo pudim e os elétrons eram as ameixas (Fig. 1). Esta proposta ficou conhecida como teoria do pudim de ameixas. Ela dá conta de explicar a forma neutra dos átomos e de vários experimentos onde elétrons são arrancados ou ejetados da matéria. Fig. 1. Modelo de Thomson. 
Entre 1908 e 1911, Rutherford fez os experimentos que hoje conhecemos como espalhamento de Rutherford. Ele lançou partículas alfa (α) contra folhas muito finas de vários materiais, incluindo ouro, e observou resultados muito estranhos. Várias partículas eram espalhadas em ângulos enormes, e algumas eram até espalhadas para trás (Fig. 2). Por tudo que se conhecia da teoria do eletromagnetismo, e se o modelo de Thomson fosse verdadeiro, os desvios das partículas deveriam ser bem menores. Destas observações resultou o modelo planetário para o átomo e a primeira conclusão sobre o núcleo: a carga positiva fica confinada num núcleo central muito pequeno que contém toda a carga positiva dos átomos e também praticamente toda a massa. 
 
 Fig. 2. Modelo de Rutherford. 
 Ainda sobre a eletroesfera: o modelo planetário foi sucedido pelo modelo atômico de Sommerfeld e logo em seguida pelo modelo atômico de Bohr. Mas nas décadas de 1920 e 1930 se desenvolveu a teoria da mecânica quântica, que se mostrou muito abrangente e com previsões muito precisas para uma quantidade muito grande de medidas e experimentos que são feitos até os dias de hoje. Não só com a eletrosfera dos átomos, mas também com o núcleo, a radiação eletromagnética, nanopartículas, semicondutores, moléculas, macromoléculas e muitos outros. 
 Fig. 3. Os modelos planetário e da mecânica quântica para a eletroesfera dos átomos. 
O Tamanho do Núcleo A partir do espalhamento dessas partículas, Rutherford estimou o raio nuclear, considerando que este é aproximadamente igual à distância mais próxima ao núcleo que as partículas α podem chegar. Vejamos como se faz este cálculo. A partícula tem energia cinética Ec=7.7 Mev. Quando ela é lançada frontalmente contra o núcleo, a interação Coulombiana faz com que a sua energia cinética seja toda convertida em energia potencial eletrostática antes de começar o movimento de retorno como partícula retroespalhada. Quando toda a energia cinética é transformada em energia potencial, a partícula chega à distância mais próxima e para antes de ser acelerada de volta. Nesse momento, Ec=(1/4pe0)(2Ze2/r0). Utilizando os valores numéricos conhecidos (1/4pe0 =9x109 Nm/C2; e=1.6x10-19 C), obtém-se r0=3x10-14 m. 
 
Portanto, o raio do núcleo de ouro deve ser menor do que 3x10razoável esperar que o volume nuclear seja proporcional ao número de massa. Assim, considerando o núcleo como uma esfera de raio R, tem-se R=R0A1/3dimensão, resulta que a densidade da matéria nuclear é da ordem de 2x10
 As dimensões nucleares são mais convenientemente descritas através de uma nova unidade, denominada(fm), definida como 1 fm = 10-15 m. Radioatividade Em 1896, Henri Becquerel estava trabalhando com compostos contendo o elemento Urânio. Para sua surpresa, ele descobriu que placas fotográficas protegidas da luz ficavam marcadas, ou parcialmente expostas, quando esses compostos de Urânio eram mantidos nas proximidades das mesmas.radiação havia passado pela proteção das placas. DescobriuUrânio, também emitiam esses raios penetrantes. Entre eles estava um material chamado Rádio e por isso, todomateriais que emitiam esse tipo de radiação são chamados 1899 Ernest Rutherford descobriu que os compostos de Urânio produzem três tipos diferentes de radiação. Ele separou as radiações de acordo com seu poder de penetração e chamouradiação alfa pode ser bloqueada por uma folha de papel. Posteriormente, Rutherford descobriu que a radiação alfa(α) era constituída de núcleos de átomos de Hélio (He) em alta identificadas como elétrons em alta velocidade. Cerca de 6 mm de Alumínio são necessários para parar a maioria das partículas β. Vários centímetros de Chumbo podem ser necessários para bloquear os raios descobriu-se serem fótons de alta energia. 226 ou 226Ra e um detector pode-se medir o efeito da distância entre a fonte e o detector na intensidade da radiação γ. Pode-se testar também a capacidade dos diferen
Fig. 4. Ilustração do grau de penetração da radiação ionizantecompreender como ela é gerada e sua interação com os materiais e tecidos.
Nomenclatura O número de prótons é representado por Z e prótons é sempre igual ao número de elétrons. Portantonúcleos possuem também nêutrons, a única exceção é o e o 13H (Trítio) dois nêutrons. O 23He possui dois prótons e um nêutron, o existência de nêutrons no núcleo sempre se justifica pela satisfação de uma ou mais condições de equilíbrioestão descritos adiante. Quando existe um desbalançoconhecidos como decaimento nuclear número de massa é representado por Acom a massa atômica e nem com a massa nuclearbem próximas entre si. Daria para calcular a diferença entre elas? isótonos (exemplos: 13H e 24He), com o mesmo A de isótopos (exemplos: 23He e 24He). Nuexemplo, é formado por dois nucleons, o trítio por três, a partícula alfa por quatro,... e assim por diante.
 O que conhecemos como um elemento químico é exemplo, aproximadamente 3/4 dos átomos do18 nêutrons) e 1/4 de cloro-37 (17 prótons e 20 nêutrons). químico permitiu observar e medir um resultado muito curiosomassas dos nucleons (prótons e nêutrons).
 Um nuclídeo qualquer (núcleo de qualquer átomo) pode ser representado por referências. Contudo, existe uma redundância nesta notação, já que N = caso dos isótopos estáveis do elemento químico cloro, cloropor e , respectivamente. Mas tem uma redundância aqui tambémZ=17. Neste caso, quando o elemento químico é 35Cl e 37Cl. 
 Notação recomendada para cátions e ânions carregadosamostra de água do mar são de 35Cl1- e 24,23
Portanto, o raio do núcleo de ouro deve ser menor do que3x10-14 m, isto é, menos do que 1/10000 do razoável esperar que o volume nuclear seja proporcional ao número de massa. Assim, considerando o núcleo como 1/3, onde R0=1.2x10-15 m. Para o ouro, A=197, tema densidade da matéria nuclear é da ordem de 2x1017 kg/m3. 
As dimensões nucleares são mais convenientemente descritas através de uma nova unidade, denominada
estava trabalhando com compostos contendo o elemento Urânio. Para sua surpresa, ele descobriu que placas fotográficas protegidas da luz ficavam marcadas, ou parcialmente expostas, quando esses compostos de Urânio eram mantidos nas proximidades das mesmas. Essa exposição sugeria que algum tipo de radiação havia passado pela proteção das placas. Descobriu-se também que vários outros materiais, além do Urânio, também emitiam esses raios penetrantes. Entre eles estava um material chamado Rádio e por isso, todomateriais que emitiam esse tipo de radiação são chamados radioativos ou que sofrem o decaimento radi1899 Ernest Rutherford descobriu que os compostos de Urânio produzem três tipos diferentes de radiação. Ele com seu poder de penetração e chamou-as radiação alfa, beta e gamaradiação alfa pode ser bloqueada por uma folha de papel. Posteriormente, Rutherford descobriu que a radiação alfaera constituída de núcleos de átomos de Hélio (He) em alta velocidade. Partículas beta identificadas como elétrons em alta velocidade. Cerca de 6 mm de Alumínio são necessários para parar a maioria . Vários centímetros de Chumbo podem ser necessários para bloquear os raios fótons de alta energia. No experimento em aula prática usando uma fonte da radiação medir o efeito da distância entre a fonte e o detector na intensidade da radiação a capacidade dos diferentes materiais (chumbo, madeira) de bloquear a radiação 
 
do grau de penetração da radiação ionizante e dos mecanismos de interação. Para poder se proteger da radiação é importante compreender como ela é gerada e sua interação com os materiais e tecidos. 
representado por Z e é chamado de número atômico. Para átomos neutros o número de sempre igual ao número de elétrons. Portanto o Z define o elemento químico única exceção é o isótopo 11H do hidrogênio, pois o possui dois prótons e um nêutron, o 24He possui dois prótons e dois nêutrons. A existência de nêutrons no núcleo sempre se justifica pela satisfação de uma ou mais condições de equilíbrioexiste um desbalanço entre prótons e neutros entãodecaimento nuclear e/ou fissão. Usualmente o número de nêutronsé representado por A, sendo este dado pela soma A = Z + N. Não confundir massa nuclear, estas são três quantidades distintaDaria para calcular a diferença entre elas? Núcleos com o mesmo N são denominados com o mesmo A de isóbaros (exemplos: 13H e 23ucleon refere-se tanto a um próton como a um nêutron, o trítio por três, a partícula alfa por quatro,... e assim por diante.
elemento químico é de fato, muitas vezes, constituído s átomos do cloro natural são constituídos de cloro-35 (núcleo com 17 prótons e 37 (17 prótons e 20 nêutrons). A descoberta dos isótopos dentro de um mesmo elemento um resultado muito curioso: a massa nuclear não corresponde à soma das (prótons e nêutrons). Por que será? 
(núcleo de qualquer átomo) pode ser representado por , ou também por existe uma redundância nesta notação, já que N = A – Z. Portanto, podeveis do elemento químico cloro, cloro-35 e cloro-37, os núcleos podem ser Mas tem uma redundância aqui também, pois todos os isótopos do cloro possuem , quando o elemento químico é citado explicitamente, então basta representar estes núclíde
Notação recomendada para cátions e ânions carregados: cerca de 75,77% dos ânions cloreto que ocorrem e 24,23% de 37Cl1- (ver a abudância relativa dos
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m, isto é, menos do que 1/10000 do raio atômico. É razoável esperar que o volume nuclear seja proporcional ao número de massa. Assim, considerando o núcleo como Para o ouro, A=197, tem-se R=7x10-15m. Com esta 
As dimensões nucleares são mais convenientemente descritas através de uma nova unidade, denominada fermi 
estava trabalhando com compostos contendo o elemento Urânio. Para sua surpresa, ele descobriu que placas fotográficas protegidas da luz ficavam marcadas, ou parcialmente expostas, quando esses Essa exposição sugeria que algum tipo de se também que vários outros materiais, além do Urânio, também emitiam esses raios penetrantes. Entre eles estava um material chamado Rádio e por isso, todos os ou que sofrem o decaimento radioativo. Em 1899 Ernest Rutherford descobriu que os compostos de Urânio produzem três tipos diferentes de radiação. Ele as radiação alfa, beta e gama (Fig. 4). A radiação alfa pode ser bloqueada por uma folha de papel. Posteriormente, Rutherford descobriu que a radiação alfa velocidade. Partículas beta (β) foram posteriormente identificadas como elétrons em alta velocidade. Cerca de 6 mm de Alumínio são necessários para parar a maioria . Vários centímetros de Chumbo podem ser necessários para bloquear os raios gama (γ), que uma fonte da radiação γ, o rádio-medir o efeito da distância entre a fonte e o detector na intensidade da radiação de bloquear a radiação γ. 
 Para poder se proteger da radiação é importante compreender como ela é gerada e sua interação com os materiais e tecidos. 
. Para átomos neutros o número de químico em questão. Todos os H do hidrogênio, pois o 12H (deutério) possui um He possui dois prótons e dois nêutrons. A existência de nêutrons no núcleo sempre se justifica pela satisfação de uma ou mais condições de equilíbrio que entre prótons e neutros então ocorrem os fenômenos número de nêutrons é representado por N e o dado pela soma A = Z + N. Não confundir número de massa distintas, sendo as duas últimas Núcleos com o mesmo N são denominados 3He) e com o mesmo Z de um nêutron. O deutério, por , o trítio por três, a partícula alfa por quatro,... e assim por diante. 
constituído por diversos isótopos. Por 35 (núcleo com 17 prótons e dentro de um mesmo elemento não corresponde à soma das 
, ou também por em algumas Portanto, pode-se escrever . No núcleos podem ser representados todos os isótopos do cloro possuem ão basta representar estes núclídeos por 
% dos ânions cloreto que ocorrem numa dos nuclídeos estáveis na carta 
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de nuclídeos na Fig. 5). A carga do ânion cloreto é representada por 1- e não como -1. Esta notação é recomendada para evitar a confusão com o expoente de uma potenciação. A notação para os íons de um isótopo em uma solução deve ser: 137Cs1+, 24Mg2+, 27Al3+, 34S2-, ... e assim por diante. Assim, a notação para o produto de solubilidade do sulfeto-34 de alumínio-27, 27Al3+2 34S2-3, por exemplo, será dado por: Ks = [27Al3+]2 [34S2-]3. Teorias e Modelos para o Núcleo As teorias inicialmente propostas para o núcleo pretendiam dar conta de algumas observações simples que eram feitas na época: a radioatividade, a energia de ligação, o tamanho do núcleo e o fato de existirem muito mais nuclídeos estáveis feitos de números pares de nêutrons e de prótons. Assim um modelo proposto para o núcleo foi o da gota líquida, onde as forças coesivas e tensão superficial tentavam dar conta do tamanho e da energia de ligação, pelo menos. A massa do núcleo era proporcional ao volume da gota. O interessante é que este modelo conseguia representar também algumas oscilações de deformação que ocorrem em alguns nuclídeos, mas não conseguia fazer previsões sobre a radioatividade. 
 Uma teoria bem sucedida, principalmente para núcleos pequenos, foi conhecida como modelo de camadas. Nele os prótons e neutros são representados por partículas pontuais que se movem num poço de potencial devido a três forças e satisfazem a equação de Schrödinger da mecânica quântica. As referidas três forças são: 1) a força nuclear forte que sempre é atrativa. Ela ocorre entre todos os nucleons entre si, mas possui curto alcance (da ordem de 1 fermi); 2) o acoplamento spin-órbita, onde o momento magnético dos nucleons interage fortemente com o campo gerado pelo movimentodos prótons e 3) a força de Coulomb repulsiva entre prótons somente. O resultado é a formação de camadas, por isso o nome modelo de camadas. Mas para núcleos médios e grandes a equação de Schrödinger fica de difícil solução, devido a interação entre muitos corpos (prótons e nêutrons). Muitos outros modelos foram propostos, tais como: o modelo das partículas independentes, o modelo das subestruturas, o modelo do campo médio, das partículas alfa e outros. Cada um conseguia descrever bem uma ou outra propriedade do núcleo. Mas até hoje não existe um modelo que dê conta de explicar tudo o que experimentalmente se observa no núcleo dos átomos, principalmente para os grandes nuclídeos (elevado Z). Carta de Nuclídeos A tabela a direita mostra o detalhe de uma carta de nuclídeos. Ela mostra as propriedades de todos os isótopos, estáveis e instáveis, de cada elemento. Tais como, tipos de decaimento para os instáveis e suas vidas médias. Para os estáveis ela mostra a abundância relativa de cada um na crosta terrestre. Lembrando que a tabela periódica mostra somente um quadro para cada elemento, indicando seus números de massa, número atômico e massa atômica. Nas situações em que ocorrem mais de um isótopo estável a massa atômica constante na tabela periódica é calculada como a média aritmética ponderada, levando em conta a abundância relativa de cada um dos isótopos estáveis. Fig. 5. Porção de uma carta de nuclídeos. Alguns nuclídeos são mostrados. Energia de Ligação A tabela abaixo apresenta as massas do nêutron e de 5 núcleos leves. 
 Nome Símbolo Massa (uma) Observações 
Nêutron 01n 1.008665 Instável fora do núcleo: n → p + β- + . Meia-vida de 10,2 min. Próton 11H 1.007825 Estável Deutério 12H 2.014102 Estável Trítio 13H 3.016049 Instável. Decai como 13T → 23He + β- + com meia-vida de 12,32 anos. Hélio-3 23He 3.016030 Estável Hélio-4 24He 4.002604 Estável. Trata-se da própria partícula alfa (α) 
 O acrônimo uma vem do inglês atomic mass units, unidades de massa atômica, que é definida como 1/12 da massa do isótopo 612C, i.e., 1 uma = 1.66x10-27 kg. Se o 12H contém 1 próton e 1 nêutron, então por que sua massa é menor do que a soma das massas mp+mn? Dito de outra forma, quando dois ou mais nucleons se combinam para formar um núcleo, a massa total do núcleo é menor do que a soma das massas dos nucleons. Então, para onde foi a massa que falta? Esta massa transforma-se em 
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energia, sendo responsável pela ligação nuclear. Essa energia de ligação, que também é necessária para conseguir separar o núcleo em prótons e nêutrons, relaciona-se com a variação de massa através da famosa equação proposta por Einstein: E=mc2. Use esta expressão para mostrar que a energia de ligação do 12H é de 2.22 MeV! 
 Fig. 6. O gráfico mostra a energia média de ligação por nucleon (próton ou nêutron) em função do número de massa (A). Nota-se que a fusão de núcleos leves libera energia, até chegar à vizinhança do ferro. Para núcleos pesados é o contrário, a fissão destes é que libera energia. A fusão do hidrogênio a hélio libera uma quantidade muito grande de energia (~6 MeV). Esta energia da fusão é que mantém as estrelas brilhando por bilhões de anos. Transformações Nucleares Existem vários tipos de transformações nucleares, mas as que nos interessam aqui são aquelas que ocorrem espontaneamente e constituem o principal fenômeno relacionado com a radioatividade natural. Este fenômeno, também denominado decaimento radioativo, ocorre com mais frequência em nuclídeos pesados. 
 A instabilidade nuclear aumenta na mesma proporção do crescimento do número de nucleons, e pode originar decaimento radioativo e fissão nuclear. Nos decaimentos radioativos predomina a emissão de uma ou mais dos três tipos de radiação: 1. Partículas α, que são núcleos de hélio, 24He; 2. Partículas β-, que são elétrons com elevada energia cinética, e partículas β+, que são anti-elétrons também com elevada energia cinética; 3. Raios gama (γ). 
 Os núcleos que apresentam este fenômeno foram denominados, por Marie Curie, radioativos. Curiosamente, os decaimentos com a emissão de prótons ou nêutrons são raros. 
 O decaimento radioativo obedece a uma lei exponencial, do tipo N=N0 e-t/tm, onde, N0 é o número de átomos radioativos no instante t=0, e tm é uma constante denominada vida média. Define-se a meia-vida do processo, t1/2, como sendo o tempo necessário para que a quantidade de material radioativo remanescente reduza-se à metade. É fácil mostrar que t1/2=tm ln(2). O inverso da vida média, λ=1/tm, é conhecida como constante de decaimento. Assim, outra forma de expressar a lei do decaimento radioativo é N=N0 e-λt. A atividade de uma substância radioativa é medida em termos do número de desintegrações (ou decaimentos) por unidade de tempo. Uma unidade muito usada é o Curie (Ci), que é a quantidade de radiação emitida por 1 g de rádio, o elemento químico descoberto por Marie Curie. No Sistema Internacional (SI), 1 desintegração/s é definida como 1 Bq (Becquerel). Pode-se mostrar que 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq. 
 Por volta de 1896, as principais dificuldades foram perceber que o fenômeno era espontâneo e compreender a natureza das radiações resultantes. Novamente, foi Rutherford quem identificou os três tipos de radiação mencionados acima. Ele fez a radiação passar por uma região onde havia um campo magnético e descobriu que uma parte era desviada para um lado (β-), outra parte era desviada para o lado oposto (com diferentes curvaturas para β+ e α), e uma terceira parte não sofria qualquer desvio. Este resultado permitiu que ele concluísse que uma parte do feixe era constituída por partículas positivas, outra parte era constituída por partículas negativas, e a parte que não sofria desvio pela ação do campo magnético era algo do tipo raios-X, ou radiação eletromagnética. 
 Quando um núcleo emite uma partícula α, seu número atômico diminui em duas unidades e seu número de massa em quatro. Por outro lado, no decaimento β- o número atômico cresce uma unidade e no β+ ele diminui uma unidade, mas mantendo inalterado o número de massa. Portanto, o decaimento faz desaparecer um tipo de núcleo e surgir outro tipo. Quimicamente falando, desaparece um elemento químico e surge outro. 
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ZAX → Z-2A-4Y + α ZAX → Z+1AY + β- + ZAX → Z-1AY + β+ + ZAX* → ZAX + γ Decaimento α por excesso de prótons e neutros. 
Decaimento β-, por excesso de nêutrons (ou falta de prótons). 
 Decaimento β+, por excesso de prótons. Decaimento γ de um núcleo excitado (*). Emissão de radiação não-corpuscular. 
 Fig. 7. Esquema ilustrativo de alguns tipos de emissão de radiação pelo núcleo dos átomos. Estes decaimentos obedecem as oito leis de conservação: a conservação da energia, do momento linear, momento angular e spin, da carga, do número de bárions (prótons, nêutrons, ...) e número de léptons (elétrons, neutrinos, ...), para citar alguns. A força relevante que mantém os elétrons em órbita é uma única força: a força atrativa de Coulomb, já que a força de atração gravitacional é relativamente muito fraca. Já no núcleo dos átomos existem três forças importantes em jogo, e que cabem ser citadas novamente: 1) a força nuclear forte que sempre é atrativa. Ela ocorre entre todos os nucleons entre si, mas possui curto alcance (da ordem de 1 fermi); 2) o acoplamento spin-órbita, resultante da interação do momento magnético dos nucleons com o campo gerado pelo movimento dos prótons e 3) a força de Coulomb repulsiva entre os prótons. Todos os decaimentos acima ilustrados podem ser compreendidos como algum desequilíbrio de uma ou mais destas três forças acima citadas. Radioatividade Natural. Existem sequências de decaimentos ou séries radioativas, iniciando com um núcleo radioativo e terminando em um núcleo estável (não radioativo). Estas séries radioativas estão presentes desde a formação do planeta terra e continuam em atividade, com os nuclídeosem transformação ou decaindo. Muitos nuclídeos estão ainda na fase inicial, muitos em estágios intermediários e muitos já atingiram o nuclídeo estável (chumbo ou tálio). Estas sérias radiativas são a principal causa da radioatividade natural ou radiação de fundo na superfície terrestre. 
 Série radioativa do netúnio. Série radioativa do urânio. Série radioativa do actínio. Série radioativa do tório. Fig. 8. As quatro séries radioativas. Grande parte da radioatividade natural vem delas. Repare que dois isótopos radiativos do gás nobre radônio ocorrem em duas das séries. Este nuclídeo é uma importante fonte de radioatividade natural em nossas residências. 
 Os raios cósmicos são uma segunda fonte importante de radiatividade natural. Eles são partículas subatômicas variadas de alta energia produzidas em eventos astrofísicos muito energéticos. Essas partículas viajam através do universo e muitas delas acabam alcançando a terra. Quando esses objetos atingem a alta atmosfera terrestre, muitas outras partículas são geradas pelas sucessivas colisões com o nitrogênio e oxigênio da atmosfera, descendo como um chuveiro de partículas em forma de cone. Devido a esse processo, quanto mais alto na atmosfera, maior a intensidade de radiação cósmica que encontraremos. Então a atmosfera também exerce uma proteção parcial contra os raios cósmicos. 
 A colisão dos raios cósmicos com o nitrogênio da atmosfera gera constantemente um pouco de 14C, que é logo convertido em 14CO2 pela oxidação do O2. Ele é continuamente produzido e também decai com uma meia-vida (t1/2) de ~5630 anos. Portanto, a contínua produção de 14C pelos raios cósmicos e o contínuo decaimento fez com que os níveis de 14C ficassem praticamente constantes na atmosfera nos últimos milhões de anos em 1,5 partes de 14C para 
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cada 1012 partes de 12C. Lembrando também que ~1% do carbono é composto pelo isótopo estável 13C. Os seres vivos deixam de trocar carbono com o meio ambiente quando morrem. A partir deste instante o 14C decai sem reposição. A cada 5630 anos o 14C remanescente se reduz a metade, sendo portanto muito útil para datação radioativa em arqueologia. Este método é muito empregado e chama-se datação radioativa pelo carbono-14. Fissão Nuclear Fissão é um processo nuclear no qual um núcleo muito pesado se divide em dois núcleos menores. Ela pode ser espontânea (indicada pelos quadros verdes na carta de nuclídeos) ou induzida. Um exemplo de reação de fissão, que ocorre nas bombas nucleares e nos reatores nucleares é a fissão do 235U induzida por nêutrons: 
 n + 235U → 92Kr + 141Ba + 3n 
 Fig. 9. Exemplo de uma reação nuclear de fissão induzida por neutrons. Não se tem controle sobre os produtos da fissão. Então uma diversidade muito grande de nuclídeos podem ser formados, a grande maioria é radioativo. Daí que resulta o denominado lixo radioativo das usinas nucleares baseadas em fissão. Os produtos da fissão (92Kr e 141Ba) mostrados na equação acima são somente uma das muitas possibilidades na fissão do 235U. Reações de fissão podem produzir qualquer combinação de núcleos mais leves, desde que o número de prótons mais o de nêutrons (número bariônico) nos produtos da reação (92+1+1+1+141) seja igual ao da situação inicial (1+235). Daí o problema do lixo radioativo, pois forma-se uma variedade muito grande de nuclídeos, muitos são radioativos e difíceis de separar quimicamente entre si. Alguns dos radioativos têm meias-vidas de centenas e até de muitos milhares de anos, e pior ainda, muitos produtos do decaimento destes também são radioativos. Mas, uma enorme quantidade de energia pode ser liberada na fissão, pois para os núcleos pesados, a soma das massas dos produtos da reação é menor que a massa dos constituintes de antes da fissão. A fissão ocorre devido à repulsão eletrostática criada pelo grande número de prótons contidos nos núcleos pesados. Dois núcleos menores têm menor repulsão eletrostática interna do que um único núcleo maior. Desse modo, se a força de repulsão ficar maior que a força nuclear forte atrativa, então ele fissiona. A fissão pode ser vista como um cabo de guerra, tendo no centro a força atrativa (coesiva) da corda (força nuclear forte) e nas pontas a força para fora dos puxadores (força de Coulomb repulsiva). Uma reação de fissão nuclear acontece, quando as forças repulsivas eletrostáticas vencem (a corda acaba se rompendo mais ou menos ao meio!). Por este motivo não se encontra nuclídeos estáveis maiores que o chumbo (Z=82), isto é, com mais de 82 prótons em seu núcleo! Segue um exemplo da notação para a mesma reação de fissão nuclear mas com outros produtos: 
 235U + n → 134Xe + 100Sr + 2n 
 
 Reações de ativação por nêutrons são usadas também para produzir material radioativo para tratamento (gama terapia e radioterapia) e também para o diagnóstico por imagens (tomografia, PET-Scan e outros). Estes são feitos por traçadores radioativos, que são radiofármacos marcados com radioisótopos. 
 O material radioativo produzido desta forma, juntamente com o lixo das usinas nucleares, são as principais fontes de radioatividade artificial. Portanto, a radiação de fundo (background) que medimos no detector da aula prática vem da soma da radioatividade natural com a radioatividade artificial. 
 Por fim, os seres vivos podem sofrer simplesmente uma exposição à radioatividade artificial ou uma contaminação. Quando se faz o uso, por exemplo, da exposição aos Raios-X para produzir uma imagem, então diz-se que o paciente foi meramente exposto a uma certa dose segura para produzir uma imagem. Uma situação muito distinta é aquela onde ocorrem acidentes no manuseio de um material radioativo como, por exemplo, com o 157Cs. A inalação ou ingestão de partículas contendo este material radioativo são dois exemplos muito graves de contaminação. O acidente envolvendo a contaminação de muitas pessoas com 157Cs aconteceu em Goiânia-GO no ano de 1987. 
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 Fig. 10. Esquema do projeto da uma usina nuclear a fissão (usado, por exemplo, em Angra 2). Fusão Nuclear A fusão nuclear é um processo em que dois núcleos se combinam para formar um único núcleo, mais pesado. Um exemplo importante de reações de fusão é o processo de produção de energia no sol (e estrelas em geral), e também das bombas termonucleares (bomba de Hidrogênio). Um exemplo de uma reação de fusão nuclear: 2H + 3H → 4He + n 
 
 Esta reação libera uma quantidade de energia mais de um milhão de vezes maior que a que temos em uma típica reação química, como a queima de gás de cozinha. Esta enorme quantidade de energia é liberada nas reações de fusão porque quando dois núcleos leves se fundem, a massa do núcleo produzido é menor que a soma das massas dos núcleos iniciais - devido a forte energia de ligação do 4He, por exemplo – ver Fig. 6. Embora a fusão seja um processo energeticamente favorável (exotérmico) para núcleos leves, ela não ocorre naturalmente aqui na Terra, devido às dificuldades naturais para se aproximar os reagentes (devido à repulsão coulombiana entre os dois núcleos) para que as forças nucleares possam atuar. Reatores que confinam o plasma aquecido em campos magnéticos intensos podem produzir reações de fusão nuclear, mas o gasto de energia para operá-los ainda é muito grande comparado com o obtido pela fusão. Espera-se que futuros reatores a fusão nuclear produzam energia abundante desta forma. A fusão entre núcleos mais pesados são produzidas, em pequenas quantidades, corriqueiramente em aceleradores de partículas. Podemos dizer que a fusão nuclear é a base de nossas vidas, uma vez que a energia solar, produzida por esse processo é indispensável para a manutenção da vida na Terra. 
 Quando uma estrela é formada, ela consiste principalmente de Hidrogênio e um pouco de Hélio produzido no Big-Bang, o processo que deu origem ao universo. Devido ao forte campo gravitacional no interior das estrelas, os átomos de hidrogênio são comprimidos a pressões e temperaturas tão elevadas que resulta na reação defusão nuclear contínua e aproximadamente estável de hidrogênio a hélio (ver Fig. 6). Esta é a fonte principal de energia das estrelas. Algumas estrelas, depois de consumida a maior parte do hidrogênio, e dependendo de suas massas, colapsam e sofrem uma explosão muito violenta e brilhante. Num pequeno intervalo de tempo ela produz mais energia que o sol irá produzir em toda sua vida. Este evento muito energético e brilhante é chamado de explosão de supernovas. Os elementos mais pesados, inclusive os mais pesados que o ferro, são formados e espalhados pelo espaço interestelar. Isto dá origem à poeira cósmica, que é o material de que são feitos os planetas. Ou seja, todo o cálcio, iodo, ferro e a maior parte do oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre do nosso corpo foi formado pela explosão de supernovas ocorrido há mais de cinco bilhões de anos atrás! Efeitos Biológicos das Radiações Ionizantes (X, α , β e γ) As radiações corpusculares (α e β) e não-corpusculares (X e γ) são todas ionizantes, isto é, elas arrancam os elétrons dos átomos e moléculas do meio que atravessam. Com exceção dos Raios-X, todas demais (α , β e γ) são oriundas do núcleo dos átomos radioativos. Estas radiações causam alterações indistintamente nas moléculas (proteínas, peptídeos, metabólitos, lipídeos, glicídeos, ..), mas o mais relevantes são os causados ao DNA. No caso 
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dos danos ao DNA cabe citar: alteração nas bases, criação de sítios apurínicos e apirimidínicos, ruptura de simples cadeia, ruptura de dupla cadeia e outros. Muitas destas alterações causam mutações pontuais e deleção de bases. Algumas destas mutações podem se propagar aos descendentes se as células afetadas são gametas. Algumas destas alterações também podem levar a neoplasias e câncer. Lembrando que estas alterações no DNA são causadas também por outros processos tais como: radicais livres do metabolismo ou da dieta, espécies reativas de oxigênio e outros. Apesar de existirem muitos mecanismos de reparo do DNA, muitos destes erros acabam não sendo corrigidos ou reparados. Portanto é importante conhecer os mecanismos dos mesmos. 
 O principal efeito da radiação ionizante sobre o DNA não é o efeito direto dela sobre o DNA, mas a partir de mecanismos indiretos. A molécula mais presente nos seres vivos é a água, em humanos ela ocorre na faixa de ~50 a 60 % em peso. Por isso a ionização da água e a consequente formação de radicais livres é o efeito mais importante. Um único raio γ pode ionizar dezenas de moléculas de água antes de gastar toda a sua energia. Portanto, na presença das radiações ionizantes muitas moléculas de água acabam sofrendo ionização como segue: 
 H2O H2O+ + e- 
Se o elétron arrancado (e-) for de uma camada interna do átomo de oxigênio da água, então ele vai ser preenchido até que a vacância migre para um dos orbitais da camada externa, podendo parar num orbital sp3 ligante - da ligação covalente do oxigênio com o hidrogênio. Neste caso a ligação é desfeita, pois a ligação química covalente não se mantém por um único elétron. Neste caso: 
H2O+ + H2O → H3O+ + 
onde é um radical livre, pois o oxigênio da espécie possui um elétron desemparelhado (não ligado e sozinho ocupando um orbital). Esta espécie é muito reativa. Cabe lembrar também que a notação H+ é uma forma “muito informal” para representar o cátion H3O+, pois em solução não existem H+ (prótons) livres, mais tão somente o íon H3O+ cuja forma espacial e hibridização sp3 são quase idênticas aos da molécula de amônia (NH3). Os elétrons arrancados pelas radiações ionizantes também podem induzir reações como segue: 
e- + H2O → OH- + 
Aqui o átomo de hidrogênio (não confundir com H2) também é um radical livre. Observe que os radicais livres gerados são pequenos e não carregados, portanto, eles se difundem para todas as organelas, núcleos e células. Ao entrar em contato com as bases (por difusão térmica) estes radicais causam modificações químicas nas bases e, portanto, mutações pontuais, entre outros danos. 
 Além dos danos acima mencionados, na presença de feixes intensos de radiações ionizantes, pode-se observar também as reações seguintes: + → H2O2 e também, 
 + → H2↑. Ou seja, ocorre também a formação de peróxido de hidrogênio e gás hidrogênio. Ambos são facilmente observados. 
 Os eventos descritos acima são causadores de efeitos que podem ser classificados como efeitos estocásticos e não-estocásticos. Vamos discutir primeiro os efeitos estocásticos. Não existe uma dose limiar para os efeitos estocásticos ocorrerem, eles simplesmente podem ser observados ou não para um certo indivíduo, mas a “probabilidade” de ocorrerem cresce com a “dose” recebida por este indivíduo. Entre estes efeitos pode-se citar: câncer (notadamente leucemia, câncer do esôfago, estômago, cólon, pulmão, seios, ovários, tireoide, fígado, de pele não melanômicos, do sistema nervoso e outros) e efeitos hereditários (como síndrome de Down e outros). Portanto, as radiações ionizantes são classificadas como carcinogênicas para humanos. Já os efeitos não estocásticos são conhecidos por apresentarem uma dose limiar, isto é, uma dose a partir da qual os sintomas são observados. Seguem alguns exemplos: 1) Eritema e necrose da pele são observados entre 1 e 24 hs após a exposição a uma dose de 2 Sv (Sievert). 2) Catarata, que é a opacidade do cristalino devido a agregação das proteínas no mesmo. Ela é causada por uma dose de 2 a 10 Gy, mas pode levar alguns anos para se manifestar, ou seja, a observação do efeito não é imediata. Observação: 1 Gy = 1 Gray = a absorção de 1 Joule de energia radiante por kg de tecido. 3) Esterilidade. A dose necessária para ocorrer a infertilidade decresce com a idade. A esterilidade permanente ocorre quando as gônadas são submetidas a doses cujo limiar está na faixa de 2,5 a 3,5 Gy. 4) Síndrome aguda da radiação. Ela é caracterizada por náuseas, vômitos e diarreia, que são observadas horas ou minutos após a exposição. 5) Teratogênese e morte fetal. A exposição durante a gravidez tem vária doses limiares para os mais variados danos e mal formações, dependendo da fase da gestação. Por estas razões e também por causa dos efeitos estocásticos, recomenda-se que as gestantes não façam exames de imagem por Raios-X e tomografia. Bibliografia 1. ABC of Nuclear Science (Lawrence Berkeley Laboratory). 2. Prof. C. A. dos Santos. Conceitos Elementares de Física Nuclear. Instituto de Física, UFRGS. 27/03/2002. 3. L. Tauhata, I.P.A. Salati, R.Di Prinzio e A.R. Di Prinzio. Radioproteção e Dosimetria. CNEN. Rio, RJ, Ago/2003.