Proteção radiológica

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Proteção radiológica

  1. 1. PROTEÇÃO RADIOLÓGICA1 FUNDAMENTOS DA FÍSICA
  2. 2. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.1 IntroduçãoA questão da estrutura da matéria vem recebendo atenção defilósofos e cientistas desde os primórdios da civilização. Sob oponto de vista de proteção radiológica, a matéria pode serconsiderada como constituída de partículas fundamentais cujaspropriedades de interesse são a massa e a carga elétrica. Nestecontexto, as três partículas importantes para a compreensão daestrutura e propriedades da matéria são os elétrons (e), osprótons (p) e os nêutrons (n). A estas, pode ser acrescentado ofóton, tipo especial de partícula associada à radiaçãoeletromagnética. Partículas mais elementares como léptons equarks fogem ao escopo desta publicação.
  3. 3. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAO elétron já era conhecido desde o século dezenove comoa unidade de carga elétrica, tendo sua carga negativa omesmo valor numérico que a do próton, ou seja,1,6021.10-19 C.O nêutron não possui carga elétrica e tem uma massaaproximadamente igual à do próton. Assim, o núcleopossui uma carga elétrica positiva cujo tamanho dependedo número de prótons nele contidos.
  4. 4. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.2 Átomo e Estrutura do ÁtomoO átomo é a menor partícula de um elemento queconserva suas propriedades químicas, sendo constituídopor partículas fundamentais (prótons, elétrons e nêutrons).Os prótons e os nêutrons encontram-se aglomeradosnuma região central muito pequena, chamada núcleo, quese mantêm unida mediante forças nucleares fortes, quetêm caráter atrativo e são muitas ordens de grandezasuperiores à força de repulsão eletrostática existente entreos prótons, a qual tenderia a expulsá-los do interior donúcleo. A densidade do núcleo é muito elevada, sendo daordem de milhões de toneladas por centímetro cúbico.
  5. 5. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIASegundo o modelo atômico de Bohr, os elétrons, partículasde massa insignificante frente à massa do núcleo (me ≅mp/1840) e carga elétrica negativa, movem-se em torno donúcleo, numa região denominada coroa, cujo raio é cercade dez mil vezes maior que o raio do núcleo.Como a massa dos elétrons que orbitam em torno donúcleo é muito pequena, é correto considerar o núcleocomo um ponto minúsculo no centro do átomo onde estáconcentrada a maior parte de sua massa.
  6. 6. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAO átomo de um elemento possui uma massa bem definida,cujo valor exato é determinado em relação à massa de umelemento tomado como padrão. Em 1961, por um acordointernacional entre físicos e químicos, foi estabelecida umaescala unificada, tendo sido atribuído o valor exato de12,000000 para a massa atômica do carbono-12, Assim,nessa escala, uma unidade de massa atômica é igual a1/12 da massa do átomo de carbono-12, ou seja: 1 u.m.a. = 1/12 da massa do carbono-12 = 1,6598.10-24g
  7. 7. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAO próton possui uma massa de 1,00759 u.m.a., valor muitosemelhante à massa do átomo de hidrogênio, e uma cargapositiva igual a 1,6021.10-19 C.O nêutron possui uma massa de 1,00898 u.m.a., valor muitopróximo ao da massa do próton, sendo eletricamente neutro.As propriedades químicas dos átomos são definidas pelonúmero atômico Z (número de unidades de carga positivaexistente no átomo), sendo esta a característica que diferenciaum elemento de outro. Normalmente, o número de unidades decarga positiva é igual ao da negativa, tornando o átomoeletricamente neutro.Átomos de um elemento podem se combinar com átomos deoutro elemento formando moléculas. Por exemplo, quatroátomos de hidrogênio podem se combinar com um átomo decarbono para formar uma molécula de metano, CH4.
  8. 8. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.3 Número Atômico, Número de Massa, Massa Atômicae Átomo-GramaNúmero atômico: é o número de prótons que um átomopossui em seu núcleo e que determina suas propriedadesquímicas, sendo representado pelo símbolo Z. Átomos domesmo elemento químico possuem o mesmo númeroatômico, mas não necessariamente a mesma massa, jáque podem diferir pelo número de nêutrons.
  9. 9. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIANúmero de massa: é o número total de núcleons, ou seja,prótons (Z) + nêutrons (N) existentes em um átomo, sendosimbolizado pela letra A (A=N+Z).Massa atômica: também conhecida impropriamente porPeso Atômico: é a razão ente a massa média dos átomosdo elemento em sua composição isotópica natural e 1/12da massa do carbono-12.Átomo-grama: é a massa atômica de um elemento,expressa em gramas, e que contêm 6.02 x 1023 átomosdesse elemento.
  10. 10. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.4 NuclídeoChama-se nuclídeo qualquer espécie nuclear (núcleo de umdado átomo) definida por seu número atômico (Z), número demassa (A) e estado energético. O símbolo utilizado neste textopara representar os nuclídeos consiste no símbolo químico doelemento (por exemplo, Fe), com o número atômico (Z=26)como subíndice à direita, abaixo e o número de massa (A=57)como supra-índice, à esquerda e acima. Generalizando: AXzNormalmente, omite-se o número atômico como subíndice, umavez que o símbolo químico é suficiente para identificar oelemento, por exemplo: 57Fe, 4He , 198Au.
  11. 11. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.5 IsótoposIsótopos são nuclídeos que possuem o mesmo númeroatômico Z mas massas atômicas (A) diferentes, isto é, osisótopos têm o mesmo número de prótons, porém diferentenúmero de nêutrons (N) e, como conseqüência, diferentenúmero de massa A. O fato dos isótopos possuírem omesmo número atômico faz com que se comportemquimicamente de forma idêntica. Exemplos: 38Cl e 37Cl 57Co e 60Co
  12. 12. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.6 IsóbarosSão nuclídeos que possuem o mesmo número de massa ediferentes números atômicos. Tendo números atômicosdistintos, comportam-se quimicamente de forma diferente.Exemplo: 57Fe e 57Co
  13. 13. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.7 IsótonosSão nuclídeos que possuem o mesmo número de nêutrons(N). Exemplo: 30Si e 31P15 14
  14. 14. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.8 ElementoElemento (X) é uma substância que não podeser decomposta, por ação química normal, emsubstâncias mais simples . A definição deelemento engloba sua mistura natural deisótopos, uma vez que a maioria dos elementosé formada por vários isótopos. Por exemplo, oestanho natural é formado pela mistura de dezisótopos.
  15. 15. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIADesde os primórdios da Química, tentou-se classificar oselementos conforme as analogias ou diferenças de suaspropriedades. Atualmente, a pouco mais de centena deelementos conhecidos está classificada no sistemaperiódico de Niels Bohr, aprimorado a partir daclassificação original proposta por Mendeleiev (1834-1907). Assim, os elementos são dispostos em fileiras ouperíodos e colunas ou grupos, atendendo á estruturaeletrônica de seus átomos, de que dependem asrespectivas propriedades, e em ordem crescente de seusnúmeros atômicos.
  16. 16. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.9 Equivalência entre Massa e EnergiaA unidade de energia conveniente para o estudo dosfenômenos de interação da radiação com a matéria emproteção radiológica é o elétron-volt (simbolizado eV), quecorresponde à energia adquirida por um elétron aoatravessar um campo elétrico de 1 volt. Esta unidadeexpressa um valor muito pequeno e sua relação comunidades macroscópicas e a seguinte: 1 eV = 1,602.10-19 J = 1,602.10-12 erg
  17. 17. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAEm 1909, como parte de sua teoria da relatividadeespecial, Albert Einstein enunciou que o conteúdo total deenergia E de um sistema de massa m é dado pela relação: E = mc2onde c = 2,99776.1010 cm/s é a velocidade da luz novácuo.Em quase toda reação nuclear, uma pequena quantidadede massa é transformada em energia, ou vice versa, comopor exemplo: 226Ra88 → 222Rn86 + energia
  18. 18. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAestando essa energia relacionada aodecréscimo de massa convertida de acordo coma equação de Einstein acima. Alternativamente,a equação de Einstein pode ser expressa como: E = 931 Δmsendo E a energia, em MeV, e Δm o decréscimode massa, em unidade unificada de massaatômica.
  19. 19. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.10 Energia de Ligação dos NúcleosAs partículas que constituem um núcleo estável sãomantidas juntas por forças de atração fortes e, portanto,para separá-las, é necessário realizar trabalho até que elasse mantenham afastadas por uma grande distância. Ouseja, energia deve ser fornecida ao núcleo para separá-loem seus constituintes individuais, de tal forma que aenergia total dos constituintes, quando suficientementeseparados é maior do que aquela que têm quando formamo núcleo.
  20. 20. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAVerifica-se que a massa real de um núcleo é sempremenor que a soma das massas dos núcleos que osconstituem. Esta diferença de massa, conhecida pordefeito de massa, quando convertida em energia,corresponde à energia de ligação do núcleo Tomando,por exemplo, o átomo de 4He, tem-se: massa do núcleo do hélio = 4,00150 u.m.a. massa do próton = 1,00728 u.m.a. massa do nêutron = 1,00867 u.m.a. massa total: 2p + 2n = 4,03190 u.m.a.
  21. 21. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAPode ser observado que a diferença entreo valor da soma das massas dosconstituintes do núcleo e a massa donúcleo é de 0,03040 u.m.a. Como 1 u.m.a.é equivalente a 931 MeV, temos que adiferença das massas eqüivale a 28,3MeV, que representa a energia de ligaçãodo núcleo do átomo de Hélio.
  22. 22. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.11 Estabilidade NuclearOs nuclídeos podem ser estáveis ou instáveis. Estáveissão aqueles que preservam sua identidade de elementoquímico indefinidamente. Instáveis são aqueles que podemsofrer um processo espontâneo de transformação(desintegração) e se converter em um outro nuclídeo.Neste processo, pode haver a emissão de radiação.A energia de ligação é, também uma medida daestabilidade de um núcleo uma vez que pode serdemonstrado que um núcleo não se fragmenta empartículas menores quando sua massa é menor que asoma das massas dos fragmentos.
  23. 23. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.12 Números QuânticosAs características de cada elétron são definidas por quatronúmeros, denominados números quânticos. Os elétronsestão distribuídos em camadas ou níveis energéticos,sendo que, para cada nível, a energia total dos elétronsque o ocupam é exatamente a mesma.O número quântico principal ou fundamental indica, ainda,o número máximo de elétrons possíveis numa camada,sendo que a cada nível energético principal é atribuído umnúmero inteiro (1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7) ou uma letra ( K, L, M,N, O, P ou Q ).
  24. 24. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAOs níveis de energia das camadas K, L e Mpara o átomo de tungstênio, por exemplo, sãorespectivamente 70 keV, 11 keV e 2,5 keV.Estes valores correspondem às energias deligação dos elétrons em cada um desses níveis.Isto significa ser necessário, no mínimo, 70 keVpara remover um elétron localizado na camadaK para fora do átomo.
  25. 25. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAÀ medida que aumenta o número atômico, aumenta o númerode elétrons em torno do núcleo. Os novos elétrons irão ocuparas camadas disponíveis, seguindo uma ordem bemestabelecida. Cada camada tem uma capacidade máxima dereceber elétrons. Assim, o nível energético K pode comportaraté dois elétrons; o L, oito; o M, dezoito; o N e o O comportam onúmero máximo de trinta e dois elétrons cada. A camada K é amais próxima do núcleo e corresponde ao nível energético maisbaixo do átomo. Os elétrons em níveis energéticos mais altostêm probabilidade maior de situarem-se em regiões maisafastadas do núcleo do átomo. Os elétrons localizados emórbitas próximas do núcleo, como a órbita K, têm uma certaprobabilidade de penetrar na região do núcleo. Este fato fazcom que esses elétrons possam participar de certos processosnucleares.
  26. 26. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIASe uma quantidade de energia for fornecida aoátomo de forma que seus elétrons mais internossejam removidos para órbitas mais externas oumesmo arrancados do átomo, um dos elétronsdas camadas mais externas irá ocupar a vagadeixada e, nessa transição, o átomo emitiráfótons de energia, conhecidos por radiaçãocaracterística.
  27. 27. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIACada nível energético principal subdivide-se em subníveis, quedependem do segundo número quântico, chamado númeroquântico secundário. O elétron pode se encontrar em qualquerlugar em torno do núcleo, exceto neste. No entanto, há algumasregiões do espaço onde é muito mais provável encontrá-lo queoutras. Chama-se orbital à região do espaço em volta do núcleoonde é mais provável encontrar o elétron ou onde a densidadeeletrônica é maior. O número quântico secundário pode ter nvalores, começando por 0, sendo o valor máximo n-1, onde n =n quântico principal, e indicam a forma e o tamanho dosorbitais, sendo seu valor representado, também, pelas letras s,p, d, f.... Os orbitais s, por exemplo, têm a forma esférica e seuraio aumenta com o nível energético principal.
  28. 28. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAUma vez que o elétron é uma partícula carregada e emmovimento, ela cria um campo magnético e se constitui empequeno ímã, razão pela qual se orienta em qualquercampo magnético externo. As diferentes orientações queum elétron pode tomar vêm definidas pelo terceiro númeroquântico, o número quântico magnético, cujo valor tambémé inteiro, positivo, negativo ou nulo.Os elétrons têm um movimento de rotação sobre simesmos, conhecido por “spin”, que é definido pelo quartonúmero quântico, o número quântico rotacional ou de spin,que toma os valores –½ e + ½, conforme o sentido derotação seja horário ou o contrário.
  29. 29. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIADe acordo com o Princípio de exclusão dePauli, dois elétrons de um mesmo átomo nãopodem ter os quatro números quânticos iguais;diferirão, pelo menos em um deles. Assim é quedois elétrons no mesmo orbital têm,necessariamente, spins opostos.
  30. 30. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIA1.1.13 Níveis de Energia NuclearesO núcleo atômico também se apresenta em estados comenergias bem definidas. O estado de energia mais baixa édenominado estado fundamental e corresponde ao nível deenergia zero. O primeiro nível acima deste é o 1º estadoexcitado e assim sucessivamente. Se, por qualquer motivo,for fornecida uma quantidade de energia suficiente aonúcleo, ele passará a um de seus estados excitados.
  31. 31. 1.1 ESTRUTURA DA MATÉRIAApós um período de tempo, em geral muitocurto, ele voltará ao seu estado fundamental,emitindo radiação.Normalmente, o retorno ao estado fundamentalse dá por meio da emissão de radiaçãoeletromagnética gama, γ. Durante esseprocesso, o núcleo pode passar por vários deseus estados de excitação. Comoconsequência, raios γ de diferentes energiaspodem ser emitidos por um único núcleo.
  32. 32. 1.2 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICAOs gregos da antiguidade já haviamreconhecido a natureza única da luz,empregando o termo fóton para definir o „átomode luz‟, ou seja, a menor quantidade dequalquer radiação eletromagnética que possui avelocidade da luz. O fóton pode ser retratadocomo um pequeno pacote de energia, tambémchamado quantum, que se move através doespaço com a velocidade da luz.
  33. 33. 1.2 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICAEmbora fótons não possuam massa, elespossuem campos elétricos e magnéticos que semovem continuamente sob a forma de ondassenoidais. As propriedades importantes domodelo senoidal são a freqüência (f) e ocomprimento de ondas (λ), sendo a equação daonda expressa simplesmente por: v = f .λ
  34. 34. 1.2 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICANo caso de radiação eletromagnética, o produto dafreqüência pelo comprimento de onda é constante eigual à velocidade da luz. Assim, sempre que afreqüência aumenta, o comprimento de onda diminui evice-versa.Outra propriedade importante da radiaçãoeletromagnética emitida por uma fonte é expressa pelalei do quadrado das distâncias, ou seja, a intensidade(I) diminui rapidamente com a distância da fonte (d),conforme se segue: I1 / I2 = (d2 / d1 )2
  35. 35. 1.2 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICAA razão para esse rápido decréscimo na intensidade daradiação é o fato que, quando se aumenta cada vez mais adistância da fonte pontual, a energia emitida é espalhadapor áreas cada vez maiores. Como regra geral, a lei doquadrado da distância pode ser aplicada sempre que adistância da fonte for, pelo menos, sete vezes maior que amaior dimensão da fonte não pontual.O espectro eletromagnético está compreendido na faixa defrequência de 10 a 1024 Hz e o comprimento de onda dosrespectivos fótons encontram-se na faixa de 107 a 10-16metros.

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