Resumo Radio 1ª prova

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BASES FÍSICAS DAS RADIAÇÕES
Há um preconceito na sociedade com relação à radiação, de modo geral. Considerando-se alguns aspectos históricos da radiação, observa-se que os acontecimentos positivos sobressaem os negativos, apesar de os desastres ocorridos relacionados à radiação terem marcado a sociedade, como a bomba atômica. Se utilizada de forma correta, a radiação oferece diversos benefícios, como, de fato, trouxe para a sociedade, mudando conceitos formados nas áreas da química, física e biológica.
A radiação é uma propriedade relacionada ao núcleo de um átomo. A teoria atômica mais lógica na Grécia antiga, antes de Cristo, era a hipótese atomística de Leucipo de Mileto e Demócrito de Abdera. Acreditava-se que toda matéria seria composta por partículas indivisíveis chamadas átomos. Após um grande período, no início do século XIX, retomando-se os conceitos da Grécia antiga, surgiu a primeira hipótese para o modelo atômico: o modelo atômico de Dalton, conhecido como “modelo da bola de bilhar”, que ainda tratava o átomo como uma partícula indivisível. Por mais que os postulados de Dalton não tenham trazido tantos avanços, levando-se em consideração o que se sabe atualmente a respeito dos átomos e dos elementos, a retomada dos estudos na atomística foi extremamente importante para direcionar a atenção da comunidade científica, de maneira geral, para os átomos, o que trouxe avanços e mudou os paradigmas físicos e químicos, o que não ocorria há séculos. Segundo Dalton, cada elemento era composto por um grande número de partículas idênticas e indivisíveis (átomos); a massa de um composto é a soma das massas dos átomos constituintes; e os compostos químicos são formados por combinações de átomos em proporções simples (1:1 e 1:2, por exemplo).
Pouco tempo após ser lançado o modelo atômico de Dalton, houve a descoberta da radioatividade, com a participação de 3 pesquisadores em especial: Henri Becquerel, Pierre Curie e Marie Curie. Henri Becquerel trabalhava com sais de urânio e identificou pela primeira vez a emissão de radioatividade por um elemento, em 1896. Na mesma época, em 1898, Pierre Curie e Marie Curie, considerados, atualmente, os pais da radiação, identificaram outros elementos radioativos até então desconhecidos: polônio e rádio.
A imagem ao lado representa de forma esquemática o experimento com sais de Urânio, realizado por Becquerel. Becquerel adicionou um sal de urânio dentro de uma caixa de chumbo que continha um orifício para direcionar os feixes emitidos pelo sal de urânio para uma única direção. O sistema foi fechado a vácuo, e Becquerel aplicou um campo elétrico ao mesmo, adicionando um polo positivo de um lado e um polo negativo do outro lado desse sistema. Além disso, adicionou uma chapa fotográfica na parte superior, semelhante à chapa utilizada atualmente para revelar exames de raios-X. A placa fotográfica foi utilizada para marcar a radiação emitida.
Becquerel observou a formação de três marcas na chapa fotográfica. A simples presença dessas marcações já contrariava o conceito de que os átomos são partículas indivisíveis, pois indicava que existiam 3 outras partículas no átomo, as quais Becquerel denominou de partículas alfa (α), beta (β) e gama (γ). Becquerel observou, ainda, que um dos feixes era emitido de forma linear, ou seja, não sofria nenhum desvio pelo campo elétrico aplicado, logo, não apresentava carga. O outro feixe emitido desviava para o lado positivo, indicando que se tratava de uma partícula negativa, e o outro feixe desviava para o lado negativo, indicando que se tratava de uma partícula positiva. Além disso, Becquerel constatou que a partícula negativa apresentava um desvio mais acentuado que a partícula positiva, podendo inferir que a partícula negativa era mais leve que a positiva.
Dessa forma, a partir desse experimento relativamente simples, que, para a época em questão, foi considerado um experimento revolucionário, Becquerel observou que o átomo emitia algo, caracterizando o fim de uma era na qual se acreditava que o átomo era uma partícula indivisível e, além disso, observou que as partículas emitidas poderiam ser de três tipos diferentes, e que uma delas não apresentava carga, já que não apresentava desvio, outra era carregada positivamente, já que desviou para o lado negativo, e era mais pesada, já que o desvio foi menor, e a outra era carregada negativamente, já que desviou para o lado positivo, e mais leve, uma vez que o desvio foi maior. Com os avanços nos estudos, foi possível determinar o que realmente era cada uma das partículas emitidas pelo átomo e constatou-se que Becquerel estava correto.
Aproximadamente na mesma época (1898), Thomson descobriu os elétrons. Dessa forma, a partir dos experimentos de Becquerel, do casal Curie e de Thomson, com descobertas importantes em um pequeno período de tempo, mudou-se todo o conceito existente a respeito dos átomos e criaram-se as bases para as teorias atômicas que são utilizadas atualmente na física e na química quântica. Essas descobertas fizeram com que a atenção da comunidade científica se voltasse ainda mais para o estudo dos átomos, obtendo-se avanços muito rápidos nesse campo, incluindo a descoberta dos raios-X por Becquerel. Logo, esses achados nortearam os avanços obtidos nessa época.
Obviamente, os riscos de se trabalhar com material radioativo nos primeiros anos eram muito maiores do que atualmente, observando-se efeitos tóxicos e deletérios decorrentes da radiação, devido ao uso indiscriminado e ao desconhecimento a respeito da mesma. Atualmente, sabe-se dos riscos inerentes ao manipular material radioativo e dos cuidados que devem ser tomados. Assim, tomando os devidos cuidados, com medidas de proteção adequadas, os riscos são praticamente nulos.
Sabendo-se, portanto, que o átomo não era uma partícula indivisível, como se imaginava, surgiram outros modelos atômicos. Um deles foi o modelo atômico de Thomson, conhecido como “pudim de ameixas” ou “pudim de passas”. Esse modelo considera que todas as partículas positivas e negativas de um átomo estão uniformemente distribuídas por toda sua área. O modelo de Thomson surgiu como uma forma de tentar justificar a emissão de radiação pelas partículas presentes no núcleo atômico. Nessa época surgiram novos conceitos, dentre eles, o conceito de íon: um átomo em que um elétron foi perdido. A carga de um átomo ionizado é igual, em número, à carga do elétron, e o número de elétrons de um átomo é aproximadamente a metade da massa do átomo.
Outros estudos foram realizados, sendo observado, experimetalmente, que muito do que ocorria era contrário aos modelos que, até então, eram considerados como verdadeiros. Assim, seguindo a racionalidade do modelo atômico de Thomson, Rutherford propôs um experimento muito parecido com o que foi realizado por Becquerel, colocando-se uma partícula radioativa dentro de um recipiente de chumbo e direcionou os feixes para uma lâmina de ouro, ao invés de uma chapa fotográfica, como observado na figura ao lado. Essa lâmina de ouro era muito fina, permitindo a passagem de boa parte do feixe. Rutherford observou que, ao interagir com a lâmina de ouro, alguns feixes passavam diretamente por tal, já que não interagiam com o meio, ou seja, não se chocavam com os átomos de ouro, e outros feixes sofriam desvios, que poderiam ser maiores ou menores, o que ele denominou retrodesvios, ou seja, desvios com ângulo maior que 90°. Ao redor da lâmina de ouro, havia um detector destinado a detectar e quantificar os retrodesvios. Assim, ele observou que esses retrodesvios ocorriam na orde de 1/8000, ou seja, 1 retrodesvio a cada 8000 feixes que passavam através da lâmina de ouro.
Rutherford realizou os cálculos segundo o modelo atômico de Thomson e, caso este fosse correto, essa proporção deveria ser de 1 retrodesvio a cada 1040 feixes que passavam através da lâmina de ouro, diferindo do que foi constatado em seu experimento. Logo, havia algo errado no modelo de Thomson. A justificativa para a ocorrência da proporção de 1/8000 e nãode 1/1040 era a hipótese de que as partículas do átomo estavam muito condensadas, apresentando-se em alta densidade, fazendo com que o feixe que se chocasse com essas partículas, voltassem, e não passassem através, conforme mostrado no esquema apresentado na figura. Para isso, as partículas do átomo não poderiam estar dispersas por toda a área do átomo, mas concentradas numa região de alta densidade: o núcleo atômico. A partir dessas constatações, surgiu o modelo atômico proposto por Rutherford, em 1911, conhecido como “planetário”, onde o núcleo atômico é extremamente condensado, contendo prótons e nêutrons, e os elétrons estão distribuídos ao redor do núcleo. Observou-se, ainda, que o raio nuclear apresentava tamanho da ordem de 10-14 m e que o raio atômico apresentava tamanho da ordem de 10-10 m, ou seja, apresentavam uma grande diferença de tamanho, já que as partículas presentes no núcleo estavam condensadas, o que justificava o menor tamanho de raio nuclear. Dessa forma, novamente mudou-se a ideia do que realmente era o átomo.
 Posteriormente, surgiu o modelo atômico de Bohr, como forma de tentar sanar alguns problemas observados no modelo atômico de Rutherford. Nessa época, as leis do eletromagnetismo já eram conhecidas, logo, sabia-se que uma partícula muito pequena girando ao redor de núcleo de carga oposta, perde energia cinética atés se chocar com o núcleo de carga oposta, ou seja, essa partícula realiza uma rota em espiral, até se chocar com o núcleo. Realizando-se os cálculos seguindo-se as leis do eletromagnetismo, o elétron que girava ao redor do núcleo seria capturado por ele em um tempo de 10-10 segundos, o que sabia-se que não era verdade, uma vez que Thomson havia descoberto o elétron, logo, caso o elétron fosse capturado pelo núcleo nesse período de tempo, Thomson não seria capaz de observar a presença do mesmo, pois haveria sido capturado antes que ele pudesse observar sua presença.
Para que as leis do eletromagnetismo fosse verdadeira, sendo possível propor um ajuste no modelo de Rutherford, Bohr propôs que os elétrons estavam distribuídos em camadas ao redor do núcleo (camadas K, L, M...). Assim, de acordo com o modelo atômico proposto por Bohr, os elétrons possuíam energias quantizadas e estavam presos em camadas de energia ao redor do núcleo. Os elétrons presentes nessas camadas não eram capazes de se desligarem da camada onde estavam, a não ser que fosse aplicada uma força, ou seja, para que um elétron fosse retirado ou adicionado a uma camada, seria necessário que houvesse a aplicação ou emissão de energia. Essa ideia da energia quantizada das camadas justificava o porque de o elétron não ser capturado pelo núcleo, já que ele estava preso em camadas específicas.
A partir do modelo proposto por Bohr, de que os elétrons estavam presentes em camadas de energia ao redor do núcleo, surgiu o conceito de energia de ligação dos elétrons, ou seja, para que fosse possível retirar um elétron de uma camada, seria necessária a aplicação de força. A energia de ligação do elétron é a energia que deve ser aplicada para que seja possível retirar o elétron da camada onde está presente, sendo a energia que mantém os elétrons presos em determinado átomo. Se a energia que interage com um elétron é maior que a energia de ligação, ocorre a ionização, como observado na figura, que mostra um fóton com energia maior que a energia necessária para manter o elétron preso no átomo interagindo com um elétron, ocorrendo o processo de ionização, com formação de um íon (cátion) e um elétron livre.
Se a energia do fóton que interage com o elétron for menor que a energia de ligação do elétron, tem-se o processo de excitação, que é a passagem do elétron de uma camada para outra. Após certo tempo, a lacuna presente na camada que continha o elétron será preenchida por outro elétron, ou pelo mesmo elétron, que retorna à sua camada de origem. Ao retornar à sua camada de origem, o excesso de energia entre uma camada e outra é emitido na forma de onda eletromagnética, ou seja, na forma de raios-X. Os raios-X quase sempre acompanham um processo de interação da radiação com um meio material. Existem 2 tipos de raios-X, que se diferenciam com relação à sua origem. O raio-X médico, utilizado quando se fratura algum membro, por exemplo, é caracterizado por um bombardeio de elétrons em um núcleo pesado. O elétron sofre um desvio dentro do núcleo e, ao sofrer esse desvio, há liberação de energia cinética, que é o raio-X. O raio-X característico é caracterizado pelo que foi comentado anteriormente, ou seja, pela transição de elétrons entre camadas. É chamado raio-X característico porque a energia emitida é característica da transição entre camadas específicas. Conseguindo-se quantificar essa energia, é possível determinar as camadas entre as quais ocorreu a transição.
Estrutura atômica:
O átomo é composto, basicamente, por prótons, elétrons e nêutrons. O termo nucleon pode ser utilizado para se referir ao conjunto de partículas que compõem o núcleo de um átomo, ou seja, ao conjunto de prótons + nêutrons. Prótons e elétrons possuem carga oposta e de mesma magnitude (1,602177 x 10-19 C), e nêutrons não possuem carga. Com relação à massa dessas partículas, prótons e nêutrons possuem maior que a dos elétrons, sendo essa massa de 1,672623 x 10-27 kg para prótons, 1,674929 x 10-27 kg para nêutrons e 9,109390 x 10-31 kg para elétrons. Observa-se, que a massa do próton é bem próxima à massa do nêutron.
O termo nuclídeo se refere a um elemento químico estável. Quando o elemento químico é instável, ou seja, radioativo, utiliza-se o termo radionuclídeo (ou radioisótopo, ou radiofármaco) para se referir ao mesmo, designando um composto que apresenta excesso de energia, que é emitido na forma de radiação. A radiação emitida devido a esse excesso de energia pode ser de várias formas, entre elas α, β e γ.
Isótopos são elementos que apresentam o mesmo número de prótons (Z), ou seja, mesmo número atômico, como e . Isóbaros apresentam mesmo número de massa (A), ou seja, mesmo número de nucleons, como e . Isótonos apresentam mesmo número de nêutrons (N), como e . Isômeros apresentam mesmo número de massa (A), número de prótons (Z) e número de nêutrons (N), mas estados energéticos diferentes. Como exemplo clássico de isômeros tem-se: e . Cerca de 80-90% dos exames em medicina nuclear são realizados utilizando-se , que é idêntico ao , porém apresenta um estado energético mais elevado. Essa diferença de energia é emitida na forma de raio γ, que é detectado pelo detector, gerando a imagem, permitindo detectar, por exemplo, a presença de tumores, isquemia, doença renal e doença hepática no paciente.
Independentemente de um átomo ser ou não radioativo, ele apresenta um núcleo condensado, composto por prótons e nêutrons, e os elétrons estão dispersos ao redor desse núcleo. Porém, já foi provado que o núcleo apresenta tamanho bastante reduzido (raio nuclear ~ 10-14 m). Apesar de o núcleo ser tão pequeno, os prótons, que possuem carga positiva, conseguem se manter no seu interior sem que ocorra uma repulsão eletrostática entre eles, devido às forças nucleares existentes. As forças nucleares são forças de curto alcance, ou seja, são forças efetivas somente a distâncias menores que o tamanho do raio nuclear, logo, entre partículas muito próximas, atuando somente dentro do núcleo. Assim, numa distância muito pequena, o que prevalece são as forças nucleares. À medida que a distância aumenta, a força que prevalece é a força coulombiana, que é a força de repulsão eletrostática. Portanto, como os prótons presentes em um núcleo estão muito próximos (distância praticamente nula), a força nuclear prevalece entre eles, sendo aproximadamente 100 vezes maior que a força de repulsão eletrostática. A repulsão eletrostática continua existindo, porém, como a força nuclear (de atração) é 100 vezes maior, a força de repulsão é negligenciada.
Os gráficos ao lado representam a relação entre a energia potencial entre os nucleons e a distância do núcleo(d). O primeiro gráfico se refere a prótons e o segundo se refere a nêutrons. A partir do primeiro gráfico, é possível observar que quando se tem dois prótons cuja distância entre eles é nula, a energia potencial existente entre eles, ou seja, a repulsão eletrostática entre eles é negativa, atuando, na verdade, uma energia de atração, ou seja, prevalece a força nuclear entre eles. A força nuclear é efetiva somente em distâncias menores ou próximas ao tamanho do raio nuclear. À medida que a distância entre os prótons aumenta, a força de repulsão eletrostática se mantém negativa até distâncias próximas ao tamanho do raio nuclear, e a força nuclear continua prevalecendo. A partir de determinada distância (maior que o tamanho do raio nuclear), a força nuclear se anula, passando a prevalecer a força de repulsão que já existia entre eles, mas era negligenciada, pelo fato de a força nuclear ser 100 vezes maior que tal. A força de repulsão eletrostática atinge seu limiar em determinada distância, a partir da qual ela decai, até que a carga positiva de um próton não sente mais a carga positiva do outro próton, ponto no qual essa força será nula. A partir do segundo gráfico, observa-se que, para nêutrons, há atuação somente da força nuclear, que atua até determinada distância, a partir da qual não há força de repulsão ou atração entre eles, já que trata-se de partículas que não são carregadas.
Observa-se, portanto, a importância da presença de nêutrons no interior no núcleo atômico. Os nêutrons contribuem juntamente com a força nuclear, para manter os nucleons próximos, ou seja, para que haja atração entre os nucleons e não repulsão. Dessa forma, a presença de nêutrons é importante por contribuir com a estabilidade do núcleo atômico. Um núcleo radioativo apresenta uma desproporção entre prótons e nêutrons, que precisa ser regulada. À medida que um núcleo se torna maior, a tendência é que ele apresente mais nêutrons que prótons, ou seja, que a razão entre nêutrons e prótons seja maior que 1, para que os nêutrons compensem a repulsão eletrostática existente entre os prótons, favorecendo a estabilidade do núcleo. Quando a quantidade de nêutrons existentes no núcleo não são capazes de conter a repulsão entre os prótons, o átomo se torna radioativo.
Energia de ligação do núcleo:
Da mesma forma que existe a energia de ligação do elétron, que é a energia necessária para que seja possível a retirada do elétron de sua camada de energia, existe a energia de ligação do núcleo, que é a energia necessária para a retirada de um nucleon, ou seja, de um próton ou de um nêutron.
Pensando-se, por exemplo, no átomo de He, que apresenta 2 prótons e 2 nêutrons, para descobrir a presença da energia de ligação do núcleo, determinou-se a massa teórica do núcleo, que é dada pela soma da massa dos prótons e da massa nos nêutrons. Porém, ao determinar a massa real no núcleo, observou-se que esta era inferior ao valor teórico. Denominou-se essa diferença como defeito de massa (ΔM), que está representado na figura ao lado. O defeito de massa é a energia necessária para unir ou separar 1 nucleon, ou seja, para unir ou separar um próton ou um nêutron. Logo, a energia de ligação do núcleo é dada pelo defeito de massa. Mas, é possível correlacionar massa com energia? Segundo Albert Einstein, massa é energia, e vice-versa, ou seja, massa e energia são interconversíveis. Assim, para juntar prótons e nêutrons, ocorre liberação de energia, que reflete em uma perda de massa. Ao contrário, ou seja, para separar prótons e nêutrons, deve-se fornecer energia, o que reflete em um aumento de massa. Isso acontece porque a energia é convertida em massa.
Existe um radiofármaco muito utilizado na técnica de PET (tomografia por emissão de pósitrons): o FDG. A tomografia por emissão de pósitrons é realizada através de uma interação de uma radiação, que é o pósitron (elétron positivo – antipartícula do elétron). Alguns átomos emitem esse pósitron, sendo um deles o isótopo 18F. O isótopo estável de flúor é o 19F. A fluordesoxiglicose (FDG), que é a molécula mais utilizada na técnica de PET, é uma molécula de glicose marcada com 18F, que está presente no lugar de uma hidroxila nessa molécula, transformando-se em uma molécula radioativa. Uma das características de um tumor maligno é a multiplicação acelerada das células tumorais. Para que isso ocorra, é necessário um aporte maior de glicose, que é a principal fonte de energia, e, por isso, normalmente as células tumorais apresentam superexpressão de receptores GLUT, que são os receptores responsáveis pelo transporte ativo de glicose para o interior da célula. Logo, como o tumor capta uma grande quantidade de glicose, na presença de glicose radioativa, as células tumorais captarão grande parte dessa glicose e, ao realizar um scan no paciente, é possível observar os locais onde há maior quantidade dessa glicose radioativa, sendo um indicativo de que nesses locais há a presença do tumor. Assim, essa é a principal utilidade do FDG, principalmente quando se deseja observar a presença de metástase, avaliar a eficiência do tratamento quimioterápico e verificar a recorrência do tumor após a cirurgia de retirada do mesmo. O 18F emite o pósitron, que é uma partícula β+, que é um elétron positivo e, por isso, recebe o nome de pósitron. O pósitron é emitido, perde energia cinética ao longo do percurso, e, ao encontrar um elétron de um átomo do meio no qual essa partícula está se propagando (ar, organismo, etc), interage com tal, sofrendo um processo de aniquilação, onde as partículas β+ e elétron se chocam, e, no momento da fusão dessas duas partículas, as duas massas são convertidas ondas eletromagnéticas, liberando dois fótons de energia com ângulo de 180° ente eles, caracterizando um processo no qual ocorre a conversão de massa em energia. Cada uma das ondas eletromagnéticas formadas apresenta a energia correspondente à massa de um elétron.
Segundo Einstein, a massa de um corpo é a medida do seu conteúdo energético. Trazendo essa ideia para o cotidiano, supondo-se um carro caminhando em direção a um muro, numa velocidade de 30 Km/h, ao se chocar contra o muro, este não resistiria. Porém, supondo-se um caminhão, com a mesma velocidade, o contrário ocorreria, ou seja, o muro não resistiria. Isso ocorre porque massa e energia são grandezas que estão diretamente relacionadas. De acordo com a equação acima, E é a energia, dada em J; m é a massa, dada em Kg, e c é a velocidade da luz no vácuo, que equivale a 2,997925 x 108 m/s. A unidade de medida utilizada para energia será o elétron volt (eV), que equivale a 1,602177 x 10-19 J, e a unidade de medida de massa utilizada será a unidade de massa atômica (u), que equivale a 1,660540 x 10-27 Kg.
Exemplo: Qual a energia equivalente a 1 unidade de massa atômica?
Sabendo-se que 1 unidade de massa atômica equivale a 1,660540 x 10-27 Kg, tem-se:
Como 1 eV equivale a 1,602177 x 10-19 J, tem-se:
1 eV __________ 1,602177 x 10-19 J
 X __________ 1,492419 x 10-10 J
X = 931494460 eV
Como 1 MeV equivale a 106 eV, tem-se:
1 MeV __________ 106 eV
 X __________ 931494460 eV
X = 931,5 MeV
Logo, a energia correspondente a 1 unidade de massa atômica é de 931,5 MeV. No caso dos fótons (ondas eletromagnéticas γ) formados quando um pósitron (radiação β+) encontra um elétron do meio no qual essa partícula é emitida, a energia dos mesmos é relativa à massa do pósitron e do elétron, que é a mesma, já que são partículas que apresentam a mesma massa, apenas carga oposta. Assim, a energia de cada fóton é de 511 KeV, determinada através da equação acima, referente à massa de cada elétron. O detector do aparelho de PET não é capaz de detectar partículas, apenas dois fótons, que apresentam energia de 511 KeV, com ângulo de 180° entre eles, e que atingem o aparelho no mesmo ms de tempo, que é exatamente o que ocorre no processo de aniquilação.
Retomando o exemplo do átomo de He citado anteriormente, no qual se observou que a massa real do núcleo é menor quea massa teórica, a diferença de massa observada representa a energia necessária para unir ou separar um nucleon, semelhante à energia de ligação do elétron. Supondo-se que cada próton e cada nêutron do átomo de He apresente massa = 2 u, a massa teórica desse átomo seria 8 u (soma das massas dos dois prótons e dos dois nêutrons). Supondo-se, ainda, que a massa real desse átomo seja de 7,5 u, a diferença de massa seria de 0,5 u. A partir dessa diferença de massa, é possível calcular, utilizando-se a fórmula proposta por Einstein, é possível calcular a energia correspondente a essa diferença de massa, ou seja, a energia de ligação dos nucleons. Supondo-se que, realizando-se os cálculos, a energia correspondente a essa massa seja de 100 eV. O conceito mais utilizado é o de energia de ligação média por nucleon. Como o átomo de He apresenta 4 nucleons, a energia de ligação média seria 100 eV/4 = 25 eV. O valor da energia média por nucleon diz respeito à estabilidade do átomo. Se essa energia for maior, indica que é mais difícil o átomo perder um nucleon, logo, reflete em uma maior estabilidade do átomo. Caso contrário, ou seja, se a energia de ligação média por nucleon for menor, a estabilidade do átomo também será menor.
O gráfico ao lado representa a energia de ligação média por nucleon em função do número de massa. Esse gráfico pode ser dividido em 3 pontos. O primeiro ponto é representado por picos e vales, ou seja, por uma oscilação grande da energia média em função do número de massa. O segundo ponto é representado por um aumento da energia em função do aumento do número de massa, até atingir um valor máximo, a partir do qual essa energia diminui em função do aumento do número de massa, que representa o terceiro ponto do gráfico.
Analisando o primeiro ponto do gráfico, observa-se que se tem uma energia maior para átomos que apresentam número de massa que são múltiplos de 4, que são exatamente átomos que são múltiplos do átomo de He. Nesses átomos, a relação entre nêutrons e prótons no núcleo é de 1:1, o que caracteriza um núcleo estável. Supondo-se um átomo que apresenta número de massa = 5, esse átomo poderia apresentar 3 prótons (se apresentasse 3 nêutrons, continuaria sendo o átomo de He, uma vez que é o número atômico, ou seja, o número de prótons quem indica o elemento. O maior número de prótons contribui para a força nuclear, porém também contribui para a força de repulsão eletrostática. Por esse motivo, para átomos com baixo número de massa e que este seja múltiplo de 4, o que caracteriza uma relação de 1:1 entre o número de nêutrons e número de prótons, a energia média de ligação por nucleon é maior, logo, a estabilidade é favorecida, mas não indica que o átomo que apresenta menor número de massa seja instável, e, portanto, radioativo, apenas que átomos que apresentam número de massa múltiplo de 4 tem maior chance de ser estável que átomos que apresentam número de massa que não é múltiplo de 4, já que apresentam maior energia média de ligação por nucleon, ou que os átomos que apresentam número de massa que não é múltiplo de 4 apresenta maior chance de ser instável que átomos que apresentam número de massa múltiplo de 4, já que apresentam menor energia média de ligação por nucleon. Porém, além da energia média de ligação por nucleon, outros fatores contribuem para a estabilidade do átomo.
Analisando o segundo ponto do gráfico, observa-se que, a partir certo ponto (número de massa de aproximadamente 20), a energia média de ligação por nucleon aumenta com o aumento do número de massa. Tem-se, portanto, um aumento do número de prótons. À medida que o número de prótons aumenta, tem-se uma maior a quantidade de prótons afastados no interior do núcleo, logo, haverá uma força de repulsão entre eles atuando, já que, por estarem distantes, a força nuclear entre eles será nula. Assim, haverá certa instabilidade no núcleo, que pode ser, de certa forma, contornada com o aumento no número de nêutrons. Assim, em átomos que apresentam número de massa maior que 20, a relação entre número de nêutrons e número de prótons aumenta, havendo maior quantidade de nêutrons do que de prótons no átomo, como forma de tentar buscar a estabilidade. Assim, o segundo ponto do gráfico mostra que à medida que o número de nêutrons aumenta e, consequentemente, o número de massa, maior a energia média de ligação por nucleon, logo, maior a estabilidade do átomo. Porém, há um momento (por volta de número de massa de aproximadamente 100) em que mesmo aumentando o número de nêutrons, não será possível manter a estabilidade do átomo, já que o número de prótons será muito grane. Isso é representado pelo terceiro ponto do gráfico, no qual se observa que aumentando-se o número de massa, há uma diminuição da energia média de ligação por nucleon, logo, maior instabilidade do átomo, e, portanto, esses átomos serão radioativos.
Um elemento radioativo apresenta um excesso de energia que é liberado na forma de radiação para que se torne estável. Porém, para que essa estabilidade seja alcançada, pode ser preciso um tempo menor (da ordem de segundos ou milissegundos) ou maior (podendo chegar a anos), dependendo do elemento. Esse tempo é constante para cada elemento, não sendo possível alterá-lo, ou seja, não é possível alterar a cinética de desintegração de um elemento radioativo.
Critérios de estabilidade nuclear:
Energia de ligação por nucleon:
Uma maior massa do núcleo reflete em uma maior diferença de massa e, consequentemente, em uma maior energia de ligação do núcleo, porém, não pode-se dizer que essa maior energia de ligação do núcleo reflete em maior estabilidade ao átomo, uma vez que a estabilidade está relacionada com a energia de ligação média por nucleon. O 20Ca40 apresenta número de massa = 40 u, que contribui para uma energia de ligação no núcleo de 342,1 MeV. O 29Cu63 apresenta número de massa = 63 u, que contribui para uma energia de ligação do núcleo de 551,4 MeV. O 92U238 apresenta número de massa = 238 u, que contribui para uma energia de ligação do núcleo de 1.802 MeV. Se a estabilidade fosse dada pela energia de ligação total do núcleo, o átomo mais estável seria o 92U238, porém, a estabilidade é dada pela energia de ligação média por nucleon. Calculando-se essa energia de ligação média por nucleon para cada elemento, tem-se: 8,55 MeV para 20Ca40; 8,75 MeV para 29Cu63, e 7,57 para 92U238. Logo, o átomo de 29Cu63 apresenta maior probabilidade de ser radioativo do que os átomos de 20Ca40 e 29Cu63, que são mais estáveis.
No gráfico ao lado, os quadrados preenchidos representam os elementos estáveis, e os quadrados representam vazios representam os elementos radioativos. A linha contínua representa os elementos cuja relação entre nêutrons e prótons é de 1:1, ou seja, o número de prótons é igual ao número de nêutrons. Seguindo-se essa linha, percebe-se que esta, ao atingir número de prótons e número de nêutrons igual a 20, coincide com a linha dos elementos estáveis, já que nessa região de elementos com menor número atômico, aqueles elementos cujo número de massa é múltiplo de 4 são mais estáveis. Observa-se, ainda, que aumentando o número de prótons, a curva de estabilidade tende para elementos que apresentam maior número de nêutrons do que de prótons, já que o número de nêutrons aumenta como forma de manter a estabilidade do átomo, até atingir um ponto onde, mesmo com o aumento do número de nêutrons, a estabilidade não é alcançada, já que a quantidade de prótons é muito grande.
Relação N/Z (número de nêutrons/número de prótons):
Núcleos leves são aqueles que apresentam número de massa menor ou igual a 20 (A ≤ 20), enquanto núcleos pesados são aqueles que apresentam número de massa maior que 20 (A > 20). Núcleos leves estáveis agrupam-se em torno da reta N = Z, apresentando número de prótons igual ao número de nêutrons, logo, a relação N/Z é igual a 1. Núcleos pesados estáveis afastam-se da reta N = Z, apresentando número de nêutrons superior ao número de prótons, logo, a relação N/Z é maior que 1. Para átomos queapresentam número de massa maior que 50, a relação N/Z tende a ser 1,6. O 83Bi209 é o núcleo estável mais pesado que se conhece, cujo número de massa é igual a 83, e a relação N/Z é igual a 1,52. Após o bismuto, todos os outros elementos são radioativos.
Fenômeno da paridade:
O fenômeno da paridade é um critério experimental, onde todos os átomos conhecidos foram distribuídos em uma tabela semelhante à tabela ao lado, e observaram que, por algum motivo, há um número maior de isótopos estáveis que apresentam número de nêutrons e prótons par, do que de isótopos estáveis que apresentam número de nêutrons, prótons ou ambos ímpares. Isso pode estar relacionado ao fato de que quando se tem um nêutron para cada próton, ou seja, uma relação de 1:1 entre nêutrons e prótons, é mais provável se ter estabilidade. O número de elementos estáveis que apresentam número de prótons e de nêutrons ímpar é muito pequeno, apenas 5: ; ; ; , e .
Não é possível correlacionar os critérios. Não se pode, por exemplo comparar um elemento dessa tabela com um elemento que apresenta uma determinada energia de ligação média por nucleon e dizer qual é mais estável, mas pode-se comparar um elemento que apresenta número de prótons e número de nêutrons pares com outro que apresenta número de prótons e número de nêutrons ímpares, afirmando que o primeiro elemento apresenta maior probabilidade de ser mais estável que o segundo.
Números mágicos:
O critério de números mágicos também é um critério experimental. Observou-se que os elementos apresentam maior chance de serem estáveis quando apresentam N (número de nêutrons), Z (número de prótons) ou ambos igual a 2, 8, 20, 50, 82 ou 126. Alguns exemplos são: 2He4 (N = 2; Z = 2); 8O16 (N = 8; Z = 8), e 82Pb208 (N = 126; Z = 82), que são elementos duplamente estáveis, ou seja, tanto o número de nêutrons quanto o número de prótons são números mágicos. O Pb, por exemplo, é o elemento final de muitas cascatas de desintegração de elementos radioativos, ou seja, o elemento radioativo se desintegra, emitindo radiação, formando outro elemento, que também se desintegra, emitindo radiação, e assim por diante, até a formação do Pb, que é completamente estável.
RADIOATIVIDADE
A radiação pode ser classificada quanto à ocorrência, quanto ao poder de ionização, quanto à natureza e quanto à origem. Quanto à ocorrência, a radioatividade pode ser classificada em natural ou artificial. Os elementos radioativos naturais podem ser radionuclídeos primordiais ou radionuclídeos cosmogênicos. Os elementos radioativos artificiais são decorrentes da atividade humana em reatores, ou seja, são gerados a partir de reações nucleares entre átomos, o que é muito comum atualmente, principalmente para a produção de elementos radioativos para uso médico. Para a produção de 18F artificialmente, por exemplo, utiliza-se água enriquecida com 18O como alvo em um acelerador de partículas. Um próton é, então, acelerado para o interior do núcleo do 18O, que se torna, portanto 18F, já que é o número de prótons que dita o elemento. O 18F apresenta tempo de meia-vida de 2 horas, e é utilizado para a produção do FDG (fluordesoxiglicose), que é o radiofármaco mais utilizado na medicina nuclear não convencional, na técnica de PET, utilizada principalmente para a identificação ou rastreamento de metástases em pacientes que passaram por quimioterapia ou cirurgia para a retirada de tumor, avaliando a eficácia do tratamento e a recidiva da doença. A utilização do FDG nessa técnica leva em consideração que célula tumoral apresenta metabolismo muito acelerado em comparação a uma célula normal, e a fonte de energia preferencialmente utilizada pelas células é a glicose. O equipamento de PET é acoplado a um tomógrafo, que permite uma melhor visualização a respeito do local onde o FDG está sendo captado em maior quantidade. A medicina nuclear convencional é baseada na utilização de Tc.
Os radionuclídeos primordiais se originaram do Big Bang. Diferentemente do 18F, que apresenta tempo de meia-vida muito curto, os radionuclídeos primordiais apresentam tempo de meia-vida de milhões de anos. Exemplos são o urânio e o tório. O 238U apresenta tempo de meia-vida de 4,5 bilhões de anos, o 235U apresenta tempo de meia-vida de 713 milhões de anos, e o 232Th apresenta tempo de meia-vida de 13,9 bilhões de anos. Todos esses elementos, ao final de sua desintegração, formam Pb, que é um dos elementos mais estáveis. Os radionuclídeos cosmogênicos são gerados diariamente, a partir da interação de raios solares e raios cósmicos com as camadas da atmosfera. A forma como são produzidos é muito semelhante ao que é feito pela atividade humana, para a produção dos elementos radioativos artificiais. Esses radionuclídes estão, portanto, constantemente em contato com os seres humanos, de alguma forma, porém, estão presentes em níveis seguros, sem provocar danos aos mesmos. Os raios cósmicos que interagem com as altas camadas da atmosfera, formando os radionuclídeos cosmogênicos podem ser prótons (86%), partículas α (12%) ou núcleos mais pesados (2%). Alguns exemplos de radionuclídeos cosmogênicos são: 3H; 7Be; 14C, e 22Na.
Quanto ao poder de ionização, a radiação pode ser classificada em ionizante ou não ionizante. A radiação ionizante tem a capacidade de remover elétrons, formando íons. Muitas vezes, a radiação ionizante é capaz de quebrar ligações, produzindo radicais livres, que são altamente reativos, podendo provocar dano celular, como morte da célula ou alguma mutação que não provoca a morte, mas pode induzir o câncer. A radiação ionizante é importante na radioterapia, por exemplo, onde se deseja que ocorra morte das células tumorais. Porém, deve-se ter um cuidado com a radioterapia, direcionando-a ao tecido-alvo adequadamente, para que não ocorra irradiação de um tecido sadio, que pode estar presente ao redor do tecido-alvo, por exemplo, podendo provocar danos no mesmo, sem necessidade. O nível de radiação utilizado em diagnóstico deve ser muito menor que o utilizado em radioterapia. A radioterapia não deve ser realizada por via endovenosa, pois a radiação, nesse caso, será capaz de se distribuir para diversos tecidos, ao passo que para o diagnóstico, isso é desejável e, por isso, a radiação utilizada para diagnóstico deve provocar o mínimo de dano possível, para que não provoque danos no paciente. Para tratamento, normalmente é realizado o implante local, como a braquiterapia, que é uma técnica muito utilizada para o tratamento de câncer de próstata. Essa técnica consiste na aplicação, guiada por sonda, de sementes radioativas no tumor, devendo-se ter cuidado para que a semente radioativa não se dissolva ou se degrade. Em contrapartida, a radiação não ionizante não apresenta energia suficiente para remover elétrons, mas é capaz de transferir calor, produzindo aquecimento, como, por exemplo, as micro-ondas.
Quanto à natureza, a radiação pode ser classificada em onda eletromagnética (ou radiação eletromagnética), como, por exemplo, o raio-X, ou partícula, como, por exemplo, o pósitron. Com relação à onda ou radiação eletromagnética, tem-se o espectro eletromagnético, que apresenta a radiação desde as ondas de rádio, televisão, celular, micro-ondas, infravermelho, luz visível, UV, até os raios-X e raios-gama. A radiação eletromagnética pode ser classificada em radiação ionizante ou não ionizante, existindo uma faixa do espectro eletromagnético representada por radiações ionizantes, e outra faixa representada por radiações não ionizantes. A faixa de radiações ionizantes compreende parte do UV, raios-X e raios-gama.
Na tabela ao lado estão representados os primeiros potenciais de ionização de alguns elementos químicos, ou seja, a energia de ligação do elétron presente na camada de valência do átomo desses elementos. Observa-se que os potenciais de ionização do C, H, O e N, que são os principais elementos presentes no organismo humano, estão em uma faixa de 11 – 15 eV. Ondas eletromagnéticas que apresentam energia acima de 20 eV são consideradas ionizantes, sendocapazes de ionizar esses elementos principais que constituem o organismo humano.
A energia do fóton de uma onda de rádio, por exemplo, é menor que 4,1 x 10-6 eV, sendo, portanto, uma radiação eletromagnética não ionizante. Em comparação, os raios ultravioletas apresentam energia que pode variar de 3,1 a 123,2 eV. Assim, uma parte dos raios UV é não ionizante (raios UV cuja energia é menor que 20 eV), e outra parte é ionizante. Isso explica a utilização de lâmpadas UV em capelas, com o objetivo de tornar o ambiente estéril, provocando a morte de microorganismos por ser capaz de provocar a ionização de elementos importantes, como C, H, O e N, que constituem esses organismos. Raios X e raios γ apresentam energia superior a 123,2 eV, apresentando capacidade de ionização ainda maior que os raios UV ionizantes. Por esse motivo, esses dois tipos de radiação são utilizados na medicina, já que a capacidade de ionização é essencial para a detecção, já que o detector do equipamento apresenta um elemento que deve ser ionizado para a obtenção do sinal e, portanto, se a radiação não for capaz de ionizá-lo, o sinal não será gerado. A radiação mais utilizada em medicina nuclear é a radiação γ, que é emitida pelo tecnécio (Tc), apresentando energia de 180 KeV. A quantidade de Tc aplicada no paciente deve ser o suficiente para que o equipamento seja capaz de detectar a radiação, e, ao mesmo tempo, seja o menos lesivo possível. Por esse motivo, o Tc é o mais utilizado, já que sua energia, levando-se em consideração outros isótopos radioativos, que, algumas vezes, apresentam energia da ordem de milhões de eV, é baixa, não tendo-se registros de lesões geradas pelo Tc. Esses isótopos radioativos de energia mais alta são utilizados, normalmente, na radioterapia, e não no diagnóstico como o Tc.
Como partícula, a radiação pode ser α ou β, principalmente. A partícula α é maior e é composta por 2 prótons e 2 nêutrons, semelhante ao átomo de He, se diferenciando pelo fato de a partícula α não apresentar elétrons. Muitas vezes, a partícula α é representada por He, uma vez que, ao ser emitida no meio, perde energia cinética pelo caminho, até que esta torna-se nula e, então, a partícula α captura um elétron disperso no meio, transformando-se em um átomo de He. A partícula β é menor, e pode ser –β ou +β, sendo que ambos são elétrons, porém, +β é um elétron com carga positiva, ou seja, um pósitron. A partícula –β também pode ser chama megatron. Tanto –β quanto +β são ionizantes.
Quanto à origem, a radiação pode ser originada do núcleo ou da eletrosfera. Como radiações originadas do núcleo, tem-se: raios γ, partícula α e partícula β. Como radiação originada da eletrosfera, têm-se os raios X, que está presente em boa parte dos processos radioativos. Supondo-se um átomo com suas camadas eletrônicas, ao emitir uma radiação proveniente do núcleo, podendo esta ser radiação γ, partículas α ou partícula β, essa radiação se choca com um elétron presente numa camada eletrônica mais interna, que é, então, liberado do átomo, formando uma lacuna na camada eletrônica onde estava presente. Essa lacuna é preenchida por algum elétron presente em camadas eletrônicas mais externas. A energia das camadas eletrônicas mais externas é maior que a das camadas mais internas, logo, há uma diferença de energia entre as duas camadas onde ocorre a transferência de elétron. Essa diferença de energia entre uma camada e outra é emitida na forma de onda eletromagnética, como os raios X. Nesse caso, trata-se de raio X característico, já que é característico da transição de elétrons entre uma determinada camada e outra. Difere do raio X utilizado em testes diagnósticos, que trata-se de um elétron emitido com alta energia e velocidade em direção a um núcleo pesado. Ao se chocar com o núcleo, que apresenta carga positiva, o elétron desvia e parte da energia cinética desse elétron é perdida, sendo emitida no aparelho para a obtenção do resultado do exame.
Radioatividade α:
A radioatividade α é uma partícula mais pesada e se assemelha ao átomo de He, diferindo apenas pela inexistência de elétrons. A massa da partícula α apresenta massa de 4,002603 u e carga positiva de 2 X (1,602177 X 10-19), ou seja, de 3, 204354 X 10-19, relativa aos 2 prótons que apresenta. A radioatividade α é mais comum em elementos que apresentam núcleos pesados, ou seja, elementos que apresentam número de massa elevado, acima de 150.
No gráfico ao lado estão representados, em preto, os elementos estáveis. Em branco, estão representados elementos instáveis, e, em amarelo, os radionuclídeos emissores de partículas α. Observa-se, portanto, que a maior parte dos elementos emissores de partículas α está na parte mais superior do gráfico, indicando elementos instáveis que apresentam elevado número de massa. Além disso, é possível observar, a partir do gráfico, que a radiação α não é uma emissão muito comum, sendo poucos os elementos emissores de partículas α.
A emissão da radiação α pode ser representada, de forma esquemática por:
Onde representa o radionuclídeo pai; representa o radionuclídeo filho, e representa a partícula α que é emitida. O radionuclídeo pai é o elemento radioativo inicial, que apresenta número de massa = A e número de prótons = Z. Após emitir a radiação α, que apresenta número de massa = 4 e número de prótons = 2, ou seja, 2 prótons e 2 nêutrons, o radionuclídeo pai origina um radionuclídeo filho, que apresenta número de massa = A – 4 e número de prótons = Z - 2. Assim, a soma do número de massa do radionuclídeo filho e da partícula α emitida deve ser igual ao número de massa do radionuclídeo pai, e o mesmo se espera com relação ao número de prótons.
Exemplos:
Outra forma de representação é a partir do diagrama de energia, semelhante ao mostrado ao lado para o . Inicialmente, o apresenta uma energia de 4,269, ou seja, o apresenta um excesso de energia = 4,269 em seu núcleo, que deve ser emitido, para atingir a estabilidade. O , então, emite uma radiação α, originando o . Essa radiação pode ser emitida de duas formas: α1 e α2. A energia do elemento decai apenas uma única vez, porém, em uma população de átomos do elemento radioativo, uma determinada porcentagem como decair de uma forma e outra porcentagem decair de outra forma. Supondo-se uma população de 100 átomos de , de acordo com o diagrama, 76,8% desses átomos, aproximadamente 77 deles, emite uma radiação α mais energética, originando diretamente o , ou seja, emite a radiação necessária para a formação do . Os outros 23% emitem uma radiação α menos energética, originando o, porém em um estado de energia um pouco maior. O excesso de energia restante é emitido na forma de raio γ, dando origem ao . A emissão de raios γ não ocorre como processo primário, mas sempre secundário a uma radiação. Observando-se o gráfico, percebe-se que a seta que indica a emissão de radiação está inclinada para o lado esquerdo. Por convenção, foi colocado que seta inclinada para o lado esquerdo indica que o número de prótons do isótopo pai diminuiu. Se a seta aparece em linha reta, indica que não houve alteração do número de prótons. Se o número de prótons estivesse aumentado, a seta estaria inclinada para o lado direito.
A imagem ao lado representa o espectro de energia, que é outra forma de representação da emissão de radiação α. Observa-se que existem diversas possibilidades de emissão da radiação α, com diferentes energias, numa população de átomos radioativos, que ocorrem numa determinada probabilidade dentro dessa população.
Radioatividade β:
A radioatividade β é a mais comum em radionuclídeos, existindo um grande número de isótopos que emitem esse tipo de radiação. A emissão pode ocorrer pelo núcleo de um elétron, sendo denominada radioatividade β-, ou pelo núcleo de pósitron, sendo denominada radioatividade β+.
A imagem ao lado representa o espectro de energia para a radiação β, que difere da radiação α mostrada anteriormente, cujo espectro de energia é representado em barras, uma vez que as energias emitidaspara a radiação α são pontuais e não contínuas. O espectro de energia para a radiação β é contínuo porque podem existir tanto partículas β sendo emitidas com energias próximas a 0, até partículas β sendo emitidas com energia próxima ao máximo de energia que o núcleo apresenta. Essa variação de energia é a responsável pela existência do neutrino e antineutrino, que são partículas emitidas juntamente com a partícula β, para que a energia dos produtos formados seja compatível com a energia apresentada pelo radionuclídeo pai.
Nesse exemplo, o máximo de energia apresentado pelo radionuclídeo é de 1,71 MeV. Observa-se que a frequência de átomos, numa população desse radionuclídeo, que emitem radiação β apresentando esse máximo de energia, é muito pequena. Para esses átomos, a energia do neutrino ou do antineutrino será nula, já que todo o excesso de energia terá sido emitido na forma de radiação β. A maior parte dos átomos dessa população emitem radiação β com energia próxima a 0,7 MeV. Nesse caso, a energia do neutrino ou do antineutrino será dada pela diferença entre a energia do radionuclídeo pai e a energia da partícula β emitida, seguindo-se o princípio da conservação de energia.
Radioatividade β-:
Assim como a radioatividade β+ é chamada, muitas vezes, de pósitron, a radioatividade β- também pode ser chamada de megatron, que é o oposto do pósitron. A radioatividade β- é comum em núcleos que apresentam excesso de nêutrons. Como representação genérica, tem-se:
A equação indica que o nêutron em excesso se transforma em próton, emitindo uma partícula β-, que é semelhante a um elétron, possuindo a mesma carga e a mesma massa de um elétron, mas é produzida pelo núcleo do átomo, quando esse núcleo está com excesso de energia. Ocorre também a emissão de uma partícula denominada antineutrino (). A imagem ao lado ilustra, didaticamente, o que ocorre no núcleo que apresenta excesso de nêutrons.
No início do estudo das radiações β, observou-se que somando as energias do isótopo filho e da partícula β-, não era possível obter uma igualdade com relação à energia do isótopo pai, e que o isótopo pai apresentava maior energia que a soma das energias dessas duas partículas, que seriam dadas como produtos do processo. Para que fosse possível manter o princípio da conservação de energia, ou seja, que a energia dos produtos fosse igual a energia do isótopo pai, foi proposta a existência do antineutrino, como forma de compensar a quantidade de energia restante dos produtos. Atualmente, a existência do antineutrino foi comprovada experimentalmente, porém, inicialmente, sua existência era apenas conceitual.
A equação abaixo representa a emissão de radiação β-:
Onde é o radionuclídeo pai; é o radionuclídeo filho; é a partícula β emitida, e é o antineutrino. A partir dessa equação, pode-se dizer que o radionuclídeo pai, de número de massa = A e número de prótons = Z, produz um radionuclídeo filho, de mesmo número de massa (A), mas número de prótons = Z + 1 (já que o nêutron em excesso se transforma em próton), emitindo uma partícula β- e o antineutrino, que representa o restante da energia, que é liberada para a conservação de energia.
A imagem ao lado é uma representação dos isótopos radioativos emissores de radiação β-, em coloração azul. Observa-se que os radionuclídeos emissores β- são muito mais frequentes que os radionuclídeos emissores de radiação α, que é muito comum em isótopos de elevado número de massa, diferentemente dos emissores de radiação β-, que vão desde radionuclídeos que apresentam número de massa pequeno, até radionuclídeos que apresentam elevado número de massa.
Os pontos em preto mostrados na imagem representam a linha dos isótopos estáveis. Observa-se que os isótopos emissores de radiação β- estão representados abaixo da linha da estabilidade, por apresentarem excesso de nêutrons em seu núcleo. Em contrapartida, os isótopos emissores de radiação β+, por apresentarem excesso de prótons, estarão representados acima da linha da estabilidade.
A imagem ao lado representa os níveis de energia para a emissão de radiação β- para os radionuclídeos e . Observa-se que, diferentemente da representação para a radiação α, onde a seta que indica o decaimento da energia era inclinada para a esquerda, na representação para a radiação β-, essa seta é inclinada para a direita, indicando que ocorreu aumento do número de prótons, uma vez que o nêutron em excesso transformou-se em próton. No primeiro exemplo, 100% da população de , que apresenta número de prótons = 6, emitiu uma radiação β- de energia = 156,5 KeV, originando o , que apresenta número de prótons = 7, atingindo a estabilidade. A equação desse processo pode ser representada da seguinte forma:
No segundo exemplo, está representado o esquema de emissão de radiação β- característico para o isótopo , onde 31,9% da população de átomos desse isótopo emite uma radiação β- de menor energia, originando o isótopo filho , que ainda apresenta excesso de energia. O isótopo formado emite, posteriormente, radiação γ, formando um isótopo menos energético, mas ainda com excesso de energia, que também emitirá radiação γ, originando, finalmente, o isótopo estável de ; 10,5% da população emite uma radiação β- de maior energia, originando o isótopo filho , que ainda apresenta excesso de energia, que será emitida na forma de radiação γ, originando o estável; e 57,6% da população emite uma radiação β- ainda mais energética, formando o isótopo estável diretamente, sem a necessidade de emissão de radiação γ por ele. Como dito anteriormente, a emissão de radiação γ sempre está associada à emissão de alguma outra radiação, que ocorre inicialmente, não ocorrendo como emissão primária. A emissão de radiação γ é representada como uma linha em vertical, indicando que ocorre apenas alteração de energia, sem formação de um novo elemento, já que não promove alteração do número de prótons e nem do número de nêutrons. A equação do processo descrito para o pode ser representada da seguinte forma:
Logo, percebe-se que podem existir diversas possibilidades de emissão de radiação β-, dependendo do elemento, e será uma característica inerente de cada elemento. Assim, para o exemplo descrito, representando o perfil de emissão de radiação β- para o isótopo , este sempre ocorrerá dessa forma e nessa proporção, independente das condições meio onde ao qual esse elemento está exposto. A velocidade e a constância de decaimento são propriedades constantes do elemento, independente de qualquer parâmetro. Por esse motivo, muitas vezes é possível identificar o elemento apenas observando-se a energia que é emitida por ele, já que será sempre a mesma.
Radioatividade β+:
A radioatividade β+ é também chamada de pósitron. Ao contrário da radioatividade β-, a partícula β+ apresenta carga positiva, porém a mesma massa de um elétron. Ocorre comumente para núcleos que apresentam excesso de prótons. Como representação genérica da emissão de radiação β+, tem-se o oposto do que foi apresentado para β-:
O próton em excesso transforma-se em nêutron, emitindo o pósitron (partícula β+) e o neutrino que, assim como antineutrino liberado na emissão de radiação β-, representa a energia restante, seguindo-se o princípio da conservação de energia. A equação abaixo representa a emissão de radiação β+:
O isótopo pai, que apresenta número de massa = A e número de prótons = Z, origina um isótopo filho com mesmo número de massa (A), porém, número de prótons = Z – 1, uma vez que o próton em excesso transformou-se em nêutron, ocorrendo a emissão de uma partícula β+ e do neutrino (v), que representa a diferença de energia.
A imagem ao lado é uma representação dos isótopos radioativos emissores de póstirons (β+), em vermelho. Observa-se que os radionuclídeos emissores de radiação β+ estão representados acima da linha da estabilidade (representada pelos pontos em preto). Como comentado anteriormente, isso ocorre pelo fato de tais radionuclídeos apresentarem excesso de prótons em seu núcleo, logo, maiorZ.
Os radionuclídeos emissores de radiação β+ ocorrem em uma frequência semelhante à dos radionuclídeos emissores de radiação β-, logo, ocorrem desde isótopos que apresentam baixo número de massa, até isótopos que apresentam elevado número de massa, diferentemente do que ocorre para a radiação α, que é mais comum em elementos com elevado número de massa.
A imagem ao lado representa os níveis de energia para a emissão de radiação β+. Observa-se que, assim como visto para a radiação α, a seta que indica o decaimento de energia é inclinada para a esquerda, indicando que ocorreu diminuição do número de prótons, já que o próton em excesso transformou-se em nêutron.
No exemplo apresentado para o isótopo radioativo 22Na, esse isótopo, que apresenta excesso de prótons em seu núcleo, emite radiação β+, convertendo o próton em excesso em nêutron, diminuindo o número de prótons (Z), originando o 22Ne. Esse processo pode ocorrer de duas formas: já que o 22Na apresenta excesso de prótons, logo, apresenta excesso de energia, já que o excesso de prótons indica excesso de massa, e massa é energia. Esse excesso de energia é igual a 1.820 KeV, e pode ser emitido na forma de radiação β+ mais energética, de energia = 1.820 KeV (que é o excesso de energia apresentado pelo núcleo desse átomo), originando diretamente o 22Ne estável. Porém, isso ocorre raramente, em apenas 0,056% da população de 22Na. Na maior parte da população, cerca de 90%, parte do excesso de energia é emitido na forma de radiação β+ (energia = 546 KeV), formando o 22Ne ainda com excesso de energia (1.274 KeV de excesso de energia), que será emitido na forma de radiação γ, originando o 22Ne estável. No restante da população de átomos de 22Na (cerca de 10%), ocorre o processo de captura eletrônica, que é muito semelhante à emissão de pósitrons, e pode ser considerando um evento competitivo à emissão de pósitron.
A equação do processo descrito para o isótopo 22Na é representada da seguinte forma:
Observação:
As radiações α e β são partículas, diferentemente na radiação γ, que é uma onda. As partículas α e β, por possuírem as mesmas características do elétron, se diferenciando por estarem presentes no núcleo com excesso de energia de um átomo e não na eletrosfera, se comporta de forma semelhante ao mesmo. Portanto, assim como o elétron, pode se comportar tanto como onda quanto como partícula, o que recebe o nome de dualidade onda-partícula. No entanto, para fins de interação da radiação com a matéria, que é o que norteia a medicina nuclear, onde a radiação é utilizada para ação terapêutica ou diagnóstica, as radiações α e β são consideradas partículas, uma vez que se comportam como partícula no que se refere à interação com a matéria, seja ela o tecido, o organismo, ou o detector, apesar de, fisicamente, poderem atuar das duas formas.
Apesar de no exemplo dado para o 22Na, a radiação γ emitida ser mais energética que α e β, nem sempre isso ocorre. Pensando-se na interação da radiação com a matéria, essa interação ocorre, na realidade, entre a radiação e elétrons que constituem a matéria. A partícula α é maior (e, portanto, mais pesada) que a partícula β e a onda γ. Enquanto a partícula β apresenta o tamanho de um elétron, a partícula α apresenta o tamanho de um núcleo atômico. Portanto, a partícula α apresenta maior probabilidade de encontrar um elétron presente na matéria mais rapidamente, logo, interage mais com a matéria do que a partícula β e a onda γ. A partícula β, por sua vez, interage mais com a matéria do que a onda eletromagnética γ. A energia da radiação não reflete a interação da radiação com a matéria, uma vez que a radiação pode ser energética, mas não ser capaz de interagir com elétrons presentes na matéria, provocando ionização ou levando à formação de radicais livres, por exemplo. Em contrapartida, tratando-se de penetração da radiação, a onda eletromagnética γ é mais penetrante que as partículas α e β. Assim, penetração e interação são inversamente proporcionais.
Exemplos:
 
O isótopo estável do lutécio (Lu) é o , que apresenta número de massa (A) = 175 e número de prótons (Z) = 71, logo, número de nêutrons (N) = 104. O isótopo radioativo apresenta N = 96, logo, menor N que o isótopo estável do Lu. Consequentemente, esse isótopo radioativo apresenta excesso de prótons no núcleo e, portanto, emite radiação β+. Dessa forma, sabendo-se qual é o isótopo estável do elemento, é possível determinar o tipo de radiação que será emitida por um dado isótopo radioativo, e, consequentemente, qual será o isótopo filho formado.
O isótopo estável do nióbio (Nb) é o , que apresenta A = 93, Z = 41 e, portanto, N = 52. O isótopo radioativo apresenta A = 88, Z = 41 e N = 47. Logo, da mesma forma que no exemplo anterior, esse isótopo radioativo apresenta menor número de prótons no núcleo, em comparação com o isótopo estável do elemento e, portanto, apresenta excesso de prótons. Consequentemente, esse isótopo radioativo emite radiação β+.
O isótopo estável do irídio (Ir) é o , que apresenta A = 191, Z = 77 e N = 114. O isótopo radioativo apresenta A = 194, Z = 77 e, portanto, N = 117. De forma contrária aos exemplos apresentados anteriormente, esse isótopo radioativo apresenta excesso de nêutrons, quando comparado ao isótopo estável do elemento. Sendo assim, esse isótopo emite radiação β-, onde haverá conversão de um nêutron em um próton, aumentando, consequentemente, o número de prótons.
O isótopo estável do bromo (Br) é o , que apresenta A = 81, Z = 35 e N = 46. O isótopo radioativo apresenta A = 90, Z = 35 e, portanto, N = 55. Observa-se, portanto, que esse isótopo radioativo apresenta um excesso de nêutrons em relação ao isótopo estável do elemento. Sendo assim, a radiação emitida por ele será β-, ocorrendo a conversão de um nêutron em um próton, aumentando, consequentemente, o número de prótons.
Captura eletrônica (C.E. ou ε):
A captura eletrônica é um evento competitivo à emissão de radiação β+ (pósitron). A camada eletrônica s é a região mais próxima do núcleo, na qual se tem maior probabilidade de encontrar um elétron. Mesmo que pareça improvável, em alguma fração de segundo é possível que se tenha um elétron da camada s no núcleo, ou bem próximo a ele, que pode ser capturado pelo próton presente no núcleo. Esse processo recebe o nome de captura eletrônica. Ocorre, normalmente, para núcleos pesados, que apresentam excesso de prótons, pois haverá maior quantidade de cargas positivas, logo, o elétron será mais facilmente “preso”. O próton captura do elétron mais próximo do núcleo e, ao ocorrer essa captura, o neutrino é emitido, para compensar a diferença de energia entre o radionuclídeo pai e o radionuclídeo filho formado. Não há emissão de radiação β+ ou β-, mas o processo de captura eletrônica é bastante parecido.
A equação que representa a captura eletrônica é descrita abaixo:
O isótopo pai, de número de massa = A e número de prótons = Z tem um elétron capturado por um próton presente em seu núcleo. De maneira didática, ao ocorrer a captura do elétron pelo próton, como forma de “neutralizar” o excesso de prótons no núcleo, há a formação de um nêutron, logo, ocorre a conversão de um próton em um nêutron. Por isso, o processo de captura eletrônica é muito parecido com a emissão de radiação β+.
Em linhas gerais, quando o elétron presente na camada s é capturado pelo próton, esse próton é convertido em nêutron e ocorre a emissão do neutrino, como representado na equação abaixo:
Quando o elétron é capturado, ocorre a formação de uma lacuna na região da camada eletrônica onde o elétron estava inserido. Dessa forma, elétrons de camadas eletrônicas mais externas preenchem a lacuna formada, e a diferença de energia entre as camadas eletrônicas em questão é emitida na forma de raio-X característico, como mostrado na figura anterior. O raio-X é considerado uma onda, já que não apresenta massa e nem carga, diferentemente das partículas α e β, apenas energia.
A imagem ao lado representa os radionuclídeos que decaem por capturaeletrônica, em vermelho. Observa-se que o processo de captura eletrônica é muito infrequente, comparando-se com o processo de emissão de pósitrons. Muito disso, se deve ao fato de ser muito improvável que um elétron adentre o núcleo.
Como ocorre para isótopos que apresentam excesso de prótons no núcleo, esses estão representados acima da linha da estabilidade.
A captura eletrônica se difere da emissão β+, portanto, devido à frequência com que esses eventos ocorrem entre os radionuclídeos. A emissão de pósitrons tende a ser mais frequente do que a captura eletrônica. Isso se deve ao fato de que a captura eletrônica depende da pequena probabilidade de um elétron estar muito perto ou mesmo “dentro” do núcleo para que seja capturado pelo núcleo atômico. Se diferenciam também pelo fato de que na captura eletrônica há um elétron envolvido como reagente no processo, o que não ocorre na emissão de pósitrons, onde a partícula β+, que é semelhante a um elétron, se diferenciando apenas pela carga positiva que apresenta, é um produto do processo. Apesar de se diferenciarem em diversos pontos, esses processos são muito semelhantes, principalmente por ocorrerem em isótopos que apresentam excesso de prótons, e, portanto, são considerados eventos competitivos. Todo isótopo emissor de pósitron também é capaz de emitir uma parte do excesso de energia da forma de captura eletrônica, mesmo que essa ocorra em pequena proporção numa população de átomos desse isótopo. Porém, nem todo isótopo que emite seu excesso de energia através de captura eletrônica é também emissor de pósitron. Isso acontece porque, para que seja possível a emissão de pósitron, o excesso de energia apresentado pelo isótopo radioativo deve ser superior a 1.022 MeV.
A imagem ao lado representa os níveis de energia para a captura eletrônica no isótopo . Na maior parte dos átomos de uma população desse isótopo (89,7%), o excesso de energia, devido ao excesso de prótons no núcleo desse isótopo (816,6 KeV), é totalmente emitido através da captura eletrônica, formando o isótopo . Em uma pequena parte dos átomos (10,3%), ocorre a emissão parcial do excesso de energia através da captura eletrônica (384 KeV), sendo que o restante da energia (432,6 KeV) é emitido na forma de raio γ, formando o isótopo . Observa-se que o apresenta Z= 3, enquanto o apresenta Z = 4, logo, houve diminuição do número de prótons, uma vez que o próton é convertido em nêutron, ao ocorrer a captura eletrônica. A seta que indica o decaimento é inclinada para a esquerda, indicando essa diminuição do número de prótons, da mesma forma que ocorre na emissão de pósitrons.
Radioatividade γ:
A radioatividade γ é uma onda eletromagnética, não apresentando, portanto, carga ou massa. Assim como a emissão de pósitrons e a radiação β-, a radiação γ é proveniente do núcleo do átomo. Trata-se de uma radiação ionizante, e que apresenta alto poder de penetração. Não é um processo de emissão primário, como discutido anteriormente, mas ocorre secundariamente a alguma outra radiação, acompanhando, usualmente, os decaimentos α e β. A emissão de radiação γ não leva à formação de um isótopo de outro elemento, uma vez que é a emissão apenas de um restante de energia de um isótopo que apresente um estado excitado de energia. Portanto, não há alteração do número de prótons (Z), apenas do estado de energia. Existem duas nomenclaturas para a emissão de radiação γ: emissão γ e transição isomérica (IT).
Pensando-se no isótopo , parte do excesso de energia pode ser emitida na forma de emissão de pósitrons, formando o , ainda com excesso de energia, que é emitido na forma de radiação γ. Pensando-se, agora, no isótopo 99Mo, parte do excesso de energia é emitida na forma de radiação β-, formando o isótopo 99mTc, que ainda apresenta excesso de energia, que é emitido da forma de radiação γ, formando o 99Tc. Observa-se que nos dois isótopos ocorrem processos semelhantes, diferenciando-se apenas pelo fato de no ocorrer emissão de pósitrons, enquanto no 99Mo ocorrer emissão de radiação β-. A emissão de radiação γ pelo é denominada emissão γ, enquanto a emissão pelo 99Mo é denominada transição isomérica. Esses processos se diferenciam entre si apenas com relação ao tempo necessário para ocorrerem. Enquanto a emissão γ ocorre em tempo inferior a 10-12 s, a IT ocorre em tempo superior a 10-12 s. Pelo fato de a IT ocorrer em um tempo mais longo, o isótopo recebe o nome de metaestável, como representado pelo 99mTc. O 99mTc é utilizado em 80-90% dos exames em medicina nuclear, atualmente.
A representação genérica da emissão γ é dada por:
Onde * representa estado excitado.
A representação genérica da transição isomérica (IT) é dada por:
Onde m representa estado metaestável.
Observa-se que a representação genérica para os dois processos é o mesmo: um isótopo com excesso de energia emite radiação γ, originando o isótopo filho. A diferença entre eles é que na emissão γ, o isótopo pai está em um estado excitado, enquanto na IT o isótopo pai está em um estado metaestável. Não há alteração no número de massa (A) ou no número de prótons (Z) do isótopo pai em relação ao isótopo filho, logo, não há formação de um isótopo filho de outro elemento, ocorrendo apenas alteração de energia.
Conversão interna (IC):
Da mesma forma que se tem a captura eletrônica como evento competitivo à emissão de radiação β+, tem-se a conversão interna (IC) como evento competitivo à radiação γ. No processo de conversão interna, o núcleo excitado transfere sua energia, na forma de radiação γ, para um elétron orbital, ou seja, o núcleo, ao emitir uma radiação γ, esta pode encontrar um elétron presente em um orbital eletrônico. A radiação γ é ionizante, logo, ao ocorrer esse processo, o elétron pode ser emitido, recebendo o nome de elétron de conversão. O processo recebe o nome de conversão interna por ocorrer no interior do átomo e se caracterizar por ser uma conversão da radiação γ em emissão de um elétron.
Ao ocorrer a emissão do elétron, elétrons de camadas eletrônicas externas tendem a preencher a lacuna deixada por ele na camada eletrônica à qual pertencia e, assim, a diferença de energia entre as camadas eletrônicas envolvidas na transição é emitida da forma de raio-X. O raio-X emitido pode encontrar um segundo elétron do mesmo átomo, que também será emitido, chamado elétron Auger, como forma de diferenciação do elétron de conversão.
A representação genérica do processo de conversão interna é dada pela seguinte equação:
No processo de IC, não há alteração do número de prótons, logo, o produto formado é o mesmo elemento, porém ionizado, já que ocorreu a perda de um próton.
A imagem ao lado representa os níveis de energia para o processo de conversão interna que ocorre no isótopo . Uma pequena parte da população de átomos desse isótopo (5,6%) emite todo o excesso de energia presente em seu núcleo (1,1756 MeV), dando origem ao estável. A maior parte (94,4%) emite uma parcela do excesso de energia (0,514 MeV) na forma de radiação β-, formando o (bário metaestável), que ainda apresenta excesso de energia em seu núcleo (0,6617 MeV). A maior parte desse excesso de energia restante (85%) é emitida da forma de radiação γ, originando o estável. Os outros 15% são emitidos na forma de conversão interna (IC), que é um evento competitivo à emissão de radiação γ, como dito anteriormente, pois pode ocorrer como consequência da emissão de radiação γ. Essa IC ocorre em três tipos: K, L e X, que são relativos às camadas eletrônicas de origem onde o elétron emitido, sendo que a emissão do elétron da camada K apresenta maior probabilidade de ocorrer, pelo fato de a camada K ser a mais próxima do núcleo, onde a radiação γ é originada.
Exemplo importante:
No exemplo mostrado ao lado, uma pequena parte da população de átomos do isótopo radioativo (13%), que apresenta tempo de meia-vida (t1/2) = 2,8 dias (ou 66 horas), emite todo o excesso de energia na forma de radiação β-, dando origem ao diretamente, que apresenta t1/2 = 2,1 x 105 anos. A maiorparte (87%) emite uma parcela do excesso de energia na forma de radiação β-, formando o isótopo metaestável , que apresenta t1/2 = 6,01 horas. Esse isótopo metaestável ainda apresenta excesso de energia, que é emitido na forma de radiação γ (89,1%) ou conversão interna (10,9%), que é um evento que ocorre como consequência da emissão de radiação γ. No final do processo, tem-se, então, a formação do . O 99Tc é detectável, mas essa detecção não é possível com o mesmo aparelho que detecta 99mTc, já que o 99Tc é um emissor de radiação β, diferentemente do 99mTc, que emite radiação γ. Além disso, a energia da radiação emitida é diferente entre eles.
Velocidade de desintegração:
A velocidade de desintegração é a velocidade com que um átomo radioativo emite a radiação. É dependente de uma constante, denominada constante de desintegração (ou constante de decaimento, ou constante radioativa), que, como o próprio nome diz, é constante para cada elemento radioativo, independente de qualquer variação, seja de temperatura, umidade, pressão. A imagem ao lado representa o que ocorre com cada elemento radioativo, em frequências distintas para cada um deles. Uma população contendo um determinado número de átomos de um elemento radioativo e, com o passar do tempo, o número de átomos radioativos diminui, de acordo com o tempo de meia-vida (t1/2) do isótopo radioativo, que é o tempo necessário para que o número de átomos radioativos de uma amostra diminua pela metade. Consequentemente, a atividade da amostra de átomos também diminui pela metade.
O t1/2 do tecnécio (Tc) é de 6 horas, tempo suficiente para realizar a reação entre o Tc e um fármaco que se deseja marcar, incorporando o Tc na molécula do mesmo, quantificar as moléculas marcadas, purificar (se necessário) o fármaco marcado, injetar o fármaco marcado no paciente ou no animal, aguardar o tempo necessário para que o fármaco marcado com o Tc circule pelo organismo, atingindo o órgão alvo, que se deseja avaliar, e produzir a imagem, tudo isso sem que a radiação diminua a níveis mínimos, o que não seria possível caso o tempo de meia-vida fosse muito curto. Essa propriedade faz com que o Tc ainda seja muito utilizado na clínica, em medicina nuclear. Alguns isótopos, como, por exemplo, o 11C, que é um isótopo radioativo emissor de pósitron, que apresenta t1/2 = 20 minutos, o que torna seu uso muito difícil em medicina nuclear, logo, por esse motivo, não é muito utilizado em medicina nuclear, mas é bastante utilizado em pesquisa, onde se consegue ter menos variáveis de tempo, comparando-se com a clínica. Outros isótopos radioativos apresentam t1/2 muito longo, de 6 meses, por exemplo, o que também impede seu uso na medicina nuclear, uma vez que, apesar de ser um tempo suficiente para que sejam realizados todos os procedimentos, sem que ocorra diminuição da atividade radioativa desse isótopo para níveis muito baixos, o paciente ainda continuará sendo irradiado por um bom tempo após o exame, o que não é desejável.
Como dito anteriormente, a velocidade de desintegração, logo, o tempo de meia-vida de um isótopo radioativo, está diretamente relacionada à constante de desintegração (λ) desse isótopo. Uma constante de desintegração (λ) = 0,002/tempo, por exemplo, indica que, dentro de uma população de átomos do isótopo radioativo em questão, 0,002% desses átomos emitem radiação, por unidade de tempo. Se a constante de desintegração for alta, significa que o isótopo radioativo emite a radiação rapidamente, logo, o tempo de meia-vida desse isótopo é baixo. Portanto, constante de desintegração (λ) e tempo de meia-via (t1/2) são inversamente proporcionais.
Lei da desintegração radioativa:
Onde: N = número de átomos radioativos na amostra depois de transcorrido o intervalo de tempo t; N0 = número de átomos radioativos na amostra no tempo inicial (t = 0); e = base do logaritmo natural ou neperiano (~ 2,72); λ = constante de decaimento do elemento radioativo; t = tempo transcorrido. De acordo com a lei da desintegração radioativa, portanto, é possível determinar o número de átomos radioativos presentes numa amostra, depois de transcorrido um intervalo de tempo (t).
Um detector de radiação se baseia da interação da radiação emitida pela amostra de átomos do isótopo radioativo com o material presente no detector, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. Sabe-se que, a partir da constante de desintegração, que essa emissão de radiação não é total naquele instante, logo, não é possível determinar, a partir do detector de radiação, o número de átomos radioativos presente na amostra, mas sim o número de eventos radioativos no momento em que se realizou a contagem, uma vez que a emissão de radiação por uma população de átomos de um dado isótopo não ocorre simultaneamente em todos os seus núcleos. Sendo assim, na equação representada acima para a Lei da desintegração radioativa, deve-se substituir o número de átomos radioativos por atividade radioativa, já que, na prática, não é possível determinar o número de átomos radioativos. Logo, a equação é representada por:
Onde: A = atividade da amostra depois de transcorrido o intervalo de tempo t; A0 = atividade da amostra no tempo inicial (t = 0); e = base do logaritmo natural ou neperiano (~ 2,72); λ = constante de decaimento do elemento radioativo; t = tempo transcorrido. A atividade radioativa reflete o número de transformações nucleares que ocorrem em certo intervalo de tempo.
O gráfico ao lado representa o decaimento da radioatividade de um isótopo radioativo, mostrando a porcentagem do número de átomos radioativos presentes na amostra em função do tempo de meia-vida. Observa-se que a radioatividade decai de forma exponencial, uma vez que é regida pela Lei da desintegração radioativa, que é dada por uma função exponencial.
Todo elemento segue essa frequência de decaimento, mudando-se apenas o intervalo do tempo de meia-vida.
Unidades de atividade radioativa:
Basicamente, existem duas unidades de medida para a radioatividade: Ci (Curie) e Bq (Becquerel), propostas em homenagem ao casal de pesquisador Curie e ao pesquisador Becquerel, considerados como pais da radiação. Becquerel (Bq) é a quantidade de qualquer radionuclídeo capaz de produzir 1 desintegração por segundo (dps), logo,1 Bq = 1 dps. Porém, dps é uma escala muito baixa e, portanto, normalmente trabalha-se com KBq (quilobecquerel), que equivale a 103 dps; MBq (megabecquerel), que equivale a 106 dps, e GBq (gigabecquerel), que equivale a 109 dps. Curie (Ci) é a quantidade de qualquer radionuclídeo capaz de produzir 3,7 x 1010 desintegrações por segundo (dps), logo, 1 Ci = 3,7 x 1010 dps. Ao contrário do Bq, a unidade Ci equivale a uma grande quantidade de desintegrações por segundo, logo, normalmente trabalha-se com mCi (milicurie), que equivale a 10-3 Ci, logo, 3,7 x 107 dps, e µCi (microcurie), que equivale a 10-6 Ci, logo, 3,7 x 104 dps.
Os aparelhos de detecção de radiação fornecem o resultado da contagem em cpm (contagem por minuto). Da mesma forma que se tem dps (desintegração por segundo), tem-se, também, dpm (desintegração por minuto), que indica o quanto de radiação a amostra emite em um intervalo de tempo de 1 minuto. Se um aparelho é eficiente o bastante para quantificar 100% da radiação emitida, ou bem próximo a isso, em 1 minuto, pode-se correlacionar dpm com cpm como unidades equivalentes. Se 1 dpm equivale a 60 dps, logo, 1 cpm também equivale a 60 dps. Assim, 100 dps = 6.000 cpm.
Meia-vida física de um radionuclídeo:
O gráfico ao lado representa o decaimento da atividade radioativa de uma amostra em função do tempo de meia-vida.
No instante inicial (t = 0), tem-se 32 átomos radioativos presentes na amostra. Depois de transcorrido 1 tempo de meia-vida, o número de átomos radioativos decai pela metade, tendo-se, portanto, 16 átomos radioativos presentes na amostra. Transcorrido mais 1 tempo de meia-vida, o número de átomos radioativos decai novamente pela metade, encontrando-se, portanto, 8 átomos radioativos na amostra, após transcorridos 2 tempos