Física das Radiações

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Física das Radiações
Modelos Atômicos
⤷ O ÁTOMO DE DALTON
“Toda espécie de matéria é formada por átomos”
· Todo átomo é indivisível, com massa e dimensões inalteráveis (esfera maciça).
· Diferentes átomos podem combinar-se, originando diferentes espécies (moléculas).
· Átomos do mesmo elemento químico são idênticos entre si.
⤷ O ÁTOMO DE THOMSON
	Thomson evidenciou a existência de cargas elétricas negativas, as quais não foram previstas por Dalton. O modelo que ficou conhecido como “pudim de passas”, estabelecia que o átomo é constituído por um núcleo positivo no qual se acham incrustados os elétrons.
· Os elétrons estariam distribuídos numa esfera de cargas positivas.
· A quantidade de cargas negativas seria igual ao das cargas positivas, portanto, o átomo seria eletricamente neutro.
· Um átomo poderia perder ou ganhar elétrons, transformando-se em íon.
⤷ O ÁTOMO DE RUTHERFORD
	Concluiu que o átomo é constituído de um núcleo minúsculo, onde se concentra quase toda a massa do átomo, carregado positivamente e rodeado pelos elétrons, que giram ao seu redor.
· O átomo era constituído por um núcleo, de aproximadamente 10 – 12 cm e ao redor a eletrosfera, de raio de aproximadamente 10 – 8 cm.
· O núcleo do átomo conteria quase a totalidade da massa do átomo com carga positiva.
· Os elétrons girariam em órbitas ao redor do núcleo.
⤷ O ÁTOMO DE BOHR
	Os elétrons só podem girar em órbitas permitidas e que, normalmente permanecem na órbita de menor raio possível, chamado de estado fundamental, ou seja, um sistema atômico possui um número de órbitas nas quais os elétrons não emitem radiação, também chamados de estados estacionários do sistema.
· Os elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas circulares bem definidas, não emitindo radiação.
· Um átomo possui um número limitado de órbitas, cada uma delas caracterizada por determinada energia.
· Quando um elétron permanece em movimento numa órbita, não emite nem absorve energia.
· Quando o elétron absorve energia, “salta” para uma órbita mais externa (afastada do núcleo).
· Quanto o elétron emite energia, “salta” para uma órbita mais interna (próxima do núcleo).
Atualmente sabe-se que os prótons e nêutrons são compostos por partículas menores, denominadas quarks. Até o presente momento, estes são considerados indivisíveis e, portanto, designados partículas elementares, tal como os elétrons.
· Prótons → partículas com carga elétrica positiva (q = + 1,69 x 10 – 19 coulombs).
· Nêutrons → configuração elétrica neutra.
· Elétrons → partículas com carga elétrica negativa (q = - 1,69 x 10 – 19 coulombs).
EXERCÍCIOS
1. Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr propôs um novo modelo atômico, fundamentado na teoria dos quanta de Max Planck, estabelecendo alguns postulados, entre os quais é correto citar o seguinte:
a) Os elétrons estão distribuídos em orbitais.
b) Quando os elétrons efetuam um salto quântico do nível 1 para o nível 3, liberam energia sob forma de luz.
c) Aos elétrons dentro do átomo são permitidas somente determinadas energias que constituem os níveis de energia do átomo.
d) O átomo é uma partícula maciça e indivisível.
e) O átomo é uma esfera positiva com partículas negativas incrustadas em sua superfície.
2. Dentre as alternativas abaixo, indicar a que contém a afirmação correta:
a) Dois átomos que possuem o mesmo número de nêutrons pertencem ao mesmo elemento químico.
b) Dois átomos com o mesmo número de elétrons em suas camadas de valência pertencem ao mesmo elemento químico.
c) Dois átomos que possuem o mesmo número de prótons pertencem ao mesmo elemento químico.
d) Dois átomos com iguais números de massa são isótopos.
e) Dois átomos com iguais números de massa são isótonos.
3. A experiência do espalhamento das partículas alfa (Rutherford) evidenciou a existência do:
a) Dêutron (partícula formada por 1 próton e 1 nêutron).
b) Núcleo.
c) Próton.
d) Nêutron.
e) Elétron.
4. O desenvolvimento científico e tecnológico possibilitou a identificação de átomos dos elementos químicos naturais e também possibilitou a síntese de átomos de elementos químicos não encontrados na superfície da Terra. Indique, entre as alternativas abaixo, aquela que identifica o átomo de um determinado elemento químico e o deferência de todos os outros.
a) Massa atômica.
b) Número de elétrons.
c) Número atômico.
d) Número de nêutrons
Radiações Ionizantes e Não Ionizantes
	Radiação é a energia transportada de um local para outro. Alguns exemplos de radiação são vibrações mecânicas (ondas sonoras), ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível, radiação ultravioleta, raios X, raios gama, etc) e ainda a radiação corpuscular (partícula alfa, partícula beta, etc).
	De acordo com a natureza, as radiações são classificadas em corpusculares (partículas) e ondulatórias (ondas eletromagnéticas).
	As partículas podem ser emitidas de forma espontânea de núcleos atômicos instáveis (possuem excesso de energia). De acordo com as características de cada átomo instável/radioativo, é possível observar a emissão de partículas alfa, beta negativa e beta positiva.
	Nas ondas eletromagnéticas, que são formadas pela interação de campo elétrico e campo magnético, identificam-se diferentes denominações. Tais denominações vão depender de características importantes das ondas, como frequência, comprimento de onda e energia. 
Uma característica comum à todas as ondas eletromagnéticas é a velocidade com a qual se propagam no vácuo (ausência de matéria), chamada velocidade da luz, cujo valor é de 3 x 108 m/s.
· Comprimento da Onda (λ)
É a distância entre dois pontos consecutivos comuns, isto é, duas cristas ou dois vales. Pode-se ainda considerar que o comprimento da onda é o tamanho de uma oscilação completa (região de crista seguida de região de vale). A unidade de comprimento de onda do Sistema Internacional de unidades é o metro (m).
· Frequência da Onda (ʄ)
	É determinada pela quantidade de vezes que ela executa uma oscilação completa. A frequência está indiretamente relacionada com o tempo de oscilação, quanto maior o tempo para dar um ciclo completo, menos oscilações ela executa por segundo. A unidade de frequência no SI é o Hertz (Hz).
	Esses dois componentes são responsáveis por diferencias as ondas eletromagnéticas umas das outras. Cada onda eletromagnética possui um comprimento de onda e uma frequência característica.
	Toda interação de um tipo de radiação com a matéria ocorre por meio de transferência de energia. Assim, quando a energia transferida é capaz de arrancar um elétron de um átomo, chamamos a radiação de ionizante. Caso esse fenômeno não ocorra, ou seja, o elétron, mesmo recebendo energia consiga permanecer no átomo, a radiação é então chamada de não ionizante.
	A radiação ionizante possui alta frequência e pequeno comprimento de onda. As radiações que possuem tal característica são as radiações a partir da ultravioleta, colocando na escala crescente de frequência. Os raios X e gama possuem energia bastante alta e, por isso, são considerados radiações ionizantes, já a radiação luminosa, luz visível, não possui energia para provocar ionização e por isso é considerada radiação não ionizante.
EXERCÍCIOS
1. A principal diferença entre os raios X e a luz é:
a) A radiação X tem maior energia e maior frequência que a da luz.
b) A radiação X tem maior energia e menor frequência q a da luz.
c) A radiação X tem menor energia e maior frequência que a da luz.
d) A radiação X tem menor energia e menor frequência que a da luz.
e) A radiação X tem igual frequência que a da luz, porém com maior energia.
2. Assinale a alternativa correta. Toda radiação eletromagnética tem a(o) mesma(o):
a) Energia
b) Frequência
c) Intensidade
d) Comprimento de onda
e) Velocidade
3. Analise as afirmações a seguir:
I. Radiação ionizante é aquela capaz de arrancar um elétron de átomo. Nesse processo chamado ionização forma-se o par íon negativo e íon positivo. O primeiro é o elétron ejetado e o íon positivo é o átomo que perdeu um elétron.
II. Os elétrons estão ligados a átomos por forças
elétricas de diferentes valores, dependendo da sua localização. Quanto mais próximo do núcleo, maior é a força de atração entre o elétron e o núcleo, positivamente carregado.
III. De todo o espectro das ondas eletromagnéticas, somente os raios X e gama são radiação ionizante, isto é, têm energia suficiente para ionizar átomos.
IV. A radiação ultravioleta para fins de fotobiologia é considerada não ionizante por não ter energia para arrancar elétron de principais átomos que constituem o corpo humano como hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio, além de penetrar muito pouco no corpo humano.
V. Em radiobiologia, considera-se como sendo ionizante radiação com energia maior do que 10 eV.
Está correto o que se afirma em:
a) I, II, III e V
b) I e II apenas. 
c) II, III e IV
d) I, II, III, IV e V
e) IV e V apenas.
Produção de Raios X
⤷ A AMPOLA DE RAIOS X
	A ampola de raios X convencional consiste em dois componentes fundamentais chamados ânodo e cátodo. Esses componentes estão dentro da ampola de vidro de onde todo o ar foi retirado, ou seja, há um vácuo. O vácuo no interior da ampola permite que os elétrons, que serão responsáveis pela produção dos raios X, não percam sua energia no caminho entre o ÂNODO e o CÁTODO
· CÁTODO.
É o polo negativo da ampola, dividido em duas regiões basicamente: o filamento e o focalizador (capa focalizadora).
O filamento possui uma forma espiral, composto principalmente de tungstênio, mede cerca de 2mm de diâmetro e 1 ou 2 cm de comprimento.
Quando a corrente elétrica através do filamento é suficientemente elevada aquece e faz com que os elétrons das camadas mais externas dos átomos sejam “agitados” e ejetados do filamento. Esse fenômeno é conhecido como emissão termoiônica.
O tungstênio possui a mais elevada capacidade de emissão termoiônica, se comparado com outros metais. Além disso, o seu ponto de fusão é de 3410°C.
Na composição do filamento ainda podemos citar a adição de 1-2% de tório, fato que melhora a eficiência da emissão de elétrons e prolonga a vida do tubo.
O filamento está inserido em uma região denominada capa focalizadora. Como todos os elétrons acelerados do cátodo para o ânodo são eletricamente negativos, o feixe de elétrons tende a se espalhar devido à repulsão eletrostática (cargas iguais tendem a se repelirem). Dessa forma, o focalizador é carregado negativamente com a finalidade de “confinar” eletrostaticamente o feixe de elétrons em uma pequena área do ânodo.
A maioria dos tubos de raios X tem dois filamentos montados lado a lado no suporte do cátodo, gerando tamanhos de pontos focais grandes e pequenos. O ponto focal pequeno é usado quando é necessária melhor resolução espacial. O ponto focal grande é usado para obtenção de imagens de partes maiores do corpo, especialmente quando não se deseja visualizar muitos detalhes.
A seleção do ponto focal geralmente é feita com o seletor de corrente elétrica no painel de controle. De uma forma geral, qualquer filamento pode ser utilizado com baixa corrente (até cerca de 300 mA); para correntes mais elevadas (acima de 400 mA), apenas o ponto focal maior é permitido devido ao calor gerado.
· ÂNODO
É o lado positivo do tubo de raios X. Existem dois tipos de ânodos: fixo e giratório. Os tubos fixos são utilizados em equipamentos odontológicos e alguns equipamentos portáteis, em que não são necessárias correntes altas e elevadas energias. O ânodo giratório permite ao feixe de elétrons interagir com uma área muito maior, fato que otimiza a distribuição e dissipação de calor, aumentando a vida útil do tubo.
O ânodo é o componente que contém o alvo, região que será atingida pelos elétrons provenientes do cátodo. O alvo é feito de uma liga de tungstênio nos equipamentos convencionais.
O tungstênio é o material escolhido para constituir o alvo de equipamentos convencionais por 3 razões principais:
· Número atômico grande (Z=74) resulta na produção de raios X de alta eficiência e de alta energia;
· Possui alta condutividade termina, portanto, é um metal eficiente para a dissipação de calor produzido;
· Apresenta alto ponto de fusão podendo suportar altas temperaturas sem deformar.
		
⤷ A PRODUÇÃO DE RAIOS X
	As interações do feixe de elétrons projetados pelo cátodo e que são acelerados até o alvo no ânodo produzem dois tipos de raios X: CARACTERÍSTICO e de FREAMENTO.
· RADIAÇÃO DE FREAMENTO
Uma pequena fração dos elétrons incidentes no alvo aproxima-se dos núcleos dos átomos que constituem o alvo (principalmente o tungstênio). Esses elétrons podem perder, de uma só vez, uma fração considerável de energia, emitindo um fóton de raio X. Em outras palavras, um fóton de raios X é criado quando um elétron sofre uma desaceleração devido à atração causada por 
interações eletrostáticas com as cargas presentes no núcleo do átomo. A radiação gerada desse modo é conhecida como radiação de fretamento ou Bramsstrahlung e podem ter qualquer energia. O valor da energia vai depender de quanto o elétron passou próximo ao núcleo da própria energia cinética do elétron, ou seja, de quanto o elétron foi acelerado ao sair do cátodo.
	A energia máxima do fóton de raios X produzida não depende do material de que é feito o alvo, mas sim, da diferença de potencial que foi aplicada ao tubo (vai de um valor máximo, relacionado à tensão aplicada, até zero).
	Os raios X produzidos pelo processo de freamento representam a maioria dos raios X produzidos na ampola.
· RAIOS X CARACTERÍSTICOS
Ocorre quando um elétron incidente no alvo remove um elétron da camada K, criando assim uma lacuna em seu lugar, que é imediatamente preenchida pela transição de um elétron da camada mais externa, por exemplo, da camada L. A camada L, nesse caso, receberá um elétron proveniente da camada M e assim por diante até que o espaço vazio esteja na última camada do átomo. Para arrancar um elétron da camada K de um átomo, o elétron incidente deve ter, no mínimo, a energia de ligação do elétron dessa camada.
Na transição de um elétron da camada L para a camada K, por exemplo, o excesso de energia é liberado sob a forma de um fóton, cuja energia corresponde à diferença entre a energia da camada L e da camada K, ou seja: Efóton = EL – EK.
Diferente dos fótons de fretamento. Os raios X característicos mostram uma assinatura do material, ou seja, o valor da energia do fóton produzido depende diretamente do material alvo.
Assim, alvos de tungstênio apresentarão fótons de raios X característicos com energias diferentes daqueles produzidos em um alvo de molibdênio, material utilizado na mamografia, por exemplo.
Para a formação da imagem radiográfica são considerados raios X úteis, aqueles que apresentam energia suficiente para atravessar o paciente e sensibilizar o detector de imagem. Dessa forma, considerando o método convencional, são considerados raios X úteis aqueles produzidos nas transições da camada L para a camada K, ou da camada M para a camada K. Nas demais transições, os fótons produzidos apresentam energias baixas e não contribuem para a formação da imagem.
	Os processos fundamentais envolvidos na produção de raios X podem ser representados em um gráfico denominado espectro de raios X. Quando usamos a palavra espectro, estamos nos referindo a um gráfico de quantidade de fótons emitidos em função da energia do fóton, ou frequência, ou do comprimento de onda da onda eletromagnética.
	Em relação ao processo de freamento, a representação gráfica é denominada contínua, pois, é possível produzir fótons com diferentes valores de energia. Já em relação aos raios X característicos, os fótons são produzidos com energias específicas que dependem do material e das camadas envolvidas nas transições eletrônicas, a representação no gráfico é denominada discreta.
EXERCÍCIOS
1. Num tubo de raios X predomina a emissão de radiação do tipo:
a) Característica
b) Raios Gama
c) Raios Alfa
d) Particulada
e) Freamento
2. A função do filamento na ampola de raios X é emitir:
a) Raios Gama
b) Raios X
c) Fótons
d) Prótons
e) Elétrons
3. Desde a
sua descoberta, em 1895, o uso dos raios X tem se intensificado, e o avanço tecnológico vem propiciando profundas alterações nas técnicas de produção e de interpretação das imagens médicas, visando principalmente à melhoria da qualidade dos diagnósticos radiológicos. O profissional das técnicas radiológicas deve acompanhar essa evolução, desde as imagens analógicas em filmes até as imagens digitais. Com base nos conceitos de produção dos raios X e nos princípios de funcionamento dos equipamentos radiológicos, avalie as afirmações a seguir:
I. O cátodo, que corresponde ao polo negativo, é composto de duas partes: o filamento e a capa focalizadora; nele são produzidos feixes de elétrons, liberados e acelerados por uma diferença de potencial até atingirem uma pequena área no alvo, onde são produzidos os raios X.
II. O ânodo, que corresponde ao polo positivo da ampola, é sempre no formato giratório e a sua composição é predominantemente de tungstênio, material com baixo ponto de fusão, fato extremamente importante devido a quantidade de calor produzido no processo.
III. Quanto à eficiência da produção dos raios X, pode-se dizer que aproximadamente 99% da energia é transformada em calor e 1% se transforma em raios X.
IV. Na produção de raios X o vácuo é necessário para que os elétrons possam circular livremente entre o cátodo e o ânodo.
Está correto o que se afirma em:
a) I, II e III
b) II, III e IV
c) III e IV apenas
d) I e III apenas
e) I, III e IV
Interação da Radiação com a Matéria
	A radiação ionizante, ioniza o átomo ao arrancar um elétron dele. Na faixa de energia que inclui os raios X e gama, há várias interações possíveis com o átomo, como por exemplo, interações com elétrons atômicos, com o núcleo, ou ainda a possibilidade de não-interação, ou seja, a radiação eletromagnética pode atravessar distâncias consideráveis em um meio material sem modifica-lo e sem se modificar. As probabilidades de interação e não interação dependem de características do meio e da radiação. De uma forma simplificada, podemos dizer que basicamente 3 processos podem ocorrer: completa absorção da radiação, transmissão da radiação e espalhamento.
	Para tais processos, são identificadas algumas interações que ocorrem na matéria com fótons de energias na faixa de poucos keV até dezenas de MeV. São elas: espalhamento coerente (efeito Rayleigh); efeito foto elétrico; efeito Compton (espelhamento inelástico); produção de pares elétron-pósitron e reações fotonucleares.
Os principais efeitos na área de radiodiagnóstico são o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton.
	Demais interações:
· Espalhamento coerente: corresponde à absorção e re-emissão da radiação pelo átomo, em uma direção diferente da de incidência. O fóton não perde energia nesse processo, apresentando apenas uma variação na direção incidente. É mais comum para fótons de baixa energia (abaixo de 10 keV).
· Produção de pares: ao interagir com o átomo, o fóton é absorvido e toda a sua energia é convertida em massa de repouso e energia cinética de um par partícula/antipartícula denominado elétron/pósitron. Cada partícula apresenta energia de 0,511 MeV. Assim, para que o fóton produza duas partículas com energia de 0,511 MeV, é necessário possuir energia maior que 1,022 MeV. Esse efeito pode ser observado na Medicina Nuclear e na Radioterapia.
· Reações fotonucleares: a principal reação nuclear provocada por fótons é a fotodesintegração. Nessa interação o fóton com energia maior que a energia de ligação das partículas nucleares é absorvido pelo núcleo que libera um próton ou um nêutron com energia cinética suficiente para abandonar o núcleo do átomo. Normalmente ocorre para radiações com energias superiores a 10 MeV.
Esses efeitos descritos são aplicados somente para radiações cuja natureza é eletromagnética.
⤷ EFEITO FOTOELÉTRICO
	Quando um fóton incide na matéria e interage com os elétrons da camada mais interna, a energia do fóton é transferida totalmente para esse elétron, que é arrancado do átomo. Nesse caso, o fóton deixa de existir, sendo completamente absorvido.
	A probabilidade de ocorrência desse efeito é inversamente proporcional à energia ao cubo, 1/E3, isto é, esse efeito ocorre com mais frequência para energias baixas e varia diretamente com o número atômico do material absorvedor elevado ao cubo, Z3. Esse efeito tem bastante importância no radiodiagnóstico, em que o meio absorvedor é o tecido, no qual a energia do feixe dos raios X tem baixo valor, entre 10 keV e 40 keV. Pode-se observar que esse efeito tem grande influência no contraste da imagem.
⤷ EFEITO COMPTON
	Quando um fóton incide na matéria, e interage com os elétrons das camadas mais externas, o fóton transfere parte da sua energia ao elétron, que é arrancado do átomo, e propaga-se com o restante da energia em outra direção. Esse efeito também é conhecido como espelhamento ou efeito Compton.
	A probabilidade desse efeito também varia com a energia.