Física das radiações

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Física das radiações
 
Conceitos fundamentais 
● Estrutura atômica 
○ Núcleo: 
■ Prótons 
■ Nêutrons 
○ Eletrosfera: 
■ Elétrons 
○ Átomo neutro (equilíbrio): 
■ Prótons = elétrons 
● Ionização 
○ Processo de formação de um par de íons 
■ Quando a radiação cede energia suficiente 
para e remover qualquer elétron do orbital 
■ Elétrons presos ao núcleo pela energia de 
ligação 
○ Quando alguém cede energia ao elétron e ela 
é maior que a energia de ligação → remoção 
do elétron do átomo 
■ Elétron livre se torna um íon negativo 
■ Átomo neutro: 
➢ Quando passa a ter 1 elétron a menos → 
íon positivo 
 
 Natureza das radiações 
● Radiação 
○ Forma de transporte de energia através de 
qualquer meio 
○ Dependendo da forma de como a radiação é 
transportada no meio → classificação 
● Classificação 
○ Radiação corpuscular: 
■ Um corpo (massa) que precisa se deslocar 
em alta velocidade 
■ Exemplos: 
➢ Prótons 
➢ Nêutrons 
➢ Partículas alfa 
 
 
 
✓ Núcleo do átomo do hélio 
✓ Desintegração nuclear 
➢ Partículas beta 
✓ Átomo instável (número de prótons e 
nêutrons em desequilíbrio) 
↳ Desbalanceamento numérico 
✓ Desintegração nuclear: 
↳ Átomo instável busca se tornar estável 
→ manda partículas para fora do 
núcleo 
↳ Ocorre com partículas alfa e beta 
✓ Radioisótopos: 
↳ Isótopos que emitem radiação para se 
tornarem mais equilibrados 
energeticamente 
➢ Raios catódicos 
✓ Elétrons em movimento 
 
○ Radiação eletromagnética 
■ Não há um corpo 
participando 
■ Campo elétrico e campo 
magnético que se deslocam 
perpendicularmente entre si 
na forma de ondas 
■ Espectro eletromagnético: 
➢ Ondas de rádio 
➢ Microondas 
➢ Radiação infravermelha 
➢ Luz visível 
➢ Radiação UV 
➢ Raios X 
➢ Raios gama 
✓ Um tipo de radiação eletromagnética, 
mas são raios que são expelidos do 
núcleo de radioisótopos na desintegração 
nuclear (expelir energia para se 
estabilizar) 
↳ Radioisótopos emitem radiação 
corpuscular e eletromagnética 
■ Ondas eletromagnéticas: 
➢ Comprimento de onda e frequência 
específicas 
➢ Comprimento de onda: 
✓ Distância de um ponto de uma onda até 
o mesmo ponto de uma onda 
subsequente 
➢ Frequência: 
✓ Número de ondas que passam no local 
em um determinado período 
➢ Frequência e comprimento de onda são 
inversamente proporcionais 
✓ Grande comprimento de onda → 
frequência pequena 
■ Radiação não ionizante: 
➢ Ao interagirem com o meio, não 
promovem sua ionização 
➢ Raios X, gama e UV → curto 
comprimento de onda e grande frequência 
■ Radiação ionizante: 
➢ Podem promover a ionização do meio (há 
vantagens e desvantagens) 
● Transferência Linear de Energia (TLE) 
○ Quantidade de energia que a radiação 
transfere aos átomos do meio ao longo de 
sua trajetória de propagação) 
○ Radiações corpusculares: 
■ Quanto maior a massa, carga e velocidade 
→ maior a possibilidade de transferir energia 
■ Sempre transferem mais energia que a 
radiação eletromagnética 
○ Natureza dual 
■ Radiações eletromagnéticas: 
➢ Comportamento dual: 
✓ Onda ou partícula 
■ Teoria Quântica de Planck: 
 
 
 
➢ Cada fóton possui uma quantidade 
específica de energia (Quantum de 
energia) 
✓ Fóton → “pacotinho de energia” 
✓ Quantum → quantidade específica de 
energia 
➢ Transferência de energia: 
✓ Quanto menor o comprimento de onda: 
↳ Maior é a sua energia (e vice-versa) 
↳ Maior é o poder de penetração 
↳ Maior a possibilidade de ela transferir 
energia ao meio, ionizando seus 
átomos 
➢ Teoria ondulatória: 
 
✓ Viajam no vácuo, à velocidade da luz 
(300.000 km/s) 
 
 Histórico dos raios X 
● Roentgen (1985) 
○ Descobriu os raios X 
○ Pesquisa com raios catódicos: 
■ 
■ Fluxo de elétrons do catodo para o anodo 
■ Toda vez que Roentgen ativava a bobina 
para gerar tensão a folha fluorescia (emitia 
luz) 
○ Outros experimentos: 
■ Quando ele ativava a bobina, ele 
conseguia produzir a “sombra” de 
alguns materiais em uma chapa 
➢ Imagem da mão de sua esposa 
 
● Otto Walkhoff 
○ Poucos dias após a 
descoberta dos raios X, ele 
fez a primeira radiografia 
dentária 
 
● Edmund Kells 
○ Dentista norte americano responsável pela 
comercialização do primeiro Raio X 
■ Fez equipamentos para a prática clínica 
 
 
Propriedades dos Raios X 
 
● Características 
○ Propagam-se em linha reta na velocidade da 
luz 
○ Não podem ser focalizados, refletidos ou 
refratados 
○ Possuem curto comprimento de onda e alta 
frequência 
○ Possuem poder de penetração e ionização da 
matéria 
■ Pelo comprimento de onda e frequência 
○ Podem fluorescer certas substâncias 
 
● Produção de Raios X 
○ Os raios X são produzidos quando elétrons 
são acelerados em um meio no qual foi feito 
vácuo e são freados bruscamente contra um 
anteparo 
○ Requisitos para produzir Raios X: 
■ Ter elétrons acelerados 
■ Vácuo 
■ Anteparo 
○ Tubo de Coolidge Universal Termoiônico ou 
Tubo de Cátodo Incandescente (Emissão 
Termoiônica): 
■ Criado William David Coolidge 
■ Onde ocorre a produção de Raios X 
■ Tubo de vidro (todo plumbífero ou com 
uma “janela”, que é por onde os raios X 
vão sair) 
➢ Não é um buraco, só um local de menor 
espessura 
➢ 
■ Catodo: 
➢ Filamento enrolado de tungstênio 
■ Anodo: 
➢ Haste de cobre e placa acoplada, que 
também é feita de tungstênio 
 
 
 
 
○ Geração de elétrons: 
■ 
■ Ocorre no cátodo 
■ Princípio de emissão termoiônica: 
➢ O calor gera íons 
➢ Todo filamento metálico que conduz 
corrente elétrica no vácuo gera, ao seu 
redor, uma nuvem de elétrons 
➢ Catodo ligado na tomada: 
✓ Quando o botão disparador for acionado, 
uma corrente elétrica passa no filamento 
metálico e o aquece (no vácuo) 
✓ Esse calor (temperatura altíssima) gerado 
pela passagem da corrente no filamento 
ioniza os átomos de tungstênio que 
compõem o filamento 
↳ Elétrons ficam perto do filamento, pois 
a taça focalizadora (ou capa) do catodo 
é feita de molibdênio 
 
○ Aceleração de elétrons: 
■ 
■ Devido à diferença de potencial entre o 
anodo e o catodo 
➢ Exemplo: 70.000 volts (70kV) 
■ Em um momento do circuito, o anodo fica 
muito mais positivo que o catodo (pela DDP) 
➢ Elétrons soltos próximos à capa 
focalizadora são atraídos com toda a força 
para o anodo → aceleração de elétrons 
 
○ Frenagem dos elétrons: 
■ 
■ Elétrons acelerados → possuem energia 
cinética 
■ Frenados → energia cinética, no momento 
da frenagem, é convertida em: 
➢ Calor 
➢ Raio X 
✓ Conversão muito pouco eficiente: 
↳ 99% da energia se transforma em 
calor 
↳ 1% se transforma em raio X 
○ Área focal (anteparo): 
■ Pré-requisitos para que a frenagem dos 
elétrons e a conversão sejam efetivas: 
➢ Alto ponto de fusão: 
✓ Tungstênio → elemento com maior 
ponto de fusão 
➢ Alto número atômico 
✓ Quanto maior o número atômico, maior a 
densidade e mais os elétrons são 
frenados 
➢ Baixa pressão de vapor: 
✓ Objetivo: Não volatilizar 
➢ Alta condutibilidade térmica: 
✓ Já que o que é mais gerado é calor 
✓ Cobre é muito melhor que tungstênio. 
Por isso, ele está acoplado ao aparelho 
↳ Calor gerado no tubo vai para fora do 
tubo de Raio X 
 
● Circuitos elétricos 
○ Transformadores: 
■ Alteram a voltagem, não o fluxo de elétrons 
(e sim a energia com qual esses elétrons 
fluem) 
■ Núcleo de ferro com 
duas bobinas (primária 
e secundária) 
■ Tensão primária induz 
fluxo no ferro, que 
induz uma corrente elétrica no secundário: 
➢ Elevação ou redução da corrente 
■ Possuem dois circuitos: 
➢ 
➢ Circuito do filamento: 
✓ Ligado ao catodo, há um transformador 
redutor 
↳ Reduz a voltagem de 110V (CEMIG) para 
8V 
➢ Circuito de alta voltagem: 
✓ Circuito para acelerar os elétrons 
✓ Transformador elevador 
↳ Pega a voltagem de 110V e passa para 
70.000V → acelerar os elétrons 
 
Equipamentos odontológicos de raio X 
 
● Equipamentos 
○ 
■ Equipamento de base fixa (parede) 
■ Braço articular (vertical ou horizontal) 
■ Cabeçote: 
➢ Onde fica o tubo 
○ Tubos de Raios X: 
■ 
■ “Janela”:➢ Por onde sai o feixe produzido 
➢ Revestimento mais fino ou sem 
revestimento de vidro plumbífero 
➢ Filtros de alumínio 
✓ Discos de alumínio que absorvem a 
radiação de grande comprimento de 
onda produzido 
↳ Essa radiação não tem poder de 
ionização, mas tem de penetração 
↳ Se não forem barrados, esses raios 
interagem com o paciente e podem 
promover efeitos biológicos (ionização), 
mas não são efetivos para produzir 
imagem 
✓ 
➢ Colimador: 
✓ Dispositivo de chumbo, com um orifício 
central, por onde o feixe sai 
✓ Restringem a área da face do paciente 
que será exposta à radiação 
✓ 
■ Localizadores: 
➢ Direciona o feixe de Raio X no rosto do 
paciente 
➢ Evolução: 
➢ 
 
● Fatores de controle do feixe de raio X 
○ Corrente do tubo (mA) 
■ Fluxo do catodo para o anodo 
■ Também é fixa 
■ Junto com o tempo de exposição (mA x s), 
podemos avaliar algumas características: 
➢ Binômio mA s → quantidade de Raios X 
produzidos 
➢ A amperagem é fixa 
➢ Se o tempo de exposição for baixo → 
menor quantidade de raios X 
➢ Se o tempo de exposição for alto → 
quantidade maior de raios X 
○ Tempo de exposição (s) 
○ Tensão do Tubo (kV) 
■ Quanto maior a DDP, maior a aceleração dos 
elétrons e mais efetivos são os choques e a 
conversão de energia 
➢ Quanto maior a kV, menor é o 
comprimento de onda dos Raios X 
produzidos → maior poder de penetração 
(maior qualidade do raio produzido) 
■ É fixa e determinada pelo fabricante 
 
○ Filtração 
○ Colimação 
○ Distância foco-filme: 
■ Distância do anteparo até a boca do paciente 
■ Lei do Inverso do Quadrado da Distância 
➢ Quantidade de Raios X que chega ao 
paciente 
✓ Não está relacionada com a radiação 
produzida 
➢ 
✓ Intensidade da radiação é inversamente 
proporcional ao quadrado da distância 
✓ Quanto mais afastado estiver o cabeçote, 
menos raios X chegam no paciente 
 
● Produção dos raios 
○ 
○ É menos provável que o elétron que chegue 
se choque na plaquinha 
 
○ Radiação de Bremsstrahlung (frenagem): 
■ Desaceleração de carga elétrica (situação A): 
■ Quando o elétron está atravessando a 
eletrosfera e os orbitais e chegando no 
núcleo → força nuclear (repulsão) 
■ Força de repulsão é responsável pela 
desaceleração dos elétrons 
■ Nessa frenagem, ocorre perda da energia 
cinética → raios X 
➢ Elétron que perdeu a energia cinética → 
pode trombar em outro átomo de 
tungstênio, ser desacelerado, perder 
energia cinética (que vira raio X), e por aí 
vai… 
✓ Colisões sucessivas e perdas variáveis de 
energia cinética 
✓ No feixe de raios X, temos vários raios 
com diferentes comprimentos de onda: 
↳ Importância do filtro 
➢ Elétron perde energia em colisões 
sucessivas 
➢ Energia máxima dos raios X equivale à 
energia do elétron incidente 
✓ O máximo de energia que ele pode ter 
é o kV (ex: se for 70.000 V) 
■ Probabilidade da radiação de Bremsstrahlung 
é proporcional ao número atômico 
■ A interação é proporcional ao Z 
■ Há formação de um espectro contínuo de 
energia dos Raios X 
 
○ Radiação característica: 
■ Específica de cada elemento químico: 
➢ 
➢ Elétron cede energia para remover um 
elétron da camada K do átomo de 
tungstênio 
➢ A vacância na camada K faz com que o 
átomo fique instável energeticamente 
➢ O elétron da camada subsequente (L) salta 
para ocupar o espaço na camada K → 
emissão de Radiação X 
➢ Produção de feixe monoenergético 
(energia da camada K - energia da camada 
L) 
■ 
➢ Energia dos fótons de RX produzidos por 
radiação de frenagem (Bremsstrahlung) 
➢ Pico grande: 
✓ Pico de energia produzida por radiação 
característica 
➢ Segundo pico (menor): 
↳ Salto do elétron 
 
○ Produção de calor: 
■ 99% 
■ 
■ Elétron que vem do cátodo interage mais 
facilmente com os elétrons externos do que 
com os da camada K (probabilisticamente) 
 
 Interação da radiação
 
● Possibilidades de interação 
○ 
■ Raio interage com o corpo e produz uma 
imagem 
■ De forma geral: 
➢ Corpo pode absorver 
➢ Corpo pode não absorver 
➢ O raio pode chegar no corpo, interagir um 
pouco e ceder pouca energia, chegando 
ao receptor de forma indesejada 
➢ Pode chegar pouca radiação e ser 
totalmente absorvida 
 
○ Absorção fotoelétrica: 
■ Átomo qualquer: 
➢ 
■ Raio cede toda a sua energia e ela é toda 
absorvida, ejetando um elétron → 
fotoelétron 
■ Fóton incidente deixa de existir 
■ Características: 
➢ Ocorre em 27% de interações do feixe 
com os tecidos 
➢ Ocorre com fótons de baixa energia 
➢ Tecidos com alta densidade → ossos e 
esmalte 
 
 
 
 
 
 
○ Espalhamento Compton: 
■ 
■ Não há absorção total 
■ Fóton interage com os elétrons das camadas 
mais externas 
➢ Cede menos energia e continua existindo 
➢ Fóton (produzido pelo raio X) de 
espalhamento: 
✓ Tem energia para sair do corpo e 
chegar no receptor de imagem 
✓ Desvia, mas atinge o anteparo 
■ Características: 
➢ 57% das interações 
➢ Fótons de alta energia 
 
○ Espalhamento Thompson: 
■ 
■ Fóton incidente tem energia baixa, não cede 
energia suficiente para remover o elétron e 
não consegue sair do corpo 
■ Continua a existir, mas com menor energia 
■ Características: 
➢ 7% das interações 
➢ Fótons de baixíssima energia 
 
○ Resumo: 
■ 
➢ Em 9% dos casos → não há interação 
➢ Quando o feixe atravessa uma estrutura e 
atinge o receptor de imagem → promove 
transformações no receptor que fazem 
com que a imagem da estrutura 
(“sombra”): 
✓ Sombra” escura → radiolúcida 
↳ Tecidos que não absorvem nem 
totalmente nem parcialmente → 
radiação passa 
■ Imagem radiopaca → ideal 
■ Imagem velada → borrada 
➢ Não projeta a “sombra” 
 
● Radiografias intrabucais 
○ Radiografias intrabucais: 
■ 
➢ Exemplos: 
✓ Restauração de amálgama → muito 
radiopaca (segunda imagem) 
✓ Lesão cariosa → muito radiolúcida 
(primeira imagem) 
↳ Desmineralização dos tecidos 
➢ Imagem é resultado das diferenças de 
absorção