Física em Ciências Biológicas - Radiação

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DISCIPLINA DE FÍSICA GERAL 
CURSO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
Profª. Marcela de Oliveira
ESTRUTURA DA MATÉRIA 
E RADIAÇÃO 
Estrutura da Matéria
 Tudo que existe na natureza é feito de átomos que se unem para
formar moléculas;
 ÁTOMO: (a = não; tomos = divisões);
 O primeiro conceito de átomo : Demócrito (450a.C)
 Porém essas ideias eram muito avançadas para a época,
somente foram retomadas no início do século XIX.
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PARTÍCULA INVISÍVEL,
INDIVISÍVEL,
IMPENETRÁVEL E
ANIMADA DE 
MOVIMENTO PRÓPRIO
Estrutura da Matéria
 Dalton (1803): retomou a teoria de Demócrito
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TODA MATÉRIA É FORMADA DE PARTÍCULAS FUNDAMENTAIS
OS ÁTOMOS SÃO MASSAS COMPACTAS, ESFÉRICAS, 
HOMOGÊNEAS, INDIVISÍVEIS, INDESTRUTÍVEIS E INCRIÁVEIS
TODOS OS ÁTOMOS DE UM ELEMENTO SÃO SEMELHANTES OU IDÊNTICOS 
ENTRE SI, ENQUANTO QUE ÁTOMOS DE ELEMENTOS DIFERENTES SÃO 
DIFERENTES ENTRE SI
OS ÁTOMOS PODEM SE UNIR ENTRE SI, FORMANDO OS 
COMPOSTOS QUÍMICOS
Estrutura da Matéria
 Thomson (1897): reformulou o modelo anterior propondo a
divisibilidade do átomo.
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PASSANDO A SER RECONHECIDA A 
NATUREZA ELÉTRICA DA MATÉRIA
EXPERIMENTO COM RAIOS CATÓDICOS:
Desvio da trajetória
carga/massa
Sugerindo que possuíam cargas
Estrutura da Matéria
 Rutherford:
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O ÁTOMO APRESENTA DUAS 
REGIÕES: NÚCLEO (+) E A 
ELETROSFERA (-)
ÓRBITAS CIRCULARES
DESCOBERTA 
DO NÊUTRON 
Estrutura da Matéria
 Niels Bohr (1911): físico dinamarquês, foi passar seis meses em
Cambridge, para trabalhar com Thomson e depois com
Rutherford.
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COMPREENSÃO DA ESTRUTURA ATÔMICA E 
EVOLUÇÃO DA FÍSICA QUÂNTICA
 Artigo escrito por Balmer em 1885: dedução de
uma fórmula para calcular os comprimentos de
onda das raias espectrais emitidas pelo
hidrogênio, separadas por um prisma.
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Estrutura da Matéria
POSTULADOS DE BOHR:
1. OS ELÉTRONS SE MOVEM AO REDOR DO NÚCLEO EM UM NÚMERO 
LIMITADO DE ÓRBITAS, QUE SÃO DENOMINADAS ÓRBITAS ESTACIONÁRIAS 
(ESTADO FUNDAMENTAL)
2. MOVENDO-SE EM UMA ÓRBITA ESTACIONÁRIA, O ELÉTRON NÃO EMITE E 
NEM ABSORVE ENERGIA
3. QUANDO O ELÉTRON SALTA DE UMA ÓRBITA PARA OUTRA, O ELÉTRON 
EMITE OU ABSORVE ENERGIA EM QUANTIDADES BEM DEFINIDAS.
NÍVEIS DE 
ENERGIA
Níveis de Energia
1. Disposição de elétrons em torno do núcleo
 Cada nível possui uma energia específica
 Pode conter um certo número de elétrons
1° nível = 2e- 3° nível = 18 e-
2° nível = 8e- 4° nível = 32 e-
2. Elétrons ocupam um nível energético por vez, mas podem mover-
se para níveis de maior ou menor energia
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ÁTOMOS COM NÍVEIS EXTERNOS 
PREENCHIDOS
SÃO MAIS ESTÁVEIS
NÃO VÃO GANHAR OU PERDER 
ELÉTRONS TÃO FACILMENTE
PORTANTO NÃO FORMAM COMPOSTOS
Estrutura da Matéria
3. Elétrons de valência: elétrons mais externos que determinam o
comportamento químico do elemento.
4. Átomos sem o nível mais externo completamente preenchidos
tendem a trocar elétrons.
METAIS = tem apenas 1, 2 ou 3 elétrons na camada de valência
1) bons condutores de calor e eletricidade
2) maleáveis
3) tendem a ceder elétrons
NÃO METAIS = tem 4, 5 ou 6 elétrons na camada de valência.
1) tendem a ganhar elétrons quando se ligam
Níveis de Energia
Estrutura da Matéria
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Estrutura da Matéria
MODELO CLÁSSICO
REPRESENTAÇÃO
Átomos do mesmo elemento que possuem:
Diferentes números de neutrons
Mesmo número de prótons (Z)
Ex: carbono: carbono-12 = 6p+ e 6n; 
carbono-14 = 6p+ e 8n 
Isótopos
Estrutura da Matéria
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1. SÓLIDO = átomos/moléculas mais fixos
 possuem forma e volume definidos
2. LÍQUIDO = átomos/moléculas livres para se mover
 não possuem forma definida
 mas possuem volume definido
3. GÁS = átomos/moléculas livres para se mover e de maneira
independente
 tendem a se expandir em todas as direções
 não possuem forma nem volume definidos
Estados da Matéria
A ESTRUTURA E A RADIAÇÃO
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 A compreensão da estrutura da matéria é uma das bases
para entendermos o conceito de radiação.
 Em física, radiação é a propagação da energia por meio
de partículas ou ondas.
A Matéria e a Radiação
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 Olhando especificamente para as ondas (radiações), estas
podem ser classificadas como:
 Para isso vamos olhar melhor as suas características... 
A Matéria e a Radiação
NÃO 
IONIZANTES 
IONIZANTES 
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Características da Radiação Eletromagnética
AMPLITUDE: INTENSIDADE DA ONDA ELETROMAGNÉTICA
COMPRIMENTO DE ONDA (L): DISTÂNCIA ENTRE PONTOS 
IDÊNTICOS EM CICLOS ADJACENTES 
PERÍODO (T): TEMPO NECESSÁRIO PARA SE COMPLETAR UM 
CICLO (L) DE UMA ONDA 
FREQUÊNCIA (N): NÚMERO DE PERÍODOS POR TEMPO 
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Espectro Eletromagnético
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A Radiação
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 Incorporação tecnológica em nossa sociedade.
 São encontradas cada vez mais aplicações dos diversos
tipos de radiação.
 Somos forçados a “pesar” os riscos e benefícios de cada
um destes usos da radiação.
A Radiação: Dia-a-Dia
USO 
DOMÉSTICO
MEDICINA
INDÚSTRIA
MEIOS DE 
COMUNICAÇÃO 
PESQUISAS 
CIENTÍFICAS
Radiação Não-Ionizante (RNI)
 Carregam energia, porém não suficiente para ionizar a
matéria (arrancar elétrons)
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RNI são Nocivas?
COMISSÃO INTERNACIONAL DE PROTEÇÃO A RADIAÇÃO NÃO-IONIZANTE
 Desenvolve normas de exposição destinadas a proteger
contra os efeitos adversos a saúde.
 Para cada tipo de RNI existe um mecanismo de interação
com o corpo, um possível efeito biológico e uma forma de
medir essas quantidades.
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Ondas de Rádio
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São um tipo de radiação 
eletromagnética de 
comprimento de onda 
maior e frequência menor
Podem ser produzidas por correntes 
elétricas que oscilam rapidamente em um 
condutor (antena)
Radiocomunicações, radares, ressonância magnética (pulso de 
radiofrequência)
Os efeitos biológicos trazem resultados inconclusivos.
Pode-se observar efeitos térmicos, mas que não resultam em 
prejuízos observáveis no corpo
Micro-ondas
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São consideradas ondas de rádio com 
frequência de 2,5 giga-hertz
São absorvidas pela água, gorduras e 
açúcares. Se convertem diretamente 
em movimento atômico (calor)
Não são absorvidas por plásticos, vidros ou cerâmicas
O metal reflete as micro-ondas e, 
por isso, as panelas de metal não 
podem ir ao forno de micro-ondas
RISCOS
Infravermelho
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No espectro eletromagnético 
pouco antes da luz visível, porém 
ainda invisível a olho nu.
 Maior efeito biológico: térmico
 Alguns animais (cobras, peixes e mosquitos) têm olhos
sensíveis às ondas de 10 micrômetros, isso permite enxergar a
partir do calor que os corpos emitem.
 É a mesma visão que soldados têm ao colocar óculos de visão
infravermelho em ambientes de pouca iluminação.
Infravermelho
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 Principais aplicações: comunicação (controles remotos);
 Segurança de residências, com sensores de movimento;
 Tratamentos estéticos (fototerapia) para rejuvenescer a
pele;
 Tratamento na medicina para infecções e funções
analgésicas.
Luz Visível
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 Fontes comuns: sol, lâmpadas e objetos em altas
temperaturas;
 Maiores danos são prováveis somente se luz intensa atingir
diretamente a retina (reações fotoquímicas);
 O olho geralmente registra dor antes de ocorre danos
sérios.
Radiação Ultravioleta
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Fontes comuns: SOL e LÂMPADAS DE UV (“luz negra”)
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 Pode alterar ligações químicas em
moléculas mas não chega a provocar
ionização.
 Causa as famosas queimaduras solares.
Muita exposição a este tipo de radiação
em um curto período pode resultar em
danos celulares severos.
 A camada de ozônio na atmosfera é a
grande responsável pela filtração desta
radiação. Este fato, tornou os níveis de
radiação adequados para avida na Terra.
Radiação Ultravioleta
Tipos de Radiação Ultravioleta
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Tipo Comprimento de 
onda
Efeito
UV-A
“Luz Negra”
315-400 nm Poucos efeitos
UV-B 280-315 nm Possível câncer
de pele
UV-C 100-280 nm Danos na córnea
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Óculos com Filtro UV-A e UV-B
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Radiações Ionizantes
 Radiação que possui a capacidade de
arrancar elétrons do meio, e com isso
provocar sua ionização.
 Tem a capacidade de provocar danos a
células (direta ou indiretamente) e com
isso provocar efeitos biológicos:
 Queimaduras nos tecidos da pele (eritemas) que ocorrem com
níveis elevados de radiação.
 Quebras de moléculas de DNA levando a morte celular ou
mutação, e potencialmente podem provocar câncer.
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Radiações Ionizantes
 As radiações ionizantes 
possuem diferentes 
capacidades de penetração
Massa Carga
Alfa 4 +2
Beta 0 -1
Raios X 0 0
Gama 0 0
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Atenuação e Penetração
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Atenuação em Função da Energia
Fótons de menor energia são mais atenuados que os fótons de
maior energia
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Penetração – Energia – Espessura do 
Material
RAIOS-X
Descoberta dos Raios-X
 1895: Wilhelm Conrad Röntgen,
descobriu os raios-X em suas
experiências;
 1896: Röntgen tornou pública sua
descoberta, sem registrar
patente, por considerá-la um
patrimônio da humanidade;
 1901: Röntgen recebeu o
primeiro prêmio Nobel de Física.
Componentes do Tubo de Raios-X:
Componentes
•Vidro 
•Catodo: 
Filamento 
Cavidade focalizadora
•Anodo: 
Alvo 
Bloco de cobre
Produção de Raios-X
Tubo de Raios-X
• Acelerador de elétrons: 
Produção do feixe de fótons 
Tubo de raios-X ideal: 
Fonte pontual – detalhes na imagem 
Exposição rápida – movimentos do paciente 
• Conversor de energia 
Converte energia elétrica em raios-X e calor 
1% apenas é convertido em raios-X 
10% aproveitados - feixe útil ou primário 
Calor é um produto não desejável 
Interações que Ocorrem no Alvo
 Dois processos de Produção de raios-X:
Radiação de Freamento
Radiação Característica
Radiação de Freamento
keV
Radiação Característica
Espectro de Raios-X
A intensidade do feixe de Raios-X é proporcional ao número de Raios-X
produzidos
Fatores que Afetam o feixe de raios-X
 Tensão do tubo
 Corrente do tubo
 Filtração
 Número atômico do alvo
• Aumentando a tensão, aumenta a intensidade do feixe de raios-X
• A mudança de tensão altera a forma do espectro de raios-X 
• Maior tensão, maior o pico máximo de energia
TENSÃO
• Muda a 
QUANTIDADE e 
a QUALIDADE
• Muda a energia 
máxima 
TENSÃO
• Aumentando o número de fótons, aumenta a energia
• O aumento da corrente afeta o número de fótons mas não altera o
espectro de energia, a energia máxima é a mesma.
CORRENTE
• Muda a 
QUANTIDADE mas 
não muda a 
QUALIDADE
• kVp efetiva não 
muda
CORRENTE
FILTRO
Muda a QUANTIDADE e a 
QUALIDADE
O espectro muda para 
maiores energias
1- Espectro na saída do tubo
2- Filtração inerente
3- filtração adicional
O Ponto Focal
•Catodo : Filamento
Espiral de Tungstênio 
0,2 mm de diâmetro 
• Fino: 1-2 mm 
• Grosso: 2-5 mm 
Efeito Anódico
Variação da intensidade dos raios X
• no plano paralelo ao eixo anodo-
catodo
• função do ângulo do anodo (de 7° a
20°)
Absorção dos fótons emitidos com
ângulo pequeno
O envelhecimento do anodo:
•aumenta o efeito anódico
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A 
MATÉRIA E FORMAÇÃO DA IMAGEM
ATENUAÇÃO e PENETRAÇÃO
Redução da intensidade de um feixe de raios-X quando este
atravessa a matéria:
Objeto
Coeficiente de Atenuação Linear
 Quantidade de radiação atenuada para cada cm de 
material (Unidade: 1/cm) 
 Depende da energia da radiação incidente 
 Para um feixe monoenergético: 
 Fatores que alteram o coeficiente de atenuação linear (𝜇):
– Densidade
– Número atômico
Espessura do Material
Atenuação do Feixe 
 Pode ser resultante de dois processos:
ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO
Espalhamento Coerente
 Ocorre para feixes de baixa energia (menores que 10 keV)
 O fóton incidente interage com um dos elétrons mais
externos do átomo, transferindo para ele TODA sua energia
(excitando o átomo)
 A energia recebida é liberada através da emissão de um
outro fóton de mesmo comprimento de onda mas em outra
direção
 Depende do Número atômico (Z) e da energia do feixe
incidente
 Este tipo de interação NÃO tem grande importância para a
Radiologia Diagnóstica.
Efeito Fotoelétrico
 O fóton incidente (com energia maior ou igual a energia de
ligação do elétron) interage com um elétron das camadas
mais energéticas do átomo, transferindo sua energia para o
elétron
 Parte da energia é usada para vencer a energia de ligação do
elétron e a energia restante é transformada em energia
cinética
Efeito Fotoelétrico
 Após o elétron ser ejetado, passa a existir uma “vacância”
no átomo
 Esta vacância é preenchida por um elétron das camadas
vizinhas emitindo um fóton de energia característica, de
acordo com a camada em que está (Radiação Secundária).
Efeito Compton 
 Um fóton incidente interage com um elétron mais
externo do átomo, ionizando e expulsando-o da
eletrosfera
 O fóton continua a se propagar, com direção diferente e
menor energia (maior comprimento de onda), pois parte
da energia do fóton foi transferida para o elétron
 Neste caso ocorre espalhamento e não absorção, pois o
fóton incidente continua a se propagar.
Efeito Compton 
 O efeito Compton depende: 
Do ângulo de incidência do feixe
Da densidade eletrônica do átomo. 
 O efeito Compton pode afetar: 
Qualidade da imagem
Dose absorvida pelo paciente
Radiação espalhada
FLUOROSCOPIA
MAMOGRAFIA
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
MEDICINA NUCLEAR
MEDICINA NUCLEAR
 É uma especialidade médica 
que usa pequenas 
quantidades de material 
radioativo (emissores de 
radiação gama, α e β) 
combinadas a medicamentos 
para formar imagens do 
organismo e tratar doenças;
Medicina Nuclear X Radiodiagnóstico
• Radiodiagnóstico: equipamento é a fonte de radiação;
• Medicina Nuclear: o paciente é a fonte de radiação.
Medicina Nuclear X Radiodiagnóstico
• Radiodiagnóstico: visualiza anatomia.
• Medicina Nuclear: visualiza funcionalidade.
RADIOTERAPIA
 A radioterapia se baseia no emprego da radiação
ionizante para tratamento, utilizando vários tipos de
energia que podem atingir o local dos tumores ou áreas
do corpo onde se alojam as enfermidades, com a
finalidade de destruir suas células;
RADIOTERAPIA
TERAPIA COM RADIAÇÃO IONIZANTE

IRRADIAÇÃO

EFEITOS BIOLÓGICOS - MATAR CÉLULAS
 A radiação danifica o material genético da célula do
tumor evitando que ela cresça e se reproduza;
 As células do câncer crescem e se multiplicam muito
mais rapidamente do que as células normais. O
tratamento se baseia justamente na fase de
multiplicação celular.
RADIOTERAPIA
 O médico - especialista em radioterapia - limita
cuidadosamente a área afetada pelo câncer, e a ela
dirige o tratamento radioterápico;
 A aplicação do tratamento pode ser externa ou interna.
A aplicação de radiação por via interna também é
chamada de BRAQUITERAPIA. A forma mais usada de
tratamento é a radioterapia externa ou TELETERAPIA.
RADIOTERAPIA
TELETERAPIA - ACELERADORES DE PARTÍCULAS
• Gerador de raios X
• Raios X - alta energia
• Elétrons
•Colimadores
•Localizadores
• Lasers
•ImobilizadoresColimadores Individuais Imobilizadores
BRAQUITERAPIA - FONTES SELADAS
• Radioisótopos
• Gama - Ir-192, Cs-137
- Ra-226; I-125
• HDR (High dose rate)
• Remoto
• Maior atividade
• LDR (Low dose rate)
• Implantes
• Menor atividade
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Aplicações da Radiação Ionizante
 Medicina (Radioterapia, Medicina
Nuclear e Radiodiagnóstico);
 Industrial (radiografia, gamagrafia,
sensores);
 Irradiação de alimentos;
 Esterilização de equipamentos
hospitalares;
 Combate de pragas na agricultura.
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Aplicações da Radiação Ionizante
• Fiscalização (Aeroportos e fronteiras);
• Arqueologia, paleontologia e conservação
de obras de arte.
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Aplicações Equivocadas da Radiação 
Ionizante
Radium girls:
 Em 1920, uma empresa de relógios usou radio, para fazer com que
seus relógios brilhassem no escuro.
 Milhares de garotas foram contratadas para fazer estas pinturas
com a mão.
 O resultado foi uma superexposição destas trabalhadoras.
 Em 1938 uma trabalhadora chamada Catherine Donahue
processou a empresa por nunca ter divulgado os testes com a
radiação. Ela ganhou o processo, mas faleceu pouco depois, assim
como muitas garotas que trabalharam na empresa.
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Aplicações Equivocadas da Radiação 
Ionizante
Cosmético Radioativo:
 Esse creme foi popular na
França na década de 30;
 Prometia efeitos curativos e
embelezadores;
 Sua fórmula continha 0.5g de
tório e 0.25mg de rádio.
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Aplicações Equivocadas da Radiação 
Ionizante
Chocolate Radioativo:
 O chocolate Burk & Braun foi vendido na Alemanha entre 1931 e
1936.
 Sua propaganda sugeria seus poderes de rejuvenescimento.
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Proteção Radiológica
 Em todas as aplicações da radiação é preciso cuidar da
proteção radiológica
 Quando a radiação ionizante interage com o tecido biológico
pode causar efeitos somáticos (se aparecerem no indivíduo
exposto) e hereditários (se afetarem os descendentes).
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