Material de estudos - Física das radiações.pptx

aulas sobre a fisica envolvida na radiação

1. CURSO TÉCNICO EM RADIOLOGIA PROF. ROMUALDO PEREIRA TECNÓLOGO EM RADIOLOGIA FÍSICA DAS RADIAÇÕES

2. Fundamentos Básicos de Física 2 Partículas fundamentais Nossa compreens ão de á tomo hoje baseia-se no que Bohr apresentou a quase um século. No modelo de Bohr o átomo pode ser visto como um sistema solar cujo o sol é o núcleo e cujos os planetas são os elétrons. O elétron , o próton e o nêutron representam as partículas fundamentais deste modelo. Os elétrons são partículas muito pequenas com uma unidade de carga elétrica negativa. Sua massa é de apenas 9,1x10 -31 kg. As partículas atômicas tem sua massa normalmente expressa em unidades de massa atômica (u) . Uma unidade de massa atô mica é igual a 1/12 da massa de um á tomo de 12C. A massa do elétron é 0,000549 u.

3. 3 Estrutura nuclear O n ú cleo cont é m part ículas chamadas n ú cleons , dos quais h á dois tipos: prótons e nêutrons. A massa de um próton é 1,673x10 -27 kg e o a do nêutron 1,675x10 -27 kg. O número de massa atômica de cada um deles é 1 u. O p ró ton tem carga e l étrica positiva de uma unidade. O n ê utron n ã o tem carga. Ele é eletricamente neutro. (Fonte: Bushong, 2010)

4. Estrutura eletrônica 4 Os elétrons se distribuem em camadas ou orbitais de tal modo que dois elétrons não ocupem “o mesmo lugar” ao mesmo tempo; Quanto mais elé trons possuir o elemento quí mico , mais camadas ele deve ter ou mais complexa ser á a maneira como eles se acomodarão; Cada orbital pode ser representado por um elétron se movendo segundo uma trajet ó ria circular (ou el í ptica) ou por uma nuvem envolvendo o núcleo.

5. Estrutura eletrônica 5 O orbital é definido como uma região em torno do núcleo onde os el é trons tem grande probabilidade de estar localizados (teoria quântica do átomo) ; Cada camada acomoda um número definido de elétrons e quando preenchida denomina-se camada fechada; O n° de elétrons nestas camadas é denominado de n ° mágico e, quando excedido, os novos el é trons devem ocupar novos orbitais. Os n° mágicos são: 2, 8, 18, 32, 32, 18 até 8; • Segund o a teori a qu â ntica d a mat é ria distribuem ao redor do n ú cleo em n í veis os el é trons se e sub n í veis de energia possuindo um conjunto de n° que os identificam: n° quântico principal (n), n° quântico orbital (I), n° quântico magnético (mI), n° quântico de spin (mS).

6. Nomenclatura atômica 6 As propriedades qu í micas de um elemento s ã o determinadas pelo n° e arranjo dos elétrons; No átomo neutro o n° de elétrons é igual ao n° de prótons. O n° de prótons é chamado de n° atômico e simbolizado por Z . O n° de prótons adicionado ao n° de nêutrons é chamado de n° de massa atômica, simbolizado por A . O n° de massa atômica de um átomo é um número inteiro, que equivale ao n° de núcleons no átomo. A massa atômica de um á tomo é determinada por medi ç ã o e raramente é um n úmero inteiro. Símbolo químico: A Y 238 U Z 92

7. Modelos Atômicos 7 MODELO ATÔMICO DE DALTON MODELO DE THOMSON MODELO DE RUTHERFORD MODELO DE BOHR

8. MODELO ATÔMICO DE DALTON Baseado nas leis ponderais de Lavoisier e Proust, o cientista John Dalton, por volta do ano de 1808, elaborou sua teoria sobre a matéria, conhecida como teoria atômica de Dalton. As principais conclusões do modelo atômico de Dalton foram: ➢ A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos; ➢ Os átomos são esferas maciças e indivisíveis; ➢ Os átomos com as mesmas propriedades, constituem um elemento químico; ➢ Elementos diferentes são constituídos por átomos com propriedades diferentes; ➢ As reações químicas são rearranjos, união e separação, de átomos.

9. MODELO DE THOMSON Baseado em experiências com cargas elétricas, o cientista inglês Joseph John Thomson, no final do século XIX, concluiu que o átomo não era uma esfera indivisível, como sugeriu Dalton. A experiência que levou a elaboração desse modelo, consistiu na emissão de raios catódicos, onde as partículas negativas eram atraídas pelo polo positivo de um campo elétrico externo. Essas partículas negativas foram chamadas de elétrons, e para explicar a neutralidade da matéria, Thomson propôs que o átomo fosse uma esfera de carga elétrica positiva, onde os elétrons estariam uniformemente distribuídos, configurando um equilíbrio elétrico.

10. MODELO DE RUTHERFORD No início do século XX, o cientista Ernest Rutherford, utilizando a radioatividade, descobriu que o átomo não era uma esfera maciça, como sugeria a teoria atômica de Dalton. Surgia assim um novo modelo atômico.  O modelo atômico de Rutherford concluiu que o átomo era composto por um pequeno núcleo com carga positiva neutralizada por uma região negativa, denominada eletrosfera, onde os elétrons giravam ao redor do núcleo.

11. MODELO DE BOHR O cientista dinamarquês Niels Bohr aperfeiçoou o modelo proposto por Rutherford, formulando sua teoria sobre distribuição e movimento dos elétrons. Baseado na teoria quântica proposta por Plank, Bohr elaborou os seguintes postulados: I- Os elétrons descrevem ao redor do núcleo órbitas circulares, chamadas de camadas eletrônicas, com energia constante e determinada. Cada órbita permitida para os elétrons possui energia diferente. II- Os elétrons ao se movimentarem numa camada não absorvem nem emitem energia espontaneamente. III- Ao receber energia, o elétron pode saltar para outra órbita, mais energética. Dessa forma, o átomo fica instável, pois o elétron tende a voltar à sua orbita original. Quando o átomo volta à sua órbita original, ele devolve a energia que foi recebida em forma de luz ou calor.

12. Ao longo dos anos, foram realizados muitos estudos em relação à estrutura do átomo levando a criação de outros modelos, porém o modelo Rutherford-Bohr ainda é o mais difundido no ensino médio .

13. M ateriais R elevantes P ara a R adiologia 13 Material S í mbolo N º at ô mico (Z) N º de massa at ô mica N º de is ó topos de ocorr ê ncia natural Energia de liga çã o eletr ô nica da camada K (keV) Hidrog ê nio H 1 1 2 0,0 2 Carbono C 6 12 3 0,2 8 Alum í nio Al 13 27 1 1,5 6 C á lcio Ca 20 40 6 4, 1 Molibd ê nio Mo 42 98 7 20 R ó dio Rh 45 103 5 23, 2 Iodo I 53 127 1 33 B á rio Ba 56 137 7 37 Tungst ê nio W 74 184 5 69, 5 Chumbo Pb 82 208 4 88 Ur â nio U 92 238 3 11 6

14. 14 Os raios X foram descobertos pelo físico alemão  Wilhelm Konrad Röentgen  (1845-1923), no dia 8 de novembro 1895, quando trabalhava com raios catódicos, anteriormente descobertos por Crookes; Em um dado momento, Röentgen percebeu que uma folha de papel tratada com platinocianeto de bário emitia luz – e até mesmo o lado que não estava revestido com o platinocianeto também brilhava; Esse fato ocorreu mesmo com a ampola de Crookes estando coberta por uma cartolina negra. Descoberta dos Raios – x

15. Ao investigar mais a fundo, para entender a origem dessa luminosidade, Röentgen colocou vários objetos entre a ampola e a tela e observou que todos pareciam ficar transparentes – e qual não foi sua surpresa quando viu os próprios ossos da mão na tela; Em 28 de dezembro de 1895, ele entregou um relatório para a Sociedade Físico- Médica de Würzburg, Alemanha, descrevendo suas descobertas e indicando que os raios X surgiam na região da ampola de descarga onde os raios catódicos colidem com a parede de vidro; Visto que considerava esses raios ainda muito enigmáticos, ele denominou-os de  Raios X .

16. Descoberta da Radioatividade Os fenômenos radioativos começaram a ser descobertos em 1896 pelo cientista francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908). A descoberta de Röntgen levou Becquerel, no início do ano de 1896, a testar a hipótese de que as substâncias fosforescentes (substâncias que emitem luz visível depois de absorver energia de outra fonte), mas que, ao contrário das substâncias fluorescentes, continuam emitindo luz por algum tempo, mesmo depois que a fonte de energia é desligada. e também emitiriam raios X;

17. Ele fez isso deixando ao sol amostras de um minério de urânio, o sulfato duplo de potássio e a uranila di-hidratada. Em seguida, ele colocou essas amostras em contato com um filme fotográfico envolvido por um invólucro preto para ver se elas impressionavam o filme e, assim, emitiam raios X; No entanto, começou um tempo de chuva em Paris e Becquerel teve que guardar as suas amostras em uma gaveta escura com alguns filmes virgens protegidos com um papel preto.  Novamente, um fato acidental aliado à perspicácia resultou em uma descoberta excepcional; Becquerel também descobriu que essa radiação que o urânio emitia também ionizava gases, transformando-os em condutores.

18. Pierre Curie e Marie Curie Entrou então em cena o casal  Pierre Curie (1859-1906) e Marie Curie (1867-1934). Juntamente a eles, Becquerel descobriu que a propriedade que ele viu era pertencente ao urânio, pois todos os minérios de urânio emitiam os raios que impressionavam o filme. Marie Curie batizou essa propriedade de o urânio emitir raios de  radioatividade ; Em abril de 1898, Marie Curie constatou que havia algum componente mais ativo que o urânio em seus minerais naturais.

19. Trabalhando por 3 anos com o elemento Uranita (UO 2 ), em 1902, isolaram átomos de dois elementos químicos radioativos que não eram conhecidos na época. O primeiro, eles chamaram de  rádio , pois ele era  2 milhões de vezes mais radioativo que o urânio ; o segundo, eles chamaram de  polônio ,  em homenagem à Polônia, terra natal de Madame Curie. Anos mais tarde, o físico neozelandês Ernest Rutherford realizou um experimento, que identificou a natureza da radioatividade, mostrando que ela se originava do núcleo.

20. Radiação Radiação  é a propagação de energia na forma de ondas eletromagnéticas ou de partículas; A  onda eletromagnética  é uma forma de energia, constituída por campos elétricos e campos magnéticos variáveis e oscilando em planos perpendiculares entre si, capazes de propagar-se no espaço. No vácuo, sua velocidade de propagação é de 300.000 km/s.

21. Tipos de Radiação Alfa – Beta - Gama O físico neozelandês Ernest Rutherford, observou três emissões radioativas diferentes. Ele denominou de alfa (α) as emissões que eram positivas, pois se desviaram no sentido da placa negativa. As emissões negativas foram chamadas de beta (β), pois se desviaram no sentido da placa positiva. Além disso, o desvio da radiação beta era maior que o da radiação alfa. Enquanto isso, a terceira radiação, denominada de gama (γ), não sofreu desvio nenhum. vejamos a constituição de cada uma dessas emissões radioativas naturais e, dessa forma, entenderemos porque Rutherford observou esse comportamento.

22. Alfa Essa radiação é constituída de dois prótons e dois nêutrons, exatamente como o núcleo de um átomo de hélio. Visto que cada próton possui carga elétrica +1 e cada nêutron não possui carga, mas ambos possuem massa de 1 u, uma partícula alfa possui carga +2 e massa 4 u; É por isso que essa emissão sofreu desvio no sentido da placa negativa, isto é, porque ela é carregada positivamente e possui massa. A simbologia usada para qualquer átomo ou partícula subatômica é:

23. Desse modo, as partículas alfa podem ser representadas da seguinte forma: Os elementos radioativos possuem um núcleo instável, assim, quando eles emitem uma partícula alfa, eles se transmutam em outro elemento com massa menor 4 unidades e número atômico menor 2 unidades. Veja um exemplo abaixo:

24. Beta Os núcleos instáveis tendem a se rearranjar para adquirir estabilidade, dessa forma, um ou mais de seus nêutrons sofrem uma transformação em 1 próton, 1 neutrino e 1 elétron. O próton permanece no núcleo, o neutrino e o elétron (partícula beta) são emitidos pelo núcleo. Essa radiação é constituída de partículas leves com carga elétrica negativa, semelhante a elétrons (carga igual a -1).

25. Assim, quando um elemento radioativo emite uma partícula beta, ele se transforma em um isóbaro, isto é, elemento com mesmo número de massa (pois ele perdeu um nêutron, mas ganhou um próton) e com número atômico (número de prótons) maior 1 unidade.

26. Ao contrário da Alfa e Beta, a radiação Gama não se trata de uma partícula, mas sim de uma radiação eletromagnética semelhante aos raios X; Visto que se trata de uma onda eletromagnética, e não de uma partícula, a radiação gama não possui carga nem massa e, por isso, não sofreu desvio no experimento de Rutherford. Sua representação é dada simplesmente por:  γ . Gama

27. Dentre essas três emissões radioativas naturais,  a radiação gama é a mais perigosa . Como não é uma partícula, ela não sofre interferência dos elétrons e prótons dos átomos do material e, por isso, tem um alto poder de penetração; O poder de penetração das partículas α é pequeno, não atravessando sequer uma folha de papel, e, no corpo humano, elas são detidas pela camada de células mortas da pele; As partículas β têm um médio poder de penetração, atravessando uma folha, mas sendo detidas por 1 cm de uma chapa de alumínio. No ser humano, ela penetra até 2 cm e pode causar danos sérios; Já as partículas gama atravessam 15 cm de aço e são detidas por placas de chumbo de 5 cm ou mais. Podem atravessar totalmente o corpo humano, causando danos irreparáveis.

28. Radiação Eletromagnética Conceitos de Ondas Ondas – é uma perturbação que se propaga através de um meio. Toda onda transmite energia sem transportar matéria; Quanto a natureza podem ser : Mecânicas necessitam de um meio material para se propagar (ex. som); Eletromagnéticas n ão necessitam de um meio material para se propagar (ex. luz, raios X e raios gama); Fóton – é a menor quantidade de qualquer tipo de energia eletromagnética; As propriedades de energia eletromagn é tica incluem frequência, comprimento de onda, amplitude e velocidade.

29. Radiação Eletromagnética Ondas de rádio, tv, micro-ondas, infravermelho, laser,  raios-X, raios γ , ultravioleta e luz visível são consideradas radiações eletromagnética. No entanto, o que é radiação eletromagnética? Radiação eletromagnética  é a definição dada à ondas que se propagam no vácuo ou no ar com velocidade de 300.000 km/s, que também é a velocidade com a qual a luz se propaga (a luz também é uma radiação eletromagnética). Uma outra característica das ondas eletromagnéticas é a capacidade de transportar energia e informações. Existem vários tipos de radiação eletromagnética, com semelhanças entre si e também características diferentes.

30. O que diferencia uma radiação eletromagnética de outra radiação eletromagnética é o seu comprimento de onda. Mas o que é comprimento de onda? Comprimento de onda (λ) é a distância entre dois pontos máximos de uma onda, observe:

31. Comprimento de onda (λ) de uma  onda eletromagnética  (radiação eletromagnética) é o que irá diferenciá-las; Existem ondas eletromagnéticas com grandes comprimentos de onda, tais como as ondas de rádio (AM e FM) e TV (UHF e VHF). Por outro lado, existem radiações com comprimento de onda bem pequeno, como é o caso da radiação-X e radiação γ.

32. Fato do comprimento de onda ser grande ou pequeno influi diretamente em sua frequência (ν), que é a variação da onda por segundo, ou seja, é a rapidez com a qual a onda se propaga (é a rapidez com que os comprimentos de onda se repetem); Quanto menor for o comprimento de onda (λ), maior será a frequência (ν) e, quanto maior for o comprimento de onda (λ), menor será a frequência (ν), já que a velocidade da radiação é a mesma (300 000 km/s = c = velocidade da luz). Atenção ! Quanto maior for o comprimento de onda , menor será a frequência Quanto menor for o comprimento de onda , maior será a frequência e maior será o poder de penetração. Grandezas Inversamente Proporcionais

33. Blindagem Contra Radiação Ionizante

34. Produção de Raio X Propriedade dos raios X: Não sofrem desvio em sua trajetória por ação de campos elétricos e nem magnéticos; Atravessam corpos opacos; Perdem energia na proporção direta com o número atômico (Z) do elemento com qual interagem; Causam fluorescência em certas substâncias químicas; Diminuem de intensidade na razão inversa do quadrado da distância por eles percorridas (1/r²); São ionizantes.

35. A radia ç ã o X é uma radia ç ã o produzida artificialmente através da aceleração de cargas elétricas (elétrons) contra um material met á lico de alto nú mero atô mico ( geralmente tungstênio), resultando desse choque a emiss ã o de radiação eletromagnética, caracterizada por uma frequência muito alta, comprimento de onda pequeno e alto poder de penetração; Ao contrário que a maioria das pessoas leigas pensa, não há material radioativo em um equipamento emissor de raios X. Ampola produtora de raio x

36. Os elétrons projetados no material alvo do tubo de raios X ( + ânodo) interagem com a coroa eletrônica ou com o campo nuclear, resultando na conversão de energia cinética dos elétrons em energia térmica (calor) 99% e em radiação eletromagnética ionizante ou raios X 1%.

37. Tipos de Ampolas de Raio x 38 Anodo giratório Anodo fixo A nodo Catodo

38. Processos de Geração dos Raios x A radia ção de frenagem ou bremsstrahlung ocorre quando os elétrons acelerados do cátodo ao se chocarem com os átomos do ânodo são atraídos pelo núcleo, perdem energia cinética através da desaceleração, mudam sua trajetória e emitem energia em forma de fótons de raio x.

39. Os raios X característicos são produzidos quando os elétrons acelerados possuem energia suficiente para expulsar (arrancar) elétrons das camadas mais internas do átomo do alvo, tornado esse átomo instável, fazendo com que elétrons de camadas mais externas se desloquem para o lugar do elétron expulso. Nesse processo de deslocamento é liberado fótons de energia em forma de raio x.

40. Efeito Termiônico (efeito de Edison)

41. Efeito Anódico É um processo que está envolvido na produção dos raios-x nos aparelhos utilizados em radiografia. Efeito Anódico é o efeito causado pela ligeira diferença da radiação produzida e que atinja a película do lado do cátodo com mais intensidade; Provoca uma variação espacial na intensidade do feixe de luz que resulta na variação da densidade óptica da imagem que será formada no filme radiográfico.

42. Interação da Radiação com a Matéria Efeito Compton; Efeito Fotoelétrico;

43. Efeito Compton ou de Espalhamento Interação de um fóton com um elétron; Ocorre a ejeção de um elétron, perda de energia do fóton incidente, e criação de fótons espalhados de intensidade energética menor.

44. Efeito Fotoelétrico A emissão de elétrons de uma superfície em razão da interação de uma onda eletromagnética com a mesma é chamada efeito fotoelétrico.

45. CURSO TÉCNICO EM RADIOLOGIA