Física radiológica o livro by tiago todescatto

Física Radiológica Para Técnicos e Tecnólogos em Radiologia

1ª Edição

São Paulo, 2016 Tiago Todescatto

Física Radiológica - Radiologia Editor

Física Radiológica

Tiago Todescatto tiagotodescatto.wix.com/tiago-todescatto#!

Produção, revisão e capa

Site

Tiago Todescatto

tiago-todescatto@hotmail.com

Autor:

Todescatto, Tiago

Obra:

Manual de Física Radiológica para Técnicos e Tecnólogos em Radiologia. Tiago S. Todescatto São Paulo, SP 176p ; A5 148x210 Preto e branco 1ª Edição São Paulo, 2016

Editora:

Tiago Todescatto

agBook

Física Radiológica - Radiologia

É proibida a reprodução total ou parcial de qualquer parte deste livro, por qualquer meio, incluindo a internet, sem a autorização por escrito do autor. Lei 9.610/98.

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Prefácio A área da radiologia, é uma especialidade médica que foi descoberta a mais de um século atrás, o dia 8 de novembro é comemorado o dia dos técnicos e tecnólogos em radiologia. Em 1895, o físico alemão Wilhelme Conrad Roentgen notou pela primeira vez os fenômenos provenientes dos raios catódicos, e sem entender, mas sabendo que esses raios eram originados da colisão dos elétrons com o ânodo, denominou-o raios X. Os raios catódicos, a luz, a natureza, os relâmpagos, trovões, a existência de tudo que há no universo, inclusive o próprio universo sempre foram alvos de estudos desde a antiguidade. A física é a ciência que estuda os fenômenos naturais, e a partir do conhecimento físico é possível descrever os acontecimentos que antes eram dados a fenômenos divinos, como por exemplo os trovões, que antigamente pensava se que eram provindos da fúria dos Deuses. O estudo da física não é limitado a uma disciplina, ou profissão em específico, pelo contrário, todas as áreas utilizam princípios e conceitos físicos em alguma de suas aplicações. Exemplo: Os químicos utilizam os princípios físicos para estudar a estrutura das moléculas, os Paleontólogos necessita da física para reconstruir métodos que explicam como os dinossauros caminhavam a bilhões de anos atrás, os Climatologistas utilizam a física para explicar a formação das nuvens, das chuvas, dos tornados. Tiago Todescatto

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Será que um engenheiro conseguiria projetar uma tela plana de TV, ou uma nave espacial sem antes entender os princípios básicos da física? É bem provável que não, pois tudo está diretamente relacionado a física. Estudar a física não é simplesmente abrir este livro e ler, é muito mais, a física é uma grande aventura, as coisas começam a fazer sentido, quando a viagem imaginária de uma teoria concreta começa a ser dirigida por nós, sendo no fundo no fundo compensadora e gratificante o seu estudo. Aí você se pergunta: Porquê o céu é azul? Como as ondas de rádio se propaga no espaço? As respostas para suas perguntas está nos conceitos fundamentais da física. Ao final da leitura desse livro, você ficará satisfeito em conhecer as radiações, as interações dessas radiações com a matéria, e os princípios físicos de formação das imagens e de proteção radiológica aos quais todo técnico e tecnólogo em radiologia deve compreender para utilizar as radiações de maneira adequada evitando acidentes com pacientes e consigo mesmo.

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Sumário Capítulo I .................................................................................. 12 1.1 Introdução ...................................................................... 13 1.2 Matéria ............................................................................ 14 1.3 Átomos ........................................................................... 20 1.4 Configuração eletrônica .................................................. 27 1.5 Moléculas ........................................................................ 31 1.6 Células Humanas ............................................................ 33 Capítulo II ................................................................................ 34 2.1 Introdução ...................................................................... 35 2.2 Características ondulatória das ondas .............................. 36 2.3 Ondas Mecânicas ............................................................ 38 2.4 Velocidade do som ......................................................... 40 2.5 Ondas Eletromagnéticas ................................................. 41 2.6 Espectro Eletromagnético ............................................... 43 2.7 Componentes básicos das ondas ..................................... 44 2.8 Equação fundamental da ondulatória.............................. 48 2.9 Ondas transversais .......................................................... 61 2.10 Ondas Longitudinais ..................................................... 62 2.11 Direção de propagação da onda.................................... 63 2.12 Reflexão de ondas ......................................................... 65 Capítulo III ............................................................................... 89 Tiago Todescatto

Física Radiológica - Radiologia 3.1 Introdução ...................................................................... 90 3.2 Radiação ......................................................................... 91 3.3 Tipos de radiação ........................................................... 95 Capítulo IV ............................................................................... 99 4.1 Introdução .................................................................... 100 4.2 Espalhamento e Produção de Raios X.......................... 101 4.3 Bremsstrahlung ............................................................. 102 4.4 Efeito fotoelétrico ......................................................... 103 4.5 Efeito ou Espalhamento Compton ............................... 108 4.6 Produção de pares ........................................................ 112 Capítulo V .............................................................................. 113 5.1 Introdução .................................................................... 114 5.2 Carga elétrica ................................................................ 115 5.3 Carga Elétrica e Estrutura da Matéria............................ 119 5.4 Condutores Isolantes e Cargas Induzidas...................... 124 5.6 Lei de Coulomb ............................................................ 136 Capítulo VI ............................................................................. 144 6.1 Introdução .................................................................... 145 6.2 Propriedades do núcleo ................................................ 146 6.3 Ligação e estrutura nuclear ........................................... 150 6.4 Estabilidade Nuclear e Radioatividade ......................... 152 6.5 Atividade e meia vida .................................................... 157 Tiago Todescatto

Física Radiológica - Radiologia 6.6 Efeitos Biológicos da Radiação ..................................... 160 6.7 Reações Nucleares ........................................................ 168 6.8 Fissão Nuclear............................................................... 169 6.9 Fusão Nuclear ............................................................... 174 Referências Bibliográficas ................................................... 176

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Agradecimentos

Quero agradecer, em primeiro lugar, a Deus, por sempre ter mantido minha saúde para que eu enfrentasse toda esta longa caminhada na construção deste projeto. Agradeço também a todos que me incentivaram , e participaram direta ou indiretamente deste livro. Muito obrigado. Tiago Todescatto

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Esta obra é dedicada a todos os técnicos e alunos da radiologia, pois, estão todos os dias lutando e aumentando os seus conhecimentos para ajudar o próximo. Tiago Todescatto

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O profissional da radiologia é aquele que usa todo conhecimento sobre as radiações ionizantes com critério para benefício da saúde, e que doa tudo de si para ajudar o próximo.

Tiago Todescatto Tiago Todescatto 10

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O autor

Tiago dos Santos Todescatto Técnico e Tecnólogo em Radiologia pela Faculdade Método de São Paulo – FAMESP. Experiência profissional com práticas radiológica convencional, digital, TC e RMN. Professor Ressonância

das

Técnicas

Magnética,

Radiológicas,

Física

Radiológica,

Radioterapia, Tomografia

Computadorizada e Medicina Nuclear no Centro Educacional ETIP – Santo Andre.

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Capítulo I Considerações básicas sobre matéria, átomos e moléculas

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1.1 Introdução Para entender a física radiológica e os principais efeitos causados pela interação das radiações com a matéria, é preciso compreender o que é radiação, matéria, átomos, células, tecidos, órgãos, sistemas e por fim o corpo humano como um todo. Portanto, começaremos à “construir” a matéria do “alicerce”, ou seja, do ponto de vista atômico, tendo em vista que a matéria é construída de “tijolos” elementares, denominado átomo. Uma pergunta inicial surgiu: O que é Matéria?

???? ???? Tiago Todescatto 13

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1.2 Matéria Matéria é qualquer corpo que possui massa e ocupe espaço, podendo ser sólida, líquida ou gasosa. Exemplo: o chão que pisamos, os tijolos, telhas, cimento, madeira, tintas e tudo que há na casa onde moramos, o ar que respiramos, a água, as plantas, os animais, o corpo humano e tudo que ocupe espaço físico. Massa: É a quantidade de matéria que um determinado corpo possui. Para medir a densidade (D) de um determinado material é preciso usar a fórmula ( D = m/v ), ou seja, densidade é igual a massa por unidade de volume, onde D é a densidade, m é a massa e v é volume. Exemplo: Calcule a densidade de um corpo, onde a massa é 4g e o volume 2ml. D = 4/2

4/2 = 2

D = 2g/ml

A matéria sólida tem forma e tamanho definido, como por exemplo: uma pessoa ou um tijolo. A matéria líquida possui um volume definido, ou seja, os líquidos preenchem os espaços onde são colocados, e se adéqua ao formato de qualquer recipiente. A matéria gasosa por sua vez, não possui forma nem volume definido.

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O estado sólido, líquido e gasoso tem algo em comum, todos eles podem ser alterados se uma energia externa for acrescentada a essa matéria, por exemplo: se você colocar um bloco de gelo (estado sólido) próximo do fogo, esse gelo será irradiado pela energia de calor do fogo e passará do estado sólido para o líquido. Caso você deixe esse líquido resultante por mais algum tempo próximo do fogo, a água irá evaporar, e passará do estado líquido para o gasoso. A matéria do ponto de vista macroscópico pode ser definida como uma substância, ou seja, uma mistura de elementos que se ligam por meios físico-químico. Essas ligações podem ser quebradas por meios físicos. Desde a antiguidade, filósofos já se perguntavam de onde viemos, como foram feitos todas as coisas que existe, como por exemplo: o ar, fogo, terra, água e toda a matéria. Leucipo e Demócrito 450a.c, disseram o seguinte: “ se cortássemos a matéria em pequenos pedaços, e continuássemos cortando em pedaços cada vez menores, chegará o momento que sobrará uma partícula que não será possível sua divisão”. Em um pensamento lógico, Leucipo e Demócrito de certa forma tinham razão, pois a matéria é feito de alguma coisa, nenhuma matéria é constituída de “nada”, sendo assim a matéria só pode ser constituída de partículas indivisíveis.

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A matéria então ficou definida como sendo constituída de partículas indivisíveis, denominada Átomo, que origina-se do grego A (não) e TOMO (divisível), ou seja, não divisível. A = Não Não divisível TOMO = Divisível

Se pegarmos uma molécula de água H²O (matéria) e dividirmos, teríamos três partes, ou melhor 3 átomos indivisíveis, dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H + H + O). Os dois átomos de hidrogênio (H) são idênticos, já o átomo de oxigênio é diferente do átomo de hidrogênio. Mas, por mais que sejam diferentes os átomos de H e O, continuam sendo partículas elementares e indivisíveis. O átomo por sua vez é constituído de sub-partículas ainda menores que ele mesmo, as denominadas partículas subatômicas, como quarks, mésons, léptons e neutrinos. Porém essas sub-partículas não podem ser retirada sem que aja alteração da matéria, e sendo assim, o átomo não pode ser dividido, uma vez que, ao retirar uma de suas subpartículas o átomo é destruído.

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Toda matéria, viva ou não, é composta de partículas elementares, um elemento é a forma mais simples da matéria. Veja abaixo alguns exemplos de elementos (Átomos): - Ouro; - Prata; - Oxigênio; - Hidrogênio. Existem 118 elementos atualmente encontrados, desses, alguns são encontrados na natureza e outros foram criados pelo homem em laboratório. Dos elementos encontrados na natureza, apenas alguns são necessários para organismos vivos. A massa do corpo humano é constituída por cerca de 95% de carbono (C), oxigênio (O), hidrogênio (H) e nitrogênio (N). Na tabela 1.1 contém uma lista dos principais elementos essenciais para a manutenção de uma boa saúde. Os cientistas utilizam símbolos químicos para identificar e facilitar o reconhecimento dos elementos. O símbolo é dado por uma ou duas letras, e são referenciadas ao nome do inglês ou latim. Exemplo: Hidrogênio é reconhecido pela letra ( H ), Carbono ( C ), Oxigênio ( O ), ( Cl ) é o cloreto e o ( Na ) é o sódio.

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Tabela 1.1 Elementos essenciais para a manutenção de uma boa vida humana Elemento

Símbolo

Número atômico

Hidrogênio

Carbono

Nitrogênio

Oxigênio

Flúor

Sódio

Magnésio

Fósforo

P S K

15 16 19

Componente da água e presente na maioria dos compostos orgânicos Componente de todos os compostos orgânicos Componente de todas as proteínas, fosfolípidios e ácidos nucleicos Componente da água necessário para o metabolismo da célula Auxilia do desenvolvimento dos dentes e ossos Importante na contração muscular e condução dos impulsos nervosos Parte de importantes enzimas, necessário para ossos e dentes Importante na transferência de energia

Componente da maioria das proteínas

Cálcio

Cromo

Cr Mg

24 25

Importante na contração muscular e condução dos impulsos nervosos Importante na contração muscular ,condução dos impulsos nervosos e coagulação de sangue Auxilia no metabolismo de carboidratos

Fe Co Cu

26 27 29

Metabolismo de carboidratos e formação óssea Componente da hemoglobina

Componente na vitamina B

Zinco

Selênio

Molibidênio

Iodo

Necessário para a manutenção química do sangue Necessário para o crescimento, aquecimento e saúde como um todo Auxilia na ação da vitamina C e no metabolismo da gordura Componente das enzimas necessário para o metabolismo Componente dos hormônios da tireoide

Enxofre Potássio

Mangânes Ferro Cobalto Cobre

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Importância

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Nos organismos vivos, o composto mais abundante é a água. Cerca de 1/3 do peso corporal de um humano adulto é constituído de água. Esse composto (água) é extremamente importante porque é um bom solvente, quebra moléculas por hidrólise, absorve e transporta calor sem mudanças drásticas na sua própria temperatura. H

H H

H H O

H O

H H

Figura 1.1 ( Moléculas de água ).

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1.3 Átomos Como foi dito anteriormente, toda matéria, seja água, ar, pedra, organismos vivos, etc..., é “feita” de pequenas partícula ( unidades ) indivisíveis, chamadas de átomo. O átomo é a menor unidade da matéria, e não pode ser subdividido em partes menores sem que perca suas propriedades fundamentais. As células vivas são formadas de moléculas, algumas delas muito complexas, essas moléculas são feitas de combinações de átomos. A química é a ciência que estuda a interação entre os átomos e as moléculas. Pensando na construção de uma casa, logo nos vem a mente que precisaremos de materiais de construção, tijolos, cimento, telhas, etc..., os tijolos devem ser ligados uns com os outros por cimento para que a parede fique firme e não desabe, as telhas darão proteção contra a chuva e a entrada de raios solares, e devem também ser bem vedadas (ligadas uma com as outras ). A molécula é a junção de átomos interligados uns com os outros, assim como os tijolos são ligados pelo cimento. Essa ligação, dá estabilidade a molécula, assim como o cimento da firmeza a parede da casa. A grosso modo poderíamos dizer que os tijolos e as telhas da casa ligados uns com os outros na construção da casa seriam os átomos. Dessa mesma forma os átomos ligados uns com os outros dão origem as moléculas. Veja a figura 1.2 e 1.3. Tiago Todescatto 20

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Veja no exemplo, os tijolos e as telhas seriam “átomos”, os átomos são diferentes uns dos outros de acordo com o seu número atômico, mas todos eles tem algo em comum, são indivisíveis. Telhas ( “átomo” 2 )

Tijolos ( “ átomo 1 ) Figura 1.2 ( Materiais de construção diferentes para construção da casa )

Note agora na figura 1.3 a ligação dos átomos diferentes na formação da molécula de água.

Átomo de Hidrogênio

Átomo de Oxigênio

Átomo de Hidrogênio

Figura 1.3 ( Átomos diferentes ligados para a formação da molécula de água )

Perceba que os átomos são diferentes e indivisíveis, porém podem se “ligar” e formar uma molécula específica, como nesse exemplo a molécula de água. Tiago Todescatto 21

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Para entender como reconhecer diferentes tipos de átomos é preciso estudar suas características. Sendo assim, podemos dizer que o átomo é composto de duas partes básicas, um núcleo de localização central onde contém subpartículas de carga positiva e neutra, e uma eletrosfera em torno do núcleo que contém sub-partículas negativas girando em suas respectivas camadas eletrônicas. Núcleo do átomo: Localizado no centro do átomo, o núcleo contém diminutas partículas de carga elétrica positiva, denominadas de prótons, e partículas neutras, que como o próprio nome sugere tem carga elétrica neutra. Núcleo

Ampliação do núcleo Prótons

( carga elétrica positiva )

P+

Nêutron ( carga elétrica neutra )

Nêutron

Figura 1.4 ( Núcleo com próton e Nêutron) Tiago Todescatto 22

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Eletrosfera do átomo: Localizado em torno do núcleo do átomo, a eletrosfera é subdividida em 7 camadas eletrônicas, onde estão dispostos os elétrons de acordo com sua energia específica de ligação.

Núcleo +

Elétrons em suas respectivas camadas eletrônicas. Cada camada tem um nível de energia diferente. O elétron da camada K está mais fortemente ligados ao núcleos do que os demais, por causa da força de atração - Lei de Du fay +

1K 2L 3M

4N 5O 6P 7Q

Figura 1.5 ( Eletrosfera com 7 camadas eletrônicas )

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O átomo tem carga eletricamente neutra, pois a quantidade de carga negativa (elétron-) e positiva (próton+) são iguais, e se cancelam. Veja alguns exemplos abaixo: Átomo de Hidrogênio (H) contém 1 elétron na eletrosfera e 1 próton no núcleo. A soma de +1 e -1 = 0 1P+

Figura 1.6 ( átomo de Hidrogênio )

Átomo de Oxigênio (O) contém 8 elétrons na eletrosfera e 8 prótons no núcleo. A soma de +8 e -8 = 0

eee-

PPPP PPPP

ee-

Figura 1.7 ( átomo de Oxigênio )

Os núcleos da maioria dos átomos são estáveis, ou seja, esses átomos não participam de reações químicas ou Tiago Todescatto 24

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mudam espontaneamente sem que aja algum estímulo físico ou químico. O número de prótons dentro de um núcleo do átomo varia, podendo chegar a mais de 100 dependendo do elemento. Exemplo: O átomo de hidrogênio contém apenas 1 próton em seu núcleo, já o urânio 235 contém 92 prótons em seu núcleo. Os átomos são reconhecidos pelo número atômico, ou seja, número de prótons dentro do núcleo. Prótons e nêutrons tem aproximadamente o mesmo peso, sendo 1.840 vezes maior que o peso do elétron. O número de massa de um átomo é dado a soma de prótons e nêutrons existente no núcleo. Átomos com o mesmo número de prótons são classificados como o mesmo elemento químico, e como estudamos anteriormente, cada elemento pode ser reconhecimento por símbolos ou letras. Isso quer dizer que, todo núcleo de átomo que contém apenas 1 prótons será reconhecido como átomo de Hidrogênio, e será representado pela letra H, e se o núcleo conter apenas 8 prótons no núcleo será reconhecido como Oxigênio, representado pela letra O. Os átomos que são iguais em quantidade de prótons, porém diferentes em quantidade de nêutrons são chamados de isótopos. Tiago Todescatto 25

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Exemplo: Átomo de hidrogênio contém apenas 1 próton no núcleo

Núcleo 1P+

Figura 1.8 ( átomo de Hidrogênio )

Os isótopos de hidrogênio contém 1 próton, 1 ou 2 nêutrons. Exemplo o Deutério contém 1 próton e 1 nêutron, já o trítio contém no seu núcleo 1 próton e 2 nêutrons. Deutério e Trítio são isótopos do Hidrogênio.

1P+ 1N

1P+ 2N

Deutério

Trítio

Figura 1.9 ( Isótopos do hidrogênio )

Os isótopos de alguns elementos são extremamente importantes para pesquisa biológica, esterilização, diagnósticos e tratamentos da área médica. Tiago Todescatto 26

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1.4 Configuração eletrônica Ao redor do núcleo dos átomos contém 7 camadas eletrônicas onde estão dispostos os elétrons. Cada camada tem níveis específicos de energia e tem um limite máximo de espaços onde os elétrons poderão ficar. A camada mais próxima ( camada K ) tem um nível de energia menor e tem apenas dois espaços para os elétrons, entretanto não necessariamente esses espaços estarão preenchidos por elétrons. Por exemplo: No átomo de hidrogênio a camada K, assim como todos os átomos, tem dois espaços para os elétron, porém nesse átomo ( H ) só contém 1 elétron. e-

1P+

Espaço vázio Figura 1.10 ( Átomo do hidrogênio )

Já o átomo de oxigênio tem 8 elétrons distribuídos pelas camadas eletrônicas, ou seja, se são 8 elétrons e na camada K só tem 2 espaços pressupõe que 2 elétrons estão na camada K e o restante nas camadas remanescentes. As camadas eletrônicas são 7, onde existe limites máximos de elétrons para cada camada. Tiago Todescatto 27

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Nas camadas podem conter no máximo: Tabela 1.2 ( Número máximo de elétrons ) 1 2 3 4 5 6 7

K: 2 elétrons L: 8 elétrons M: 18 elétrons N: 32 elétrons O: 32 elétrons P: 18 elétrons Q: até no máximo 8 elétrons

Os átomos podem compartilhar elétrons, doando, recebendo ou dividindo esses elétrons para preencher sua camada mais externa. Átomos com camadas externas preenchidas são estáveis ou inertes, e tende a não reagir com outros átomos. Exemplo disso é o átomo de hélio. Esse átomo tem 2 elétrons e preenche totalmente a camada K, ou seja, os espaços estarão completamente preenchidos, por isso é considerado um gás inerte. Átomo instável é considerado aquele onde a camada externa do átomo está apenas parcialmente preenchida. Exemplo, o átomo de oxigênio contém 2 elétrons na camada K e 6 elétrons na camada L, ou seja, na camada L tem 8 espaços, se o oxigênio tem 8 elétrons nessa camada, sobraram 2 espaços vazios. Esses átomos geralmente reagem com outros átomos tentando preencher os espaços das camadas externas, ficando estáveis. Tiago Todescatto 28

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Um átomo de magnésio contém 2 elétrons na camada K, 8 na camada L e 2 na camada M. Na camada M existe 18 espaços, ou seja, sobraram 16 espaços vazios. O magnésio por conter apenas 2 elétrons na camada mais externa ( M ), e o Oxigênio por conter 2 espaços vazios na sua camada mais externa ( L ), reagem com facilidade. Nesse caso, o magnésio perde 2 elétrons e o oxigênio ganha 2 elétrons. Quando os átomos preenchem sua camada mais externa ( valência ), o resultado dessa combinação é a formação da molécula. As moléculas que são compostas por pelo menos 2 átomos diferentes, como por exemplo a molécula da água ( H²O ), são chamadas de compostos. Note que dois átomos de hidrogênio, cada um com 1 elétrons, somam 2 elétrons, que são o suficiente para preencher os espaços da camada externa (L) do átomo de oxigênio. Estudamos que os átomos tem quantidade de carga positiva e negativa iguais, deixando o átomo com carga elétrica neutra. Entretanto, os átomos podem ganhar ou perder elétrons por consequências físicas por exemplo e nesse caso o equilíbrio é alterado. Se o átomo ganha elétron, ele ficará com carga negativa, se perde elétron, ficará com carga positiva. Nesse caso o átomo está instável e é chamado de ion. “Átomo perdeu elétron” = ION positivo (+) “Átomo ganhou elétron” = ION negativo (-)

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Considere os seguintes exemplos: O sódio ( Na ) tem 11 elétrons 2 elétrons na camada K, 8 na L e 1 na M. O sódio tende a perder esse elétrons “solitário” da camada externa. Portando, ele é doador de elétrons. Nesse caso se ele tende a perder 1 elétrons, ele se tornará um ION positivo, pois a quantidade de elétrons será menor que a quantidade de prótons (positivo) dentro do núcleo, ou seja, 10 elétrons ( carga negativa ) e 11 prótons ( carga positiva ). Note que a quantidade de carga positiva é maior, por isso, será um ION positivo. Caso ganhasse um elétrons seria ION negativo. Elétrons Na 11

----------+++++++++++ 11

Prótons Elétrons

Átomo estável 10

---------+++++++++++ 11

Prótons

ION +

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1.5 Moléculas As moléculas são constituídas de átomos interligados entre si através das ligações químicas. Exemplo disso é a molécula de água ( H²O ), que nada mais é que 2 átomos de hidrogênio ligados a 1 átomo de oxigênio. Outro exemplo é a molécula de glicose ( C6H12O6 ), com 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio, todos interligados entre si. A física estuda a quebra dessas molécula por diversos fatores, como por exemplo: a quebra da molécula de água por radiação X ( Radiólise ). Na fisiologia humana, a maioria das moléculas de interesse possuem três elementos comuns: Hidrogênio, Oxigênio e carbono. Além dessas, também são encontradas o fósforo e nitrogênio em muitas moléculas biológicas. O corpo humano utiliza as moléculas de carboidratos, lipídeos e proteínas, para obter energia e constitui os componentes celulares. As moléculas de nucleotídeos ( RNA e DNA ), são componentes estruturais do material genético. As ligações das moléculas podem ser quebradas por fatores físicos, os IONS resultante das moléculas se separam e podem se “ligar” a outras moléculas, dando origem aos radicais livres. Exemplo disso é quando acontece a quebra da molécula de água ( H²O ) por radiação, os “átomos” são separados ( H + OH ou H + O + Tiago Todescatto 31

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H ou H² + O ), esses IONS “livres” podem se ligar a outras moléculas, como por exemplo: Na radiólise a molécula de água é quebrada em H² + O, se esse oxigênio (O) se ligar a outra molécula de água ( H²O ), se transformará em peróxido de hidrogênio ( H²O² ), que é um radical livre e causará vários danos as células do corpo.

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1.6 Células Humanas Desde o início da leitura desse livro o assunto principal foram átomos, tanto que já deve logo pensar: “ se tudo é feito de átomos, a célula também é feita dessas partículas elementares”. Se está pensando isso, você está coberto de razão. Lógico que a célula humana é bem complexa, tem um núcleo onde está localizado o DNA, tem também um citoplasma onde estão as organelas que participam de várias funções como síntese de proteínas, fabricação de energia, etc. Mas mesmo a célula sendo tão complexa, elas são constituídas por moléculas ( proteínas, lipídeos, carboidratos, nucleotídeos, etc... ) que divididas em partes menores irá resultar nas partículas indivisíveis, o ÁTOMO. Veja abaixo exemplos de moléculas encontradas dentro da célula humana: - Molécula de Água ( H²O ) 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio; - Molécula de RNA ( Ribose: C5H10O5 ) 5 átomos de carbono, 10 átomos de hidrogênio e 5 átomos de oxigênio; - Molécula de DNA ( Desoxirribose: C5H10O4 ) 5 átomos de carbono, 10 átomos de hidrogênio e 4 átomos de oxigênio; - Molécula de glicose ( C6H12O6 ) 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio. Note que a diferença entre as moléculas é sua fórmula molecular.

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Capítulo II Ondulatória - Estudo das Ondas

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2.1 Introdução Quando uma pessoa fala sobre ondas, a primeira coisa que vem a nossa mente é a onda do mar, logo imaginamos surfistas fazendo manobras sobre aquelas ondas oceânicas gigantes do Hawaii, ou lembramos das terríveis tempestades em alto mar e Tsunami como aquela do Japão que causaram muitos danos aos japoneses daquela região atingida. Entretanto, as ondas que estudaremos nesse capítulo é totalmente diferente daquelas que carregam o surfista até a praia. Abordaremos as propriedades e comportamentos das ondas de modo geral. O objetivo desse capítulo é relacionar as ondas com as características das radiações, facilitando assim a compreensão dos efeitos físicos, químicos e biológicos que serão abordados nos próximos capítulos.

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2.2 Características ondulatória das ondas Imagine que você está em um sítio, e tem uma piscina de água calma e parada bem na sua frente. Você pega uma pedra e lança no meio da piscina, logo irá notar pequenas ondas circulares ao redor da pedra. Isso acontece porque as ondas são criadas através de pertubações de um meio.

Figura 3.1 (Onda na água )

A pedra nesse caso causou uma pertubação na água e a energia foi propagada através da superfície da água da piscina. Se houvesse um barquinho de papel, uma folha ou um galho, você logo notaria que o objeto se movimentaria para cima e para baixo, mas a onda não deslocaria o objeto para longe. Isso acontece porque a propagação da onda é de apenas energia, sem transporte de matéria. O objeto irá subir e descer de acordo com o movimento da água

Figura 2.1 ( Propagação de energia na onda ) Tiago Todescatto 36

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Uma onda é uma excitação do meio ou do espaço que resulta na propagação de energia no vácuo ou em meios materiais, sem transporte de matéria. As ondas eletromagnéticas e gravitacionais é um exemplo de propagação de energia que não necessitam de um meio material, ou seja, pode se propagar no vácuo. Entretanto, existe ondas que só se propagam em meios materiais, exemplo disso são as ondas sonoras, que se propagam em meios líquidos (água), sólidos (trilho de trem) e gasosos (ar), porém nunca no vácuo. Ondas propagando na água é fácil de visualizar, porém existe outras ondas que não conseguimos notar a olho nu, como por exemplo, ondas de rádio, raios X, raios gama e outros. A luz é uma onda eletromagnética que se propaga tanto no vácuo quanto em meios materiais, entre tantas ondas que estão no nosso dia a dia, assim como a luz, podemos citar: As ondas de rádio ( AM, FM ), Microondas, Infravermelho, etc. Existe algo em comum entre essas ondas citadas anteriormente, é que todas elas são energias que se propagam no vácuo ou em meios materiais, sem transportar matéria. As ondas podem ser classificada quanto a sua natureza em: - Ondas Mecânicas - Ondas Eletromagnéticas Tiago Todescatto 37

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2.3 Ondas Mecânicas As ondas mecânicas tem algumas particularidades, umas delas é seu “meio” de propagação. Esse tipo de ondas só transporta sua energia de um ponto a outro se houver um meio material para sua propagação. Podemos citar como exemplo, as ondas sonoras. O som (onda mecânica) não se propaga no vácuo, e para notar tal fenômeno, basta fazer experimentos simples, como por exemplo colocar um despertador daqueles barulhentos dentro de recipiente a vácuo. Nesse experimento, não haverá som, pois suas ondas não poderá ser propagada. Recipinte a vácuo

12 9

Despertador

3 6

Figura 2.2 ( Despertador dentro de um recipiente a vácuo )

A propagação das ondas mecânicas requer um meio material para transportar sua energia cinética e potencial. A velocidade de propagação dependerá da elasticidade do meio, ou seja, se as ondas estão se propagando em meios sólidos, líquidos e gasosos.

Tiago Todescatto 38

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Outro exemplo do som (ondas mecânicas): Ao tocar uma corda do violão, uma onda sonora é produzida e propagase através do ar, até os nossos ouvidos.

Figura 2.3 ( Propagação das ondas mecânicas do som do violão ) Se um astronauta levasse um violão para o espaço sideral, onde o vácuo é predominante, para tocar uma música, nem ele, nem ninguém ouviria o áudio tocado.

A velocidade de propagação das ondas mecânicas dependerá do meio, essa velocidade é muito baixa se comparada com as ondas eletromagnéticas. Por exemplo, no ar a 0°C, a velocidade do som é de aproximadamente, 330 metros por segundo, enquanto que a luz se propaga a uma velocidade de aproximadamente, 300 mil quilômetros por segundo, nesse mesmo material e com a mesma condição. Ondas sonoras são ondas mecânicas longitudinais que se propagam no ar. A velocidade do som no meio ambiente é de 344m/s a uma temperatura de 20°C.

Tiago Todescatto 39

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2.4 Velocidade do som As ondas sonoras ( ondas mecânicas - longitudinais ) se propagam com velocidade alterada em determinados tipos de materiais. Abaixo segue alguns exemplos de velocidades do som em alguns tipos de materiais. - Nos sólidos Aço: 5941m/s Alumínio: 6420m/s Chumbo:1960m/s - Líquidos Água (0°): 1402m/s Água (100°): 1543m/s Mercúrio(20°):1451m/s - Gases Ar(20°): 344m/s Hélio(20°): 999m/s Hidrogênio (20°)1330m/s

Tiago Todescatto 40

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2.5 Ondas Eletromagnéticas Diferente das ondas mecânicas, as ondas eletromagnéticas não necessitam de um meio material para se propagar. Essas ondas podem se propagar tanto no vácuo quanto em alguns meios materiais. Foi citado anteriormente sobre as ondas sonoras, quando nos comunicamos ou cantamos, produzimos sons. A voz é uma onda mecânica (energia sonora) que se propaga através dos gases do meio (ar). A luz por sua vez é uma onda eletromagnética, ou seja, não precisa de uma meio material para se propagar. Se fizermos o mesmo experimento, trocando apenas o despertador por uma lâmpada acesa dentro do vácuo, nós conseguiríamos ver a luz dentro do recipiente, diferentemente do som que não conseguiríamos ouvir. Recipinte a vácuo

Lâmpada acesa

Figura 2.4 ( Propagação das ondas eletromagnéticas da luz no vácuo)

Para que um cientista que está na terra possa se comunicar com um astronauta que está na Lua, é preciso que seu Tiago Todescatto 41

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rádio transmissor, transforme sua voz (ondas mecânicas), em ondas eletromagnéticas. Essa onda eletromagnética irá se propagar pelo espaço (vácuo) até chegar aos ouvidos do astronauta, ao voltar a resposta, a conversão será oposta, ou seja, a voz chegará a terra como ondas mecânicas, dessa forma o cientista conseguirá ouvir o astronauta. Exitem vários tipos de ondas eletromagnéticas. Essas ondas podem ser identificadas e relacionadas como alta ou baixa energia de acordo com a sua frequência e comprimento de onda que estão inseridas no espectro eletromagnético. Existe um limite de ondas visíveis, ou seja, aquelas que identificamos em cores, que estão na sequência: Visível: Comprimento de ondas visíveis ( Vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta ). Invisível: Comprimento de ondas longas no sentido decrescente ( Ondas de rádio, microondas, infravermelho ), Comprimento de ondas curtas no sentido decrescente ( ultravioleta, raios x e gama ).

Tiago Todescatto 42

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2.6 Espectro Eletromagnético O espectro eletromagnético é um gráfico que mostra a sequência das ondas eletromagnéticas de acordo com sua frequência e comprimento de ondas. Comprimento de Ondas Longos

Comprimento de Ondas Curtos

Comprimento de onda Ondas de Rádio

Microondas

Infravermelho

Luz visível

Ultravioleta

Raio X

Raios Gama

Alta frequência de onda

Baixa frequência de onda

Utilizado na iluminação, sinalização, etc... Utilizado em alguns tratamentos fisioterápicos Aquisições de imagens médica ( Ressonância Magnética )

Aquisições de imagens médica ( Radiologia convencional, digital e tomografia TC )

A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda. - Quanto maior a frequência, menor será o comprimento de onda. - Quanto menor a frequência, menor será seu comprimento de onda.

Figura 2.5 ( Espectro eletromagnético ) Tiago Todescatto 43

Aplicações na radioterapia para destruição de tumores, na medicina nuclear na aquisição de imagens médicas e na radiologia indústrial na aquisição de imagens de objetos.

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2.7 Componentes básicos das ondas As ondas eletromagnéticas tem algumas características importantes que irão definir por exemplo sua frequência, comprimento de onda, período e direção de propagação. Com essas informações resultante podemos dizer por exemplo se a radiação X é mais ou menos penetrantes do que a radiação Gama. Isso porque o poder de penetração da radiação está diretamente relacionada com o comprimento de onda das radiações. Podemos também verificar com os dados coletados sobre a frequência e comprimento de onda e dizer se a radiação é ou não ionizante.

Comprimento da onda Crista da onda

Crista da onda Tempo entre duas cristas Vale da onda

Crista da onda

Tempo entre duas cristas Vale da onda Comprimento da onda

Figura 2.6 ( Partes fundamentais de uma onda ) Tiago Todescatto 44

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Como visto na figura 2.6, uma onda é composta basicamente de: - Crista ( amplitude superior da onda ) - Vale ( amplitude inferior da onda )

Amplitude

A Ponto médio da vibração

Amplitude

A Figura 2.7 ( Amplitude da onda )

A = amplitude da onda (distância entre o ponto médio da vibração e a crista ou vale). A distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos é denominada comprimento de onda, sendo representado pela letra grega lambda ( λ ). Crista

Comprimento da onda

Vale

Crista

Comprimento da onda

Crista

Vale

Figura 2.7 ( Comprimento da onda ) Ao medir esse comprimento de onda, é possível identificar no espectro eletromagnético se essa energia é ou não ionizante, desde ondas de rádio até raios gama. Tiago Todescatto 45

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É possível também identificar o período das ondas. Período da onda ( T ) O período é o tempo em que duas cristas ou dois vales consecutivos passem por um ponto, ou seja, quando uma onda completa passa por um ponto. Veja a fígura abaixo: Ponto

Mesmo Ponto

Tempo ( período )

Início do ciclo da onda

Término do ciclo da onda

Mesmo Ponto

Ponto

Figura 2.8 ( Período da onda )

Imagine que uma onda deu início nesse exato momento. Quando uma crista ou vale passar por um ponto comece a contar quanto tempo outra crista ou vale irá passar por esse mesmo ponto, aí você terá o período da onda (s). Início do ciclo da onda

Término do ciclo da onda

1 , 2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 segundos ( período )

Figura 2.9 ( Período da onda em segundos ) Tiago Todescatto 46

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A frequência da onda é uma característica muito importante e é inversamente proporcional ao comprimento de onda, ou seja, quando a frequência é alta (longa), o comprimento de onda é curto, e quando a frequência é baixa (curta), o comprimento de onda é longo. É muito importante saber essas informações, pois saberá quais radiações é ou não ionizante, uma vez que ondas longas ( ondas de rádio ) tem baixa frequência e comprimento de onda longo ( radiação não ionizante ). Já os raios X tem frequência alta e comprimento de onda curto ( radiação ionizante ). Frequência da onda ( f ): É a quantidade de cristas ou vales consecutivos (ciclos completos) que passam por um mesmo ponto, em uma unidade de tempo. Veja a figura abaixo: Ponto Mesmo Ponto Quantidade ( 2 cristas ) 1Hertz Início do ciclo da onda

Término do ciclo da onda

Figura 2.10 ( Frequência da onda em Hertz )

Observe que 2 cristas passam por um mesmo ponto em 1 segundos. Poderia passar 100, 1000, 10000 etc... ciclos por esse ponto em 1 segundo. A unidade internacional utilizada para frequência é dada em Hertz. Uma crista passando em um ponto equivale a 1Hz em 1 segundo, 100 ciclos de onda é igual a 100Hz em 1 segundo, e assim por diante. Tiago Todescatto 47

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2.8 Equação fundamental da ondulatória A equação fundamental da ondulatória é de extrema importância para realização dos cálculos de frequência, período e comprimento de onda. Como foi citado anteriormente a frequência, período e comprimento de onda é de extrema importância para que seja definido o tipo de radiação e suas características. É previsível que as ondas se desloquem com velocidade contínua, pois a mesma transporta apenas energia em seu movimento, sem transporte de matéria. Logo, a expressão de deslocamento

é válida.

nós representaremos por lambda (λ) comprimento de onda.

= será representado por ( T ) período da onda. v = será representado por velocidade de propagação da onda. Veja as fórmulas abaixo, essas representam as equações da ondulatória.

Essas fórmulas são válidas para todos os tipos de onda.

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Unidade internacional para período ( segundos: s ) 1 segundo; 1 minuto ( 60 segundos ); 1 hora ( 60 minutos ou 3.600 segundos ); 1 dia ( 24 horas ou 1440 minutos ou 86.400 segundos ) 1 ano ( 365 dias ou 8.760 horas ou 31.536.000 segundos ) Etc... Unidade internacional para frequência ( Hertz: Hz) 1Hz 1000 Hz ( 1Khz ) quiloherz 1000000 ( 1Mhz ) megaherz 1000000000 ( 1Ghz ) gigaherz Etc... Unidade internacional para comprimento de onda ( metro: m) 1mm ( 0,001m ) 1cm ( 0,01m ) Etc... Tiago Todescatto 49

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Unidade internacional para velocidade da onda ( metros por segundo: m/s ). 1m/s 100m/s 1000m/s Etc... Exercícios Para realização dos cálculos é preciso ter pelo menos um desses fatores: velocidade, frequência, período ou comprimento de onda. 1) Qual a frequência de ondas, se a velocidade desta onda é de 195m/s, e o seu comprimento de onda é de 1cm? 1cm=0,01m

Observe primeiro o que pede o enunciado. Segundo escolha a fórmula adequada. Terceiro, associe os números do enunciado com as letras da fórmula. Na próxima página siga a sequência...

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O enunciado dessa primeira questão, o autor quer saber a frequência de onda. foi dado a velocidade: 195m/s e o comprimento de onda: 1cm que é igual a 0,01 metro. Organize antes de começar os cálculos: f=? v = 195m/s = 1cm ( 0,01 m ) todos os valores devem ser convertidos para a unidade internacional. λ

Pronto, agora é só montar a fórmula. Se o enunciado quer a frequência, logo você irá escolher a fórmula que começa com frequência antes da vírgula (f). Na fórmula também deverá conter, comprimento de onda e velocidade, pois o enunciado já deu esses valores. Logo a fórmula escolhida será: Perceba que 1cm foi convertido em 0,01 metro, assim foi utilizado a unidade internacional (metro).

f = 195 / 0,01 R: f = 19500Hz ou convertido, ficará: 19.5Khz veja nas próximas págs. Outros exercícios

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Física Radiológica - Radiologia 2 ) Qual a velocidade da onda, se a frequência desta onda é de 42.570Mhz ( 42.570000000Hz ), e o seu comprimento de onda é de 1cm? 1cm=0,01m.

Se o enunciado quer a velocidade da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com velocidade antes da vírgula (v). Na fórmula também deverá conter, comprimento de onda e frequência, pois o enunciado já deu esses valores. Logo, a fórmula escolhida será:

v=? λ

= 0,01 metro

note que 1cm foi convertido em 0,01 metro, e 42.57Mhz foi convertido em 42.57000000Hz. assim foi utilizado a unidade internacional.

f = 42.57000000Hz v = 0,01 . 42.570000000 v = 425.700.000m/s você poderá deixar em notação científica, para isso você deverá deslocar a vírgula até que o valor fique entre 1 e 9. Será deslocado 8 vírgula para a esquerda, o que resultará em: Resposta: 4,257. 108 m/s

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Física Radiológica - Radiologia 3 ) Você irá fazer um tratamento radioterápico com radiação gama, porém antes de disparar a radiação você pensa: será qual o comprimento de onda dos raios gama que irá tratar esse paciente? Você tem uma informação importante sobre essas 21 ondas, a mesma tem uma frequência aproximada de 10 Hz e 8 essa radiação se propaga na velocidade da luz 3,0 . 10 m/s. Qual será o comprimento de onda da radiação gama que tratará o tumor do paciente?

Se o enunciado quer o comprimento da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com período de onda antes da vírgula ( T). Uma vez encontrado o período, utilize a fórmula para encontrar o comprimento de onda:

para encontrar período T = 1 / 1.1021 T = 1.10-21

para encontrar o comprimento de onda λ = 3,0 . 10

. 1. 10-21

λ = 0,00000000000003μm ou em notação científica: 13

R: λ = 3.10- μm ( Micrômetro ) isso é um milésimo do milímetro Tirando a prova -

v = 3 . 10 13 m . 1.10

( -13 + 21 = 8 )

v = 3,0 . 108 m/s ( velocidade da luz ) Tiago Todescatto 53

Física Radiológica - Radiologia 4) Qual o período da onda, se a velocidade desta onda é de 180m/s, e o seu comprimento de onda é de 2cm? 1cm=0,02m

Se o enunciado quer o período da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com período de onda antes da vírgula ( T). Na fórmula também deverá conter, velocidade de onda e frequência, pois o enunciado já deu esses valores. Logo, a fórmula escolhida será:

para cálculo de frequência e

para cáculo do período

f = 180 / 0,02 f = 9.000Hz

T = 1 / 9.000 Resposta: T = 0,111s

Tiago Todescatto 54

( 9.10³ Khz )

Física Radiológica - Radiologia 5) Você está parado, em um cruzamento, esperando que o sinal vermelho fique verde. A distância que vai do seu olho até o sinal é de 10 metros. Essa distância corresponde a vinte milhões de vezes o comprimento de onda da luz emitida pelo sinal. Usando essa informação, você poderá concluir, corretamente, que a frequência da luz vermelha é, em hertz.

O enunciado está explicando que a distância do seu olho até o sinal é de 10 metros, e que essa distância corresponde a 20.000.000 ( 20. 106 ) o comprimento de onda do sinal. Logo, ficará: λ

= 10 / 20.106

= 0,5 . 10-6 em notação científica ( 5.10-7m )

a luz vermelha é uma onda eletromagnética de velocidade da luz, aproximadamente: 3.108. Logo, você terá que utilizar a fórmula:

f = 3.108 / 5.10-7 f = 0,6 . 1015 Hz Em notação científica: f = 6 . 1014 Hz Resposta: A frequência da luz vermelha é: 6 . 1014 Hz Faixa de luz visível

Tiago Todescatto 55

Física Radiológica - Radiologia 6 ) Você irá fazer um exame de raios X, porém antes de disparar a radiação você pensa: será qual o comprimento de onda dos raios X?. Você tem uma informação importante sobre essas 19 ondas, a mesma tem uma frequência aproximada de 10 e se 8 propaga na velocidade da luz 3,0 . 10 . Qual será o comprimento de onda da radiação que você fará a imagem radiográfica?

para encontrar período T = 1 / 1.1019 T = 1.10-19

para encontrar o comprimento de onda λ = 3,0 . 10

. 1. 10-19

λ = 0,000000000003Å ou em notação científica: 11

R: λ = 3.10- Å ( Ângstrom ) isso é um décimo do nanômetro Tirando a prova -

v = 3 . 10 11 m . 1.10

( -11 + 19 = 8 )

v = 3,0 . 108 m/s ( velocidade da luz ) Tiago Todescatto 56

Física Radiológica - Radiologia 7 ) Qual o comprimento de onda utilizado nos sistemas de Ressonância Magnética, se a frequência desta onda é de 42.570Mhz ( 42.570000000Hz ), e sua velocidade é 3. 108 m/s.

para encontrar período T = 1 / 42.570.106 T = 2.349072117

para encontrar o comprimento de onda λ = 3,0 . 10

. 2,349072117 Ondas de rádio: Radiação não ionizante. Não há estudos científicos até o presente momento (2016) que indicam danos biológicos no corpo humano

λ = 7.047216351 ou em notação científica:

R: λ = 7.047216351m ( note que o comprimento de onda é longo: metro ) Tirando a prova 7

v = 7.047216351 . 4.2570 . 10

( 30 . 10 )

Notação científica 3,0 . 108 v = 3,0 . 108 m/s ( velocidade da luz ) Essa é a frequência de precessão de um prótons de hidrogênio a campos magnéticos de 1Tesla, conhecida como frequência de Larmor. Os exames de ressonância magnética só é possível ser realizados por causa dessa descoberta. ( frequência 42,570Mhz ).

Tiago Todescatto 57

Física Radiológica - Radiologia 8 ) Sabendo que a velocidade do som no ambiente com temperatura de 20°C é de 344 m/s, calcule o comprimento dessa onda no ar a 20°C, com frequência (f) = 262 Hz.

Se o enunciado quer o comprimento da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com comprimento de onda antes da vírgula .

para encontrar o comprimento de onda T = 262s λ = 344 . 262 Essa é a frequência (262Hz) aproximada de um

λ = 1,31m

acorde de Dó em um piano.

9 ) Sabendo que o comprimento de onda é de 0,328m, e que a velocidade do som no ambiente com temperatura de 20°C é de 344 m/s, calcule a frequência dessa onda sonora.

Se o enunciado quer a frequência da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com frequência da onda antes da vírgula .

Para encontrar a frequência da onda

λ = 0,328m

v = 344m/s R: f = 344 / 0,328

Tiago Todescatto 58

f = 1048Hz

Física Radiológica - Radiologia 10 ) Sabendo que a velocidade do som na água é de 1480m/s, determine o comprimento de onda sonora utilizados por navios para detectar onjetos submersos. A frequência da ondas utilizadas é de aproximadamente 262Hz.

Se o enunciado quer a frequência da onda, logo você irá escolher a fórmula que começa com frequência da onda antes da vírgula .

Para encontrar o comprimento da onda

λ=?

v = 1480m/s R: λ = 1480 / 262

Tiago Todescatto 59

λ = 5,64m

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Se você conseguiu entender todos os exercícios, provavelmente já sabe que o que é comprimento de onda longo e que esses tipos de onda faz parte da radiação não ionizante, como por exemplo: luz visível, microondas, infravermelho, ondas de rádio, tv, radar etc... Uma onda de rádio chega ser tão longa que seu comprimento é medido em metro. Veja abaixo o exemplo de uma onda de radiofrequência Comprimento da onda

7.047216351m

Figura 2.11 ( ondas de radiofrequência )

Você também já sabe que a radiação ionizante tem comprimento de ondas muito curtas. Muito muito mesmo! Veja abaixo o exemplo de uma onda de raios X Comprimento da onda 11

λ = 3.10- Å Raios X e gama: Radiação ionizante. Estudos científicos indicam que exposições excessivas a esse tipo de radiação causam danos biológicos as células do corpo humano.

Figura 2.11 ( Comprimento de onda do RX ) Comprimento muito curto e extremamente penetrante no tecido humano ( radiação ionizante ): 0,000000000003.

Tiago Todescatto 60

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2.9 Ondas transversais É toda onda ao qual sua vibração é perpendicular a sua propagação. Exemplo:

Vibração transversal

Se você pegar uma corda, amarrar uma das pontas em um suporte na parede, segurar na outra ponta, e começar fazer movimentos para cima e para baixo, logo notará ondulações na corda. O movimento que você faz na corda para cima e para baixo é chamado de movimento de vibração transversal.

Direção de propagação

Figura 2.12 ( Ondas transversais )

Note que a direção de vibração das ondas é perpendicular a sua direção de propagação das ondas formadas. As ondas eletromagnéticas, como: ondas de rádio, Luz visível, raios x, etc..., são ondas transversais, assim como a onda formada na corda.

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2.10 Ondas Longitudinais É toda onda (energia) ao qual sua vibração é paralelo a sua propagação. Exemplo: Se você pegar uma mola, fixar uma das pontas em um suporte na parede, segurar na outra ponta, e começar fazer movimentos para frente e para trás, logo, notará a onda se propagando na mesma direção do movimento de vibração. direção de propagação da energia

Compressão

Direção da vibração

Rarefação

Compressão

Figura 2.13 ( Ondas longitudinais )

Note que a direção de vibração das ondas é paralelo a sua direção de propagação das ondas formadas. Note também que tem partes da mola que está comprimida ( ondas de compressão ), e outras partes estão distendidas ( rarefação ). Tanto a compressão, quanto a rarefação se propagam na mesma direção. As ondas sonoras são exemplos de ondas longitudinais, pois sua vibração é paralelo a sua direção de propagação. Tiago Todescatto 62

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2.11 Direção de propagação da onda Podemos classificar as ondas quanto a sua direção de propagação. Como foi citado anteriormente, as ondas podem ter suas vibrações perpendiculares a propagação ( ondas transversais ), exemplo: ondas de rádio, infravermelho, raios x, etc..., e vibrações são paralelas a sua propagação da onda ( ondas longitudinais ), exemplo: ondas sonoras, ondas na mola, etc..., e tem também aquelas que se comportam como ondas transversais e longitudinais simultaneamente, ou seja, com direção de vibração vertical e longitudinal em uma mesma onda, exemplo, ondas na água. Sabendo essas informações, podemos classificar as ondas quanto a sua propagação, como: - Unidimensionais: são aquelas em que as ondas se propagam em uma única direção. Exemplo: ondas na corda, ondas na mola.

Direção de propagação

Figura 2.14 ( Ondas transversais e longitudinais ) Tiago Todescatto 63

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- Bidimensionais: são aquelas em que as ondas se propagam em duas direções. Exemplo: ondas na água causada por uma pertubação do meio ( uma pedra jogada no meio da água ).

Figura 2.15 ( Ondas na água )

- Tridimensionais: são aquelas em que as ondas se propagam em todas as direções. Exemplo: a Luz e o Som.

Figura 2.16 ( Ondas eletromagnéticas “LUZ” e ondas mecânicas “SOM” ) Tiago Todescatto 64

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2.12 Reflexão de ondas Na superfície de um fluído, a reflexão das ondas obedece as mesmas leis da reflexão de ondas em meios contínuos. Exemplo: Reflexão da luz. A reflexão é entendida como um ou mais ondas ( soma de ondas ), de igual período, que se propagam em sentidos opostos. Podendo ser parcial ou total. A onda terá sempre um ângulo de reflexão igual as ondas incidentes, ou seja, se a onda incide obliquamente em um ângulo de 45°, sua reflexão será de ângulo de 45°. Veja o exemplo abaixo da luz. Onda incidente ( luz )

Reflexão da onda ( luz )

Figura 2.17 (Reflexão da luz no espelho)

Acontece sempre que uma onda incide sobre um obstáculos e ao retornar ao meio de propagação, mantemse as mesmas características da onda incidente. A velocidade, independentemente do tipo da onda permanece inalterada após a reflexão, uma vez que essa onda continua a se propagar no mesmo meio.

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- Reflexão das ondas As reflexões unidimensionais, deve ser estudadas de modo separado, de acordo com os movimentos de oscilação que mudam se estiver presas em extremidade fixa ou livre. Veja abaixo uma oscilação em extremidade fixa: Se você prender um corda em um ponto fixo na parede, e começar a fazer movimentos de pulso ( toques rápidos para baixo ), formará uma “meia onda” na corda, como mostra a figura 2.17. “ toque “ rápido para baixo e mantém a corda em linha reta Extremidade fixa

Figura 2.17 ( Reflexão de ondas unidimensionais )

Essa “meia onda” irá atigir o ponto fixo da parede, a força incidente aplicada irá sofrer uma repulsão sobre a corda em forma de ECO, porém no sentido inverso, gerando um reflexão ( pulso refletido ), como mostra a figura 2.18.

Pulso refletido

Figura 2.18 ( Reflexão de ondas no sentido inverso ) Tiago Todescatto 66

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Nesse caso, o pulso é refletido de modo inverso, e é geralmente chamado de inversão de fase. Veja abaixo uma oscilação em extremidade livre: Considere uma corda presa por um anel a uma haste vertical, com movimento para cima e para baixo sem obstáculos. Nesse caso, ao realizar um pulso na corda ( “meia onda” ), esse pulso incidente atingirá o anel, e o pulso refletido será no mesmo sentido da aplicação. Como mostra a figura abaixo: “ toque “ rápido para baixo e mantém a corda em linha reta Extremidade livre

Figura 2.19 ( Reflexão de ondas com extremidade livre )

abaixo: Extremidade livre

Figura 2.20 ( Reflexão de ondas no mesmo sentido da aplicação ) Tiago Todescatto 67

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Nesse caso não há inversão de fase, uma vez que o pulso refletido executa os mesmos movimentos, porém no sentido contrário, como mostra a figura 2.20.

- Reflexão das ondas de rádio A ondas de rádio ( ondas longas ) podem refletir em alguns tipos de obstáculos, porém nem todos. Para que esse fenômeno de reflexão aconteça com eficiência, as dimensões do obstáculo devem ser maiores que a do comprimento de onda dessa onda de rádio.

Propagação

Reflexão

Figura 2.22 ( Reflexão da ondas de rádio )

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Se o comprimento de onda for muito longa, ou seja, maior que o obstáculo, não haverá reflexão, pois a mesma irá contorna-lo. Veja a figura abaixo Propagação

Obstáculo menor que o comprimento de onda

Figura 2.23 ( Ondas longas contornado o obstáculo )

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- Reflexão das ondas do som Assim como as ondas de rádio ou qualquer outra onda, as ondas sonoras, ao atingirem um obstáculo maior que seu comprimento de onda, como uma parede, são refletidas. Lembra da reflexão por inversão de fase mencionado anteriormente? A reflexão do som acontece por inversão de fase, tendo sua onda refletida com a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda do som incidente. O eco é um dos efeitos de reflexão mais conhecidos do som. Obstáculo Propagação

Reflexão

Figura 2.24 ( Reflexão das ondas do som)

As ondas sonoras são aplicadas nos exames de ultrassonografia para visualização de tecidos internos do corpo humano. A reflexão do som na ultrassonografia é o Tiago Todescatto 70

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princípio físico fundamental na aquisição de imagens das paredes dos vasos, músculos e órgãos internos. As ondas sonoras são ondas longitudinais, ou seja, a vibração da onda é paralela a sua propagação. a medida que as ondas se propagam, vão sendo atenuadas, dispersadas e refletidas ( produção de ECOS ) de acordo com o tipo de tecido estudado. A velocidade do som se altera ao se propagar em diferentes tecidos do corpo. Isso significa, que é obrigatoriamente necessário saber a velocidade do som no tecido específico que será estudado, para se aplicar métodos de ecos pulsados. Por exemplo: Para os tecidos moles do corpo foi estabelecido uma velocidade média de 1.540 m/s. As faixas de som audíveis ao ser humano fica entre 20Hz e 20.000Hz ( 20KHz ). Os sistemas de ultrassom utiliza uma frequência de onda acima desses 20KHz.

- Superposição de ondas ( interferência ) O fenômeno que acontece quando duas ou mais ondas se encontram, gerando uma onda resultante igual à soma algébrica das pertubações de cada onda, é denominada Superposição de ondas, também chamada de interferência em alguns casos.

Tiago Todescatto 71

Física Radiológica - Radiologia

Imagine uma corda esticada na horizontal ( extremidade livre ) Corda esticada na horizontal

Quando você começa fazer movimentos na corda, pulsos são produzidos. Extremidade livre

Quando as ondas chegam até a extremidade livre, as ondas refletem e seguem na direção oposta.

Veja a superposição das ondas na próxima pág

Figura 2.25 ( Reflexão das onda no sentido contrário )

Tiago Todescatto 72

Física Radiológica - Radiologia Imagine que você continua a causar perturbação na corda provocando repetidos pulsos. Os novos pulsos se encontrarão com os pulsos refletidos pela extremidade livre.

Ao se encontrarem essas ondas se somarão, formando a soma de duas amplitudes: Pulso resultante A2 A1

Após essa soma de amplitudes, as ondas seguirão sua direção com o tamanho da amplitude e suas características iniciais inalteradas.

Este tipo de superposição é denominado interferência construtiva.

Figura 2.26 ( Superposição de onda – interferência construtiva ) Tiago Todescatto 73

Física Radiológica - Radiologia

Imagine uma corda esticada na horizontal ( extremidade fixa ) Corda esticada na horizontal

Quando você começa fazer movimentos na corda, pulsos são produzidos. Extremidade fixa

Quando as ondas chegam até a extremidade fixa, as ondas refletem e seguem na direção contrária ( inversão de fase ).

Figura 2.27 ( Reflexão de onda – inversão de fase ) Veja a superposição das ondas na próxima página

Tiago Todescatto 74

Física Radiológica - Radiologia Imagine que você continua a causar perturbação na corda provocando repetidos pulsos. Os novos pulsos se encontrarão com os pulsos refletidos do lado contrário ( invertidos ).

A1 A2

Ao se encontrarem essas ondas se somarão, formando a soma de duas amplitudes: Pulso resultante Mesma frequência e mesma amplitude resulta em uma amplitude nula.

A1 A2

Após essa soma de amplitudes, as ondas seguirão sua direção com o tamanho da amplitude e suas características iniciais inalteradas.

A1 A2 Este tipo de superposição é denominado interferência destrutiva.

Figura 2.28 ( Superposição de onda – interferência destrutiva ) Tiago Todescatto 75

Física Radiológica - Radiologia - Ressonância

Anteriormente, foi mencionado a superposição das ondas e isso explicará o fenômeno da ressonância. Quando um sistema recebe energia por meio de excitação de frequência igual a sua frequência natural de vibração, acontece o fenômeno da ressonância. Uma vez que o sistema começa a vibrar na mesma frequência de ondas daquele que perturba esse meio, haverá uma superposição das ondas, aumentado cada vez a amplitude da onda. Tudo que há na natureza possui uma frequência natural, ou seja, se recebe uma frequência exatamente igual entrará em ressonância. Assim, o objeto excitado com mesma frequência (ressonância), ganha energia, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores. Em 1940, aconteceu um caso muito famoso na ponte Tacoma Narrows – Estados Unidos. No dia 7 de novembro desse ano, ventos fortes começaram a soprar com frequência igual a frequência natural da ponte, isso fez com que as amplitudes das ondas aumentassem tanto, que a vibração acabou fazendo com que a estrutura da ponte não suportasse e se rompesse. Esse acontecido foi considerado falha humana, pois os ventos nessa frequência naquela região são frequentes. Os engenheiros deveriam analisar e calcular tais fenômenos Tiago Todescatto 76

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naturais antes da construção da ponte. Após esse incidente, as normas na construção civil foram alteradas. Imagine que a frequência de oscilação natural dos átomos do copo de vidro fosse igual ao gráfico abaixo: A

f Figura 2.29 ( Propagação da onda )

Agora imagine uma pessoa com uma voz muito aguda gritando com uma frequência exatamente igual a frequência de oscilação desses átomos do copo de vidro. Ao ser excitado por essa mesma frequência, a amplitude das ondas aumentam. A A2 A1

f Figura 2.30 ( Superposição de onda – interferência construtiva )

Haverá uma superposição das ondas causando vibração dos átomos desse copo, podendo até causar danos, como a quebra o copo, assim como a ponte de Tocama Narrows.

Tiago Todescatto 77

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- Natureza dual luz O ramo da física que estuda o comportamento da luz e de outras ondas eletromagnéticas é chamado de Ótica. O estudo desses fenômenos nos permite entender o funcionamento do olho humano, os dispositivos tais como telescópios, microscópios, óculos, o azul do céu, o verde das florestas e as diversas cores do arco-íris. Várias tecnologias como computadores óticos, laser e novas técnicas de obtenção de imagens médicas, utilizam os mesmos princípios da ótica. Desde a antiguidade o homem teve a ambição construtiva de explicar a natureza da luz, até a época de Issac Newton ( 1642 – 1727 ) a luz era imaginada por cientistas como um feixe minúsculo de partículas, ou seja, de natureza corpuscular. Vários pesquisadores da época inclusive Galileu, tentaram sem êxito medir a velocidade da luz. As primeiras evidências das propriedades ondulatória da luz surgiu em torno de 1665. No século XIX, a natureza ondulatória da luz já tinha fortes evidências e começou convencer muitos cientistas. Por mais que as evidências estivessem fortes sobre a natureza ondulatória da luz, mesmo depois de James Maxwell ter feito previsões da existência das ondas eletromagnéticas e calculou a velocidade de propagação dessas ondas, essas informações não eram suficientes para explicar tudo sobre a luz. Alguns fenômenos da luz só podem ser explicado utilizando a natureza ondulatória e outras a natureza corpuscular. Por Tiago Todescatto 78

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isso, esses fenômenos que pareciam contraditórios foram conciliados para explicar simultaneamente os dois fenômenos. A propagação da luz é aceita e explicada como de natureza ondulatória, já para explicar a absorção e emissão é necessário considerar a natureza corpuscular. As cargas elétricas aceleradas são as fontes fundamentais de todos os tipos de ondas eletromagnéticas. Radiação eletromagnética pode ser emitida por qualquer corpo, sendo resultado de movimento térmico das moléculas. Experimente colocar um ferro em uma temperatura muito alta, logo notará que uma luz vermelha – alaranjada irá se formar ( luminosidade ). A luminosidade ( luz ) também pode ser produzida através de ionização de gases por descargas elétricas, por exemplo: lâmpadas azuis, laranjas e outras diversas lâmpadas emitidas nos casinos em Las Vegas. Em 1676, o astrônomo dinamarquês, Ole Romer mediante a observação de um dos satélites de Júpiter, demonstrou que a velocidade da luz não era infinita. No ano de 1849, o cientista francês Armand Fizeau, realizou a primeira medida bem sucedida da velocidade da luz. Vários outros cientistas, como Jean Foucault, Albert Michelson nos Estados Unidos refinaram os experimentos posteriormente. Desde 1983, várias medidas foram realizadas e o valor mais provável até os dias atuais (2016) da velocidade da luz é de: c = 2,99792458 . 10

Tiago Todescatto 79

utilizado para cálculos ( 3.0 10 ).

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Em 1990, o físico alemão Max Planck, introduziu o conceito de quantização de energia através de cálculos para fazer a previsão da distribuição de energia em função do comprimento de onda no espectro da radiação dos corpos quentes. Einstein, em vez disso, aplicou esse conceito para analisar o efeito fotoelétrico, nesse processo, elétrons recebem energia da luz e são liberados de uma superfície. O elétron da superfície absorve um fóton e ganha energia suficiente para ser ejetado da superfície. Einstein supôs que um fóton individual tinha energia proporcional a frequência da luz. Essa constante foi denominada: Constante de Planck.

energia de um único fóton A constante de Planck é dada por:

Portanto, a dualidade da luz ( dupla personalidade ) de que ela pode se comportar como onda ou partícula é aceita atualmente. Alguns sistemas automáticos de portas de lojas utilizam luz vermelha emitida por laser de hélio-neônio, para abrir quando aproxima-se alguém da porta. Suponha que o comprimento de onda utilizado por essa luz seja de Tiago Todescatto 80

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632,8nm. Quantos fótons de luz esse laser emitirá se sua potência de saída for igual a 1,00mW? Utilize a fórmula abaixo para encontrar quantos fótons de luz será emitido po segundo. Uma potência de 100mW significa que o laser está emitindo 1,00 . 10-3 J de energia a cada segundo.

Sabendo

que

energia

cada

fóton

E a velocidade da luz é: 3.0 108 Monte a fórmula:

6.626 . 3 = 19.878 . 10-26 19.878 . 10-26 / 6328 = 3,14 . 10-19 J ( Joule ) 1,00 . 10-3 Js / 3,14 . 10-19 J = 3,18 . 1015 Js E se a intenção for calcular a frequência e comprimento de onda dos raios gama? O que fazer? Veja como resolver esse problema na próxima página.

Tiago Todescatto 81

é:

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Um fótons de raios gama emitido durante o decaimento radioativo do núcleo de cobalto 60, possui energia igual a 2,135 . 10-13. Para calcular a frequência e comprimento de onda dessa radiação eletromagnética, você precisará utilizar a fórmula abaixo:

fórmula para encontrar a frequência

f = energia dos fótons de raios gama ÷ pela constante de Planck. f = 2,135 . 10-13 / 6.626 . 10-34Js f = 0,3222 . 1021 f = 3,222 . 1020Hz Para encontrar o comprimento de onda, você deverá utilizar a fórmula abaixo:

para encontrar comprimento de onda

Um fóton individual de um raio gama possui 1 milhão de vezes maior energia que um fótons individual de luz visível. Essas energias podem ser detectadas facilmente por um detector de partículas Geiger. Já, o especto ondulatório da Tiago Todescatto 82

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luz pode ser detectado facilmente através de experiências de interferência. - Difração dos Raios X Após a descoberta dos raios X, várias experiências sugeriram que aqueles raios se tratavam de ondas eletromagnéticas cujos comprimentos de onda eram muito pequenos, na ordem de 10-10m. Através de estudos dos sólidos cristalinos surgia a ideia de que os átomos desses cristalinos seriam dispostos em um arranjo regular com espaçamento entre um átomo e outro de grandeza igual ao tamanho do comprimento de onda dos raios X, ou seja, a radiação X pode “passar” entre os átomos do cristalino, espalhando, sendo absorvido ou reemitido. Combinando essas idéias de comprimento da onda dos raios X e espaçamento entre os átomos dos cristalinos, Max Von Loue propôs em 1912 que um cristal poderia servir como rede de difração dos raios X. Tela de chumbo Cristal fino Tubo de raios X

Feixes de raios X

Placa fotográfica

Figura 2.30 ( Difração dos raios X ) Difração significa um desvio ( encurvamento ) das ondas quando encontra um obstáculo.

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Imagine três ondas individuais de luz saindo da lâmpada em direção a um objeto com um furo ( orifício ) no meio. O espaçamento ( orifício ), deve ser menor ou igual ao mesmo comprimento de onda dos feixes de luz. Difração da Luz

Lâmpada Orifício no objeto Feixes de luz incidente

Figura 2.30 ( Difração da luz )

Difração da Luz

A difração acontece com qualquer onda eletromagnética, uma vez que interagem com a matéria, onde existem espaçamentos, cujo o diâmetro é menor ou igual ao comprimento de onda da radiação incidente. Independente da forma geométrica das ondas incidentes, ao interagirem com a matéria, cujo a largura do espaçamento seja menor ou igual o comprimento de onda do fóton incidente, as ondas difratadas serão aproximadamente circulares. Veja a figura abaixo:

Figura 2.30 ( Difração da luz ) Tiago Todescatto 84

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- Emissão e Absorção da Luz Como foi discutido anteriormente neste livro, a luz tem características ondulatórias e/ou corpusculares. Para chegar a essa conclusão foram realizados vários experimentos, tais como a Interferência, difração e a polarização da luz. A energia de um único fóton é proporcional à frequência da luz. Os fótons ou quanta, são pacotes de energia ( semelhante a partículas ), por isso em determinados experimentos a luz se comporta como partícula e não onda. Os elétrons não podem assumir qualquer lugar no átomo, pois as 7 camadas da eletrosfera é subdividida em níveis de energia, cada elétron assumirá seu “lugar” específico na eletrosfera de acordo com seu nível de energia. Essas informações é de extrema importância para que você possa entender o assunto proposto. A descoberta da luz trouxe a população um “mundo novo”, onde as facilidades tais como: informação, avanços tecnológicos na agricultura, medicina, produtos em geral, facilitaram o trabalho e conforto das famílias. Mas como é produzida essa LUZ? Essa pergunta é muito interessante. Heinrich Hertz utilizou um circuito ressonante L-C para produzir ondas eletromagnéticas de 108Hz, porém para se obter a frequência da luz que é na ordem de 1015 Hz, precisaria de aparelhos mais sofisticados, pois os aparelhos convencionais utilizados não conseguia tal feito. Na década de 1990, físicos especulavam que ondas eletromagnéticas de altas frequências, ou seja, acima daquelas obtidas por Tiago Todescatto 85

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Hertz, poderiam ser produzidas por cargas elétricas oscilando no interior dos átomos. Mas existiam alguns problemas, como por exemplo, o efeito fotoelétrico, produção de raios X, espectro de linhas, e vários outros que os físicos não conseguiam explicar através das suas especulações sobre essa alta frequência com elétrons oscilando. As ondas eletromagnéticas podem ser reconhecidas como longa ou curta de acordo com sua frequência e comprimento de onda. A luz é uma onda eletromagnética que pode ser visualizada através das cores vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta, através de um espectro de linhas. Podemos separar e estudar cada cor de um feixe de luz utilizando um prisma ou uma rede de difração. A fonte de luz é de extrema importância, por exemplo: Luz emitida de sólidos com temperatura elevada iguais aqueles filamentos das lâmpadas incandescentes, raios X, ou em líquidos, obteremos um espectro contínuo. Porém se a fonte for um gás ou descarga elétrica, verificamos que linhas isoladas e brilhantes tornam-se visíveis.

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Cada linha espectral é resultado da difração das ondas, cada desvio (ângulo de difrações) dependerá do comprimento de onda da luz. Tubo de raios X

Rede de difração

Fenda

Figura 2.31 ( Difração da luz )

No século XIX foi descoberto que cada elemento possui um espectro de linhas relacionadas ao seu comprimento de onda específico. O espectro é uma ferramenta valiosa para identificação dos elementos e compostos. - Efeito Fotoelétrico Em 1887, Hertz descobriu o efeito fotoelétrico quando fazia experiências com ondas eletromagnéticas. Esse fenômeno acontece quando a luz ( com energia suficiente ) incide sobre a superfície metálica e arranca elétrons. Os elétrons tem uma energia de ligação específica na eletrosfera, qualquer fóton incidente que tenha energia superior a essa ligação “arrancará” esses elétrons, ejetandoos para a camada mais superior ou até mesmo para fora do átomo. Faremos uma descrição desses efeitos mais adiante nesse livro. Tiago Todescatto 87

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- Raios X Em 1895, Roentgen descobre os raios X, o problema é que ninguém sabia sobre a interação e absorção desses ondas eletromagnéticas com a matéria. Nessa época os pesquisadores ainda não sabiam quais eram os comprimentos de onda desses raios, nem como essas ondas eletromagnéticas eram produzidas dentro do tubo, só se tinha conhecimento que eram através de descargas elétricas com voltagens elevadas. Para complicar ainda mais a situação, os raios que saiam do tubo e colidiam com a matéria as vezes tinham comprimento de onda diferentes ( mais longos ), que atualmente é conhecido como radiação espalhada ou secundária. - Níveis de energia e fótons Vários fenômenos acontecem com a interação da radiação com a matéria e isso mostrou que a ótica clássica tinha suas limitações ao tentar explicar tais fenômenos. Atualmente, com o estudo quântico desses fenômenos é possível compreender melhor a radiação. Para compreender os efeitos da radiação com a matéria é necessário utilizar o conceito da natureza dual ( ondas-partículas ) das ondas eletromagnética.

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Capítulo III Estudo das Radiações

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3.1 Introdução Médicos Radiologistas, Técnicos e Tecnólogos em Radiologia, devem ter conhecimentos específicos sobre os efeitos e aplicações das radiações ionizantes e não ionizantes. Os profissionais que trabalham no radiodiagnóstico devem está preparados para apresentar ao paciente os benefícios e possíveis riscos das radiações como um todo, principalmente a radiação X e gama, que é utilizado tanto para aplicações de formação das imagens para diagnóstico, quanto para tratamentos de tumores nos sistemas de radioterapia. Esse capítulo tem o objetivo de trazer o conhecimento sobre as radiações de maneira simples e de fácil entendimento.

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3.2 Radiação Radiação é qualquer propagação de energia no vácuo ou em meios materiais em forma de ondas eletromagnéticas ou partículas corpusculares. Essas radiações podem ser dividida em naturais ou artificiais. As radiações naturais são aquelas emitidas por elementos instáveis encontrados na natureza, como por exemplo: Urânio 238 e Rádio 226. Já as radiações artificiais são “produzidas” pelo homem, exemplo: Raios X, Luz visível, infravermelho, etc...

Raios X Figura 3.1 (Propagação de energia em forma de ondas numa corda )

Partícula Beta Partícula Alfa

Figura 3.2 (Propagação de energia em forma de partículas )

A população está exposta a várias radiações, principalmente a radiação de fundo natural e de aplicações médicas em diagnósticos por imagem e tratamentos. As radiações X ( exames de imagem RX ), radiação gama ( tratamentos de tumores, Radioterapia ), radiação Tiago Todescatto 91

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radiofrequência ( exames de imagem RM ), e outras radiações eletromagnéticas são ondas que se propagam no vácuo, ou seja, não necessita de um meio material para se propagar. Essas, são ondas transversais, ou seja, a sua vibração é perpendicular a sua propagação. Já as ondas sonoras ( utilizadas nos exames de imagens de ultrassonografia ) são do tipo ondas mecânicas, necessitam de um meio material para se propagar e são ondas longitudinais. A radiação de fundo é a soma das intensidades das radiações proveniente de vários elementos naturais terrestres e do espaço. Podemos citar por exemplo: A cidade de Poços de Caldas – Minas Gerais e em Guarapari – Espírito Santo, onde a radiação de fundo é uma das maiores do Brasil. Isso se deve ao solo dessas regiões serem ricas em: - Urânio e Tório ( Elementos Radioativos ). O radônio 222 ( em forma de gás ) é outro exemplo de radiação de fundo, este é liberado pelo solo e pode entrar nas casas e edifícios. O radônio 222 ao sofrer decaimento, libera partículas Alfa ( radiação corpuscular ). Essas partículas podem se ligar ao pó e serem inaladas pelo homem, parando no epitélio brônquico, no trato respiratório. Pesquisas mostram que cerca de 73% da exposição a radiação de fundo no mundo é provinda do radônio. O potássio 40, carbono 14, rubídeo 87 e vários Tiago Todescatto 92

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outros, são radiações proveniente dos alimentos que consumimos diariamente. Essa exposição a essa radiação de fundo corresponde a aproximadamente 9%. Das radiações utilizadas nas aplicações médicas para diagnóstico por imagem e tratamentos, podemos citar: Radiologia Convencional e Digital ( Utiliza a radiação X nas suas aplicações para aquisição de imagens bidimensionais do interior do corpo do paciente ); Tomografia Computadorizada ( Utiliza também a radiação X para aquisição de imagens tridimensionais do interior do corpo do paciente ); Ressonância Magnética ( Utiliza ondas de radiofrequência nas suas aplicações para aquisição de imagens tridimensionais dos tecidos moles do interior do corpo; Medicina Nuclear ( Utiliza radiofármacos, ou seja, elementos radioativos que emite radiação gama associados a medicamentos com afinidade ao tecido a ser estudado para aquisição de imagens bidimensionais ); Utrassonografia ( Utiliza radiação eletromagnética ( Ondas sonoras ) na faixa entre 2Mhz e 20Mhz nas suas aplicações para aquisição de imagens em tempo real ); Radioterapia ( Utiliza radiação X, Gama - Radiação eletromagnética, Beta e Alfa – Radiação Corpuscular, nas suas aplicações para destruir tumores, queloides, etc... ). Tiago Todescatto 93

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As radiações estão em todos os lugares e participam do nosso dia a dia, podemos citar aqui várias aplicações além das que foram citadas anteriormente. A luz que ilumina nossas casas, a TV que assistimos o jornal, o rádio que transmite as noticias e músicas, o celular ao qual nos comunicamos com pessoas que estão do outro lado do mundo, os computadores, os aparelhos de microondas, etc..., todos esses utilizam radiação eletromagnética e/ou corpusculares nas suas aplicações.

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3.3 Tipos de radiação Como foi dito anteriormente, as radiações são energias que se propagam no vácuo ou em meios materiais em forma de ondas ou partículas. As radiações quanto a sua natureza podem ser dividida em: - Eletromagnética ( propagação em forma de ondas ) - Corpuscular ( propagação em forma de partículas ) As radiações podem ou não causar danos biológicos, o que definirá as causas e efeitos será a intensidade da energia interagindo com a matéria ( átomos do corpo ). Radiação ionizante: Quando a radiação ( Fóton incidente ) tem energia suficiente para ejetar elétrons dos átomos e mudar a estrutura da matéria. Elétron ejetado

Fóton incidente

Figura 3.3 (Radiação ionizante interagindo com o átomo e alterando a estrutura da matéria )

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Exemplos de radiações ionizantes - Radiação X ( Ondas eletromagnéticas ) - Radiação Gama ( Ondas eletromagnéticas ) - Radiação Alfa ( Partículas corpuscular ) - Radiação Beta ( Partículas corpuscular ) As partículas são: elétrons, prótons, nêutrons etc... As radiações ionizantes causam efeitos físicos, químicos e biológicos. Esses efeitos podem resultar em danos irreversíveis ao código genético, causando neoplasmas ( tumores ). As radiações ionizantes são utilizadas nos sistemas de aquisição de imagens médicas, como por exemplo: Radiologia convencional, Digital e Tomografia, e também na Radioterapia nos tratamentos de tumores.

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Radiação não ionizante: Quando a radiação ( Fóton incidente ) tem energia suficiente apenas para excitar os átomos sem alteração da estrutura da matéria. Nesse caso o elétron não será ejetado, porém pode ganhar energia e se deslocar para uma camada mais energética do átomo.

Elétron Excitado

Fóton incidente

Figura 3.4 (Radiação não ionizante interagindo com o átomo excitando-o sem alteração da estrutura da matéria )

As radiações não ionizantes não causam mudanças na estrutura da matéria, e são utilizadas em fornos microondas, luz visível, transmissão de sinais de rádio e TV, sensores de fumaça, portas automáticas, telefones, internet, exames de Ressonância Magnética, Ultrassom, etc. MAS AFINAL, DE ONDE VEM AS RADIAÇÕES? As radiações naturais são provindas dos núcleos dos átomos instáveis, como por exemplo: Núcleo do Rádio 226, Césio 137, Urânio 238, etc. O núcleo desses átomos tem excesso de nêutrons, tornando-os instáveis, e para Tiago Todescatto 97

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alcançar a estabilidade esses núcleos se desintegram liberando energia ( radiações ), Alfa, Beta, Gama e/ou as três simultaneamente. Essas radiações serão emitidas até que o núcleo desses átomos alcancem sua estabilidade, e assim param de emitir tais radiações ( ondas eletromagnéticas e/ou partículas ). Radiação Gama é uma energia provinda do núcleo atômico instáveis. Já as radiações artificiais são produzidas pelo homem, por equipamentos radiológicos, aceleradores lineares, etc..., onde elétrons são acelerados em direção a um alvo e ao interagirem com a matéria produz radiações eletromagnéticas. Radiação X é uma energia provinda da eletrosfera dos átomos.

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Capítulo IV Efeitos da interação da radiação com a matéria

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4.1 Introdução Os exames radiológicos utilizados por médicos para aquisição de imagens do interior do corpo do paciente, utilizam energias de alta ou baixa frequência e curto ou longo comprimento de onda. Essas ondas eletromagnéticas ( energias ) podem ser ionizantes e/ou não ionizantes. O que irá caracterizar uma radiação ionizante é a energia da onda eletromagnética que incidirá com a matéria ( corpo do paciente ), se a energia for suficiente para alterar ( ejetar elétrons ) a estrutura da matéria, será ionizante, caso contrário não ionizante. Exames de Ressonância Magnética por exemplo, utilizam ondas eletromagnéticas que não alteram a estrutura da matéria ( não ionizante ), exames de raios X utilizam ondas eletromagnéticas que tem energia suficiente para alterar a estrutura da matéria ( radiação ionizante ). Como você pode notar, algumas radiações são ionizantes e outras não, isso está diretamente relacionado com as características da radiação que irá interagir com a matéria ( átomos do corpo humano ). Neste capítulo estudaremos o que acontece quando a radiação interage com a matéria e quais os principais efeitos resultantes.

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4.2 Espalhamento e Produção de Raios X O espalhamento e a produção dos raios X fornecem “provas” sobre a natureza quântica das ondas eletromagnéticas. Os raios X descoberto por Roetgen em 1895, são produzidos quando elétrons são acelerados por uma diferença de potencial, com velocidades elevadas a ordem de 10kV e 10000kV. Esses elétrons acelerados saem do cátodo quente por emissão termoiônica em direção ao ânodo, e ao colidirem com o alvo metálico (ânodo) produzem raios X. Dentro do tubo de RX os elétrons se deslocam livremente sem colidir com moléculas de ar, pois esses tubos são há vácuo. Tubo há vácuo

Cátodo quente

Ânodo

ee-

eee-

Tensão para aquecimento do filamento

Elétrons acelerados Raios X

Figura 4.1 (Produção de raios X)

Os raios X são ondas eletromagnéticas, resultado de cargas elétricas aceleradas. Os raios X, assim como a luz obedecem às relações da mecânica quântica em suas interações com a matéria. Os comprimento de onda dos Tiago Todescatto 101

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raios X podem ser medidos através da técnica de difração. Na produção dos raios X, a energia cinética de um elétron é transformado na energia de um fóton. Já no efeito fotoelétrico a energia de um fóton é transformada em energia cinética de um elétron. 4.3 Bremsstrahlung Na produção dos raios X os elétrons ganham energia cinética por uma diferença de potencial e ao passarem próximo do núcleo alvo ( ânodo ) esses elétrons em alta velocidade são bruscamente freados, transformando parte ou total da sua energia cinética em um espectro contínuo de fótons, incluindo raios X. Esse processo é chamado de Bremsstrahlung. Núcleo do átomo

Elétron desviado

Elétron incidente + Elétron freado Energia cinética do elétron

bremsstrahlung

Figura 4.2 (Radiação de Bremsstrahlung) Note que a radiação está interagindo com a matéria (átomo).

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4.4 Efeito fotoelétrico Toda a matéria é constituída de átomos, esses estão dispostos em suas respectivas camadas de acordo com seu nível de energia. Existem 7 camadas, os elétrons da camada mais interna ( camada K ) estão mais fortemente ligados ( atraídos pelo núcleo ) e os elétrons da camada mais externa ( camada Q ) mais fracamente ligados. O efeito fotoelétrico consiste em “arrancar” esses elétrons dessas camadas. Para que esse fenômeno aconteça, a energia do fóton incidente ( onda eletromagnética ) deve ser suficiente para ejetar esses elétrons de suas respectivas camadas sem “sobra” de energia. Esse fenômeno acontece por exemplo quando a luz incide sobre uma superfície metálica ou raios X incide no filme radiográfico e elétrons são emitidos da matéria. Os elétrons que estão dispostos na eletrosfera absorvem a energia dos fótons incidente e, portanto, podem superar a força de ligação entre os elétrons e o núcleo. Veja a figura abaixo: Fóton incidente

Elétron absorve toda energia do fóton incidente, e são ejetados do átomo. Figura 4.3 (Interação da radiação com a matéria) Tiago Todescatto 103

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Elétron ejetado após absorver o fóton incidente.

+ O “espaço” onde o elétron estava fica vázio e um elétron da camada superior irá “preencher” esse vázio tentando estabilizar novamente esse átomo. O elétron da camada superior preenche o espaço vázio Quando o elétron preenche o espaço vázio da camada mais interna deixa outro espaço vázio que será preenchido por outro elétron da camada mais externa e assim sucessivamente. Figura 4.4 (Elétron ejetado do átomo ) Tiago Todescatto 104

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Sempre que um elétron se deslocar da sua camada de origem para preencher um espaço vázio deixado pelo efeito fotoelétrico, haverá emissão de radiação característica.

O elétron da camada superior preenche o espaço vázio

Radiação característica Figura 4.5 (Radiação característica)

Essa radiação característica é a diferença entre a energia de ligação do elétron e sua respectiva camada. Exemplo suponha que a ligação da camada K seja 40kV e da L seja 50kV, logo a diferença entre as camadas seria de 10kV ( a energia - radiação característica ) liberada seria referente a 10kV ). Hertz foi o primeiro a observar o efeito fotoelétrico em 1887. Entretanto, a análise correta do efeito fotoelétrico foi realizada por Albert Einstein em 1905. Einstein disse que Tiago Todescatto 105

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um feixe de luz era constituído por pequenos pacotes de energia denominado quanta ou fótons. A energia (E) de um fóton é igual a constante de planck (h) multiplicada pela frequência (f).

energia de um fóton, o valor exato da Constante de plack é conhecida até os dias atuais (2016) como:

Um fóton incidente de luz, raio x, etc..., pode ser absorvido pelo elétron, quando essa energia é maior ou igual a sua energia de trabalho (ø) o elétron pode ser ejetado do átomo. A função de trabalho e as energias do elétrons são geralmente expressas em elétron-volts (eV).

Com precisão podemos dizer que a constante de plack é dada por:

A função de trabalho vária de material para material e os valores exibidos nesse livro são aproximados, pois essa função é muito sensível a impurezas existentes nas Tiago Todescatto 106

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superfície. A frequência mínima necessária para emissão fotoelétrica aumenta com o aumento da função trabalho. Veja a tabela abaixo: Tabela - Função trabalho Elemento: Ouro Cobre Alumínio Carbono

Função trabalho 5.1 eV 4.7 eV 4.3 eV 5.0 eV

A energia (E) de um fóton de qualquer radiação com frequência (f) e comprimento de onda possui a energia dada por:

energia de um fóton Resolução de problema: Um filme de silício torna-se um bom condutor elétrico quando iluminado por um fóton com energia de 1.14eV. esse fenômeno é denominado de fotocondutividade. Calcule o comprimento de onda correspondente. Utilize a formula abaixo:

No espectro eletromagnético esse comprimento de onda está na região de infravermelho.

Tiago Todescatto 107

Física Radiológica - Radiologia

4.5 Efeito ou Espalhamento Compton O efeito ou espalhamento Compton inicialmente explicado pelo físico Americano, Compton em 1923 é mais uma comprovação da natureza quântica dos raios X. Assim como a luz visível sofre reflexão difusa ( reflexão em várias direções ) ao interagir com uma superfície irregular, os raios X ao colidirem com a matéria sofrem espalhamento da radiação. Vários cientistas inclusive Compton descobriram que a radiação espalhada possui um comprimento de onda maior que a dos fótons ( radiação )incidente e frequência de onda menor, e descobriram também que o comprimento de onda espalhada dependia do ângulo de desvio da radiação. Matéria (átomo alvo)

Fonte de Raios X

Fóton incidente

Ânodo

Elétron acelerado

Fóton espalhado comprimento de onda maior

Cátodo Figura 4.5 (Efeito Compton)

O efeito compton acontece sempre que a energia do fóton incidente tem energia maior que a força de ligação dos elétrons, fornecendo parte dessa energia para ejetar o Tiago Todescatto 108

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elétron e o restante é desviada ( espalhada ) em um ângulo diferente do fóton incidente. Por ser o restante da energia espalhada, sua frequência é menor e o comprimento de onda maior. Os raios X são aplicados em diversas áreas do nosso cotidiano, desde a medicina até indústria. Esses raios X são muito utilizados por terem um alto “poder de penetração”, ou seja, por serem capazes de penetrar estruturas sólidas, líquidas e gasosas, e por isso são utilizados para pesquisar o interior de objetos, frutas, etc... na indústria, animais na veterinária, e estudo de órgãos internos do corpo humano na medicina, como ossos e tecidos moles. O objeto ou órgão a ser examinado é colocado entre o tubo emissor de raios X ou gama e um filme radiográfico. A quantidade e o tempo de exposição da radiação é proporcional ao enegrecimento do filme. Uma falha no interior do objeto ou uma fratura no osso ou até mesmo uma bolha de ar onde normalmente não deveria existir, permitirá uma passagem maior de radiação que indicará uma área ( escura ) anormal no local estudado. Estruturas densas como o osso, chumbo, contraste de bário e vários outros aparecem com aspecto radiopaco ( mais claros ) nas radiografias. Já os tecidos moles como músculos ao redor do osso, oxigênio e gás carbônico nos pulmões apresentam aspecto radiotransparente ( mais escuros, acinzentados ). Tiago Todescatto 109

Física Radiológica - Radiologia

A interação da radiação com a matéria ( tecido de seres vivos ) causam danos físicos, químicos e biológicos. Os fótons de raios X são absorvidos pelos tecidos e órgãos e ejetam elétrons dos átomos ( célula também é constituída de átomos ), transformando-os em ions. Essa interação quebra as ligações químicas da moléculas e criam radicais livres que são altamente reativos a outras moléculas “normais”, essas reações podem perturbar ( desequilibrar ) as estruturas moleculares das proteínas e mais grave ainda no material genético. A radiação ionizante pode trazer benefícios e malefícios a saúde, o que determinará é a correta aplicação. As células sadias podem sofrer danos pela radiação “morrer” ou sobreviver aos efeitos, e continuar a se dividir erroneamente produzindo células defeituosas, podendo se desenvolver para o câncer. Na radioterapia a radiação ionizante é utilizada para destruir tumores, isso porque as células jovens que crescem rapidamente são particularmente mais vulneráveis. Assim como o princípio físico da radioterapia é atingir e destruir as células que se desenvolvem e crescem rapidamente, as células normais do sistema reprodutor do organismo naturalmente se dividem muito rapidamente, ao receberem uma exposição excessiva de radiação podem sofrer alterações e afetar a fertilidade. O uso dos raios X para diagnóstico por imagem tem sido alvo de muitos debates quanto aos seus benefícios e riscos, e a conclusão é que se utilizado de maneira adequada Tiago Todescatto 110

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respeitando o princípio de ALARA, a radiação ionizante utilizada na área médica trás mais benefícios do que malefícios.

Tiago Todescatto 111

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4.6 Produção de pares Radiação com a mesma energia de ligação do elétron provoca o efeito fotoelétrico, uma vez que esse elétron absorve esse energia e é ejetado para fora do átomo. Radiação ligeiramente maior que a energia de ligação do elétron provoca o efeito compton, uma vez que o elétron absorve parte da energia sendo assim ejetado do átomo e a outra parte da energia incidente é espalhada. O processo de produção de pares acontece quando energias suficientemente altas em relação a força de ligação dos elétrons, interagem com o átomo. Essas energias ( radiação ) pode escapar da interação com os elétrons, chegando suficientemente próxima do núcleo aponto de ser influenciada pela força de campo nuclear. Essa interação da força do campo nuclear com a radiação de altas energias faz com que essa radiação desapareça, dando origem a dois elétrons, um positivo que é denominado pósitron e o outro negativo. Elétron -

Figura 4.6 (Produção de pares)

Fótons incidente

A produção de pares acontece com energias superiores a 1,02MeV, dando origem a 2 elétrons de cargas opostas. O pósitron (+) colide com um elétron livre causando aniquilação e convertendo suas massas em energia cinética.

Tiago Todescatto 112

511keV

Pósitron 511keV

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Capítulo V Eletrização básica

Tiago Todescatto 113

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5.1 Introdução A compreensão dos fenômenos envolvendo a eletricidade são de extrema importância para um técnico e tecnólogo em radiologia, pois a interação das radiações com a matéria, ou melhor, a interação das radiações com as células do corpo humano causam eletrização dos átomos que os compõem transformando-os em ions, que consequentemente irão se ligar a outras moléculas e formar os radicais livres prejudiciais a saúde. Além desses efeitos citados, a eletrização explica diversos fenômenos sobre as cargas elétricas, forças elétricas etc... O magnetismo é o estudo das interações elétricas e magnéticas. O objetivo principal desse capítulo é enriquecer o grau de conhecimento dos profissionais da radiologia quanto a eletrização dos corpos.

Tiago Todescatto 114

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5.2 Carga elétrica Sabemos que a evolução tecnológica tem crescido potencialmente até os dias atuais (2016), entretanto, poucos sabem que a evolução sobre a eletricidade ( eletromagnetismo ) já vem sendo estudado desde cerca de 600 anos a.C pelos gregos. Naquela época não se tinha o conhecimento que existe hoje, pois não se tinha tanta tecnologia disponível para os experimentos, entretanto os gregos descobriram que, o âmbar com a lã de carneiro por exemplo, esse âmbar adquiria propriedades de atrair outros objetos. Naquele tempo não se sabia como esse fenômeno acontecia, só se sabia que acontecia devido ao atrito entre aqueles materiais. Atualmente, devido aos avanços tecnológicos, sabe-se que o âmbar adquire carga elétrica, ou seja, torna-se carregado eletricamente. Elétrico: Deriva da palavra grega Eléktron, que por sua vez significa Âmbar. Exemplo: Ao caminhar sobre aquele imenso tapete vermelho de náilon, seus sapatos ficam carregados eletricamente. Ao aproximar de outros pequenos materiais os seus sapados podem atrai-los.

Outro exemplo: Ao pentear seus cabelos secos por alguns minutos, o atrito do pente com seus cabelos poderá eletriza-lo e causar aquele famoso “cabelo armado”. Tiago Todescatto 115

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Um pedaço de pele de animal e bastões de plásticos são excelentes para estudo dos fenômenos da eletrostática, esse estudo envolve as interações entre cargas elétricas em repouso ( ou quase em repouso ). Imagine você atritando um pedaço de pele com bastões de plástico. Depois de atritado esses bastões se repelem. Pele de carneiro

1 Bastão de plástico

2 Bastão de plástico

Repelem

Tiago Todescatto 116

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Se atritarmos bastões de vidro com seda, os bastões de vidro ficará carregado eletricamente e irão se repelir.

Seda

1 Bastão de vidro

2 Bastão de vidro

Repelem

Tiago Todescatto 117

Física Radiológica - Radiologia

Agora se você aproximar o bastão de vidro carregado eletricamente do bastão de plástico também carregado eletricamente, eles irão se atrair. + + + +

atraem

1 Bastão de vidro carregado positivamente

1 Bastão de plástico carregado negativamente

O material eletrizado pode repelir ou atrair outros materiais, isso dependerá do tipo de carga elétrica em excesso que esse material tem. Experiências básicas como essa descrita mostram que existem 2 tipos de cargas elétricas. Benjamin Franklin sabendo desses tipos diferentes de cargas opostas, sugeriu denomina-las de, carga elétrica positiva e carga elétrica negativa. Essa denominação são utilizadas até hoje (2016). Cargas positivas se repelem

Cargas negativas se repelem

Carga positiva e carga negativa se atraem Tiago Todescatto 118

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5.3 Carga Elétrica e Estrutura da Matéria A massa, assim como a carga elétrica, é uma das principais propriedades da matéria. As interações entre dois ou mais átomos na formação das moléculas por exemplo, são basicamente decorrentes das interações elétricas entre partículas que estão carregadas eletricamente. ESTRUTURA DO ÁTOMO Os átomos possuem 3 partículas elementares, que dão características a sua estrutura, são elas: - Elétron: possui carga elétrica negativa - Próton: possui carga elétrica positiva - Nêutron: não possui carga elétrica

Os prótons e nêutrons são constituídos de sub-partículas ainda menores, denominada Quarks. O próton é constituído de dois quarks Up e um Down, onde o quarks Up tem carga elétrica de +2/3 e o Down – 1/3. Veja o resultado da carga do próton abaixo: Up + Up - Down +2/3 + 2/3 – 1/3 = 2+2-1 = +3

mantem-se a base

Carga elétrica do próton: 3/3 = 1 (+e) Tiago Todescatto 119

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O nêutron é constituído de um quarks Up e dois Down, onde o quarks Up tem carga elétrica de +2/3 e o Down – 1/3. Veja o resultado da carga do nêutron abaixo: Up - Down - Down +2/3 - 1/3 – 1/3 = +2-1-1 = 0

mantem-se a base

Carga elétrica do nêutron: 0/3 = 0 Ainda não foi possível observar os quarks de maneira isolada, ou seja, eles sempre estão ligados uns aos outros dando origem aos prótons e nêutrons dentro do núcleo dos átomos. O núcleo é constituído de prótons e nêutrons formando um “caroço” central denso de aproximadamente 10-15m de diâmetro. Girando ao redor do núcleos estão os elétrons, distendendo a uma distância de 10-15m para fora do núcleo. A eletrosfera é um imenso vázio, ou seja, se comparado com um estádio de futebol, o núcleo seria análogo uma “cabeça” de um alfinete no meio do campo. A força de atração elétrica é responsável por manter os elétrons (negativo) atraídos pelo núcleo (positivo) no interior dos átomos. Os prótons e nêutrons são mantidos estáveis pela força nuclear no interior do núcleo, essa força nuclear supera a Tiago Todescatto 120

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força de repulsão elétrica entre os prótons ( duas cargas positivas próximas ). A característica da força nuclear é sua ação de força a curto alcance, esse curto alcance entre os prótons é o que vale ao diâmetro do núcleo. Abaixo está descrita as massas das partículas individuais: Próton: 1,67 x 10-27 Nêutron: 1,67 x 10-27 Elétron: 9,10 x 10-31 O núcleo de qualquer átomo concentra cerca de 99,9% de toda massa. Observe que a massa do próton é quase idêntica a massa do nêutron, e é aproximadamente 2000mil vezes maior que a massa do elétron. Um átomo neutro é aquele em a soma de prótons é igual a quantidade de elétrons. Um elétron “cancela” um próton, e assim a soma das cargas elétricas é igual a ZERO. Número atômico é dado ao número de prótons dentro do núcleo do átomo. Isso nos leva a entender que, a quantidade de elétrons existente na eletrosfera desse átomo neutro é igual a quantidade de prótons.

Tiago Todescatto 121

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Se removermos algum elétrons da eletrosfera de um átomo neutro, este passará a ter um próton a mais, ou seja, não ficará mais com carga elétrica neutra e sim com carga elétrica positiva. Quando um átomo fica com carga elétrica positiva chamamos este átomo de ÍON positivo. Entretanto, se um átomo ganha um elétron, este passa a ter elétrons a mais, ou seja, ficará eletricamente negativo. Esse “átomo” negativo por excesso de elétrons chamaremos de ÍON negativo. Átomo positivo ( excesso de carga positiva ): ION positivo Neutro

+++ ---

ION +

+++ +++

Átomo negativo ( excesso de carga negativa ): ION negativo

Neutro

+++ ---

ION -

-----

IONIZAÇÃO É o processo responsável pela perda ou ganho de elétrons de um átomo. Portanto, se o átomo ganha ou perde elétrons ele terá sido ionizado. Ex: ionização por efeito fotoelétrico. Neste caso a radiação ionizante (raios X) arranca elétrons dos átomos. (ION + ). Tiago Todescatto 122

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Os elétrons por estarem externamente no átomo é mais facilmente retirado ou adicionado no átomo, por isso, quando o átomo estiver com excesso de carga positiva é porque esse átomo perdeu elétrons, e quando estiver com excesso de carga elétrica negativa é porque ele ganhou elétrons. O princípio de conservação de carga elétrica deve ser sempre lembrado, ou seja, quando atritamos um corpo neutro com outro corpo neutro haverá transferência de carga (elétrons) de um corpo para o outro, deixando-os com cargas positivas e negativas respectivamente. ATENÇÃO a carga elétrica não poderá ser criada nem destruída.

Tiago Todescatto 123

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5.4 Condutores Isolantes e Cargas Induzidas Alguns materiais (ex: metal) quando colocados em uma tomada de alta tensão, transferem carga elétrica de uma região (fio de alta tensão) até outra (corpo), enquanto outros (ex: plástico) impedem o movimento das cargas elétricas ). Será porque e como esse fenômeno acontece? Este fenômeno está diretamente relacionado a composição elétrica do material, ou seja, materiais como metal tem em sua estrutura natural elétrons livres capazes de se movimentar dentro do fio. Já os materiais isolante não o tem. Um fio de cobre por exemplo é chamado de condutor de eletricidade, pois tem propriedade de transferir carga elétrica através dele. Um fio de náilon ou borracha é denominado isolante, pois não transfere nenhuma carga elétrica através dele. Um material semicondutor é aquele que tem propriedades de um condutor e um isolante, ou seja, nem muitos nem poucos elétrons livres na sua estrutura. CARGAS INDUZIDAS Imagine um corpo neutro conectado a um fio isolante sendo colocado próximo a outro corpo neutro também conectado a um fio isolante. O que aconteceria? R: NADA

Tiago Todescatto 124

Física Radiológica - Radiologia

Logicamente, não aconteceria nada, pois os dois corpos estão neutros, ou seja, não há carga elétrica em excesso. Veja a ilustração abaixo: Fio isolante

++ --

Corpos neutros Entretanto, se carregarmos um corpo, deixando-o com excesso de carga elétrica ( positivo ou negativo ), e aproximarmos do corpo neutro, esse será atraído em direção ao corpo com excesso de carga. Veja a ilustração abaixo: Fio isolante

+ +

Corpo neutro sendo atraído, onde a carga positiva induzida se repele e a negativa também induzida se aproxima do corpo eletrizado.

Tiago Todescatto 125

++ ++

Corpo eletrizado, com excesso de carga positiva.

Física Radiológica - Radiologia

Observe que, um corpo eletrizado positivamente ( com excesso de carga ) é aproximado de um corpo neutro ( nº de prótons e elétrons iguais ), e o corpo neutro é atraído pelo corpo com excesso de carga. Nesse exemplo, todo o corpo neutro é atraído pelo corpo eletrizado, as cargas negativas são induzidos pela atração ( atraídos ) do corpo carregado positivamente a ficar do lado próximo e a carga positiva é induzida pelo corpo eletrizado por repulsão, a ficar do lado oposto (longe). Fio isolante

+ +

++ ++

Cargas induzidas

Para que essa indução seja cancelada, basta afastar o corpo eletrizado, assim sua neutralidade original é restaurada. O processo ao qual as cargas de sinais iguais são repelidas e as cargas de sinais diferentes atraídas numa indução é denominada: POLARIZAÇÃO

Tiago Todescatto 126

Física Radiológica - Radiologia

No exemplo de indução, se você conectar um fio condutor entre a terra e o lado positivo do corpo neutro, os elétrons que estão na fonte (terra) irão ser atraídos pela força elétrica, assim, o corpo neutro passará a ficar eletrizado negativamente. Veja a figura na próxima página

Note que houve inicialmente uma indução de cargas, logo um fio condutor é conectado entre a terra e o corpo induzido. Fio isolante Fio condutor

+ +

++ ++

Cargas induzidas

--------------+++++++++

Tiago Todescatto 127

Terra

Física Radiológica - Radiologia

Veja no exemplo o que aconteceu. Os elétrons da terra migraram por atração até o corpo induzido. Nesse caso o corpo anteriormente neutro ganhou carga negativa, ou seja, o excesso de elétrons ganho deixou esse corpo agora eletrizado negativamente. Fio isolante Fio condutor

--- --- -

++ ++

Corpo carregado negativamente

--------------+++++++++

Terra

ATENÇÃO Para manter esse corpo carregado negativamente quando o corpo carregado positivamente for afastado é necessário desconectar o fio que o prende a terra, caso contrário a terra atrairá novamente os elétrons para si, e o corpo eletrizado negativamente voltará a sua neutralidade. Tiago Todescatto 128

Física Radiológica - Radiologia

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO ( ionização ) Um corpo eletrizado com excesso de carga elétrica ( prótons ou elétrons ) é considerado um ÍON. ÍON positivo (+) é chamado de CÁTION ION negativo (-) é chamado de ÂNION Considera-se um corpo eletrizado aquele ao qual o número de prótons e elétrons são diferentes. Ex: - 2 prótons e 1 elétron ( corpo eletrizado positivamente ) - 2 elétrons e 1 próton ( corpo eletrizado negativamente ) Considera-se um corpo neutro aquele ao qual o número de prótons e elétrons são iguais. - 2 prótons e 2 elétrons ( corpo neutro ) O processo de retirar ou acrescentar elétrons de um átomo (corpo) é denominado ionização, pois ao perder ou ganhar elétrons o átomo se torna um ION positivo ou negativo respectivamente. Podemos dividir os processos eletrização (ionização) em 4 tipos principais, são eles: Atrito

Contato

Tiago Todescatto 129

- Indução

- Efeito fotoelétrico

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- ELETRIZAÇÃO POR ATRITO Este foi o primeiro processo descoberto que se tem história, onde o âmbar foi atritado com a lã e houve a eletrização por atrito. Esse fenômeno foi descoberto por Thales de Mileto no século VI a.C. concluiu-se que ao atritar o âmbar com a lã, esse adquiria propriedades magnéticas e atraia outros pequenos materiais como a palha e a pena. Esta eletrização depende também da natureza do material, por exemplo, atritar um material A1 com uma material B1 pode deixar A1 carregado negativamente e B1 positivamente, enquanto o atrito entre o material A1 e outro material C1 é capaz de deixar A1 carregado negativamente e C1 positivamente. Abaixo segue uma lista em dada ordem que é muito utilizada em concursos públicos, essa lista é denominada Série Tribo Elétrica. Essa série tribo elétrica tem o objetivo de mostrar quem ficará com excesso de carga negativa ou positiva depois do atrito entre os materiais. Abaixo está um exemplo da sequência da série tribo elétrica. Obs: Nessa série existe vários materiais, no entanto disponibilizei apenas 5 como exemplo. ( se atritarmos o vidro com a lã, o vidro ficará positivo e a lã negativa, a lã com o papel, a lã ficará positiva e o papel negativo, o papel com a madeira, o papel positivo e a madeira negativa, a madeira com o âmbar, a madeira positiva e o âmbar negativo ).

Tiago Todescatto 130

Física Radiológica - Radiologia

Vidro Lã Papel madeira Âmbar E se fizemos o experimento feito por Thales de Mileto atritando o âmbar com a lã, quem fica positivo e quem ficará negativo? Resposta: atritar o âmbar com a lã é o mesmo que atritar a lã com o âmbar, e seguindo a regra da série tribo elétrica, o âmbar ficará negativo e a lã positiva. Depois do atrito entre a lã e o âmbar: Âmbar ( - ) excesso de carga negativa ( Ânion ) Lã ( + ) excesso de carga positiva ( Cátion )

Depois do atrito entre o papel e a madeira: Madeira ( - ) excesso de carga negativa ( Ânion ) Papel ( + ) excesso de carga positiva ( Cátion )

Depois do atrito entre o papel e o vidro: Vidro ( + ) excesso de carga positiva ( Cátion ) Papel ( - ) excesso de carga negativa ( Ânion )

Tiago Todescatto 131

Física Radiológica - Radiologia

- ELETRIZAÇÃO POR CONTATO A eletrização por contato acontece no processo ao qual um corpo eletrizado com excesso de carga positiva ou negativa é colocado em contato com um corpo neutro, ou em contato com um corpo de carga oposta. Nesse processo, haverá uma “redistribuição” de carga onde os corpos resultantes tentarão se equilibrar e ficarão com a mesma carga elétrica e com sinais idênticos. Exemplo: 

Um corpo condutor A com carga ( carga positiva em excesso: 6 prótons ) é posto em contato com B corpo neutro elétrons iguais ).

( nº de prótons e

Qual é a carga em cada um deles após serem separados.

+6 Corpo com excesso de carga

Tiago Todescatto 132

corpo neutro

Física Radiológica - Radiologia

Contato entre o corpo A e B = A e B note que os dois corpo ficaram carregados com mesmo sinal (+). Outro exemplo: 

Um corpo condutor A com carga Q = -1 é posto em contato com outro corpo condutor B com carga Q = +2, após serem separados, corpo A é posto em contato com um terceiro corpo condutor C de carga Q = +5 qual é a carga em cada um após serem separados?

Corpo com excesso de carga

-1

-1+3

-1

+1C

+1 A

+1 B

+1+5

+3C

Contato entre o corpo A e C = A note que os dois corpo A e C ficaram carregados com mesmo sinal (+). Um corpo eletrizado em contato com a terra será neutralizado, pois se ele tiver falta de elétrons, estes serão doados pela terra e se tiver excesso de elétrons, estes serão descarregados na terra.

Tiago Todescatto 133

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-ELETRIZAÇÃO PO INDUÇÃO Este processo de eletrização é totalmente baseado no princípio da atração e repulsão, já que a eletrização ocorre apenas com a aproximação de um corpo eletrizado (indutor) a um corpo neutro (induzido).

Primeiramente um bastão eletrizado é aproximado de um condutor inicialmente neutro, pelo princípio de atração e repulsão, os elétrons livres do induzido são atraídos/repelidos dependendo do sinal da carga do indutor. Acontece a polarização do corpo. Este corpo polarizado poderá ser carregado por partículas da terra por um fio condutor de eletricidade. Explicadas na página 116. Fio isolante

+ +

++ ++

Cargas induzidas

O processo ao qual as cargas de sinais iguais são repelidas e as cargas de sinais diferentes atraídas numa indução é denominada: POLARIZAÇÃO Tiago Todescatto 134

Física Radiológica - Radiologia

- ELETRIZAÇÃO POR EFEITO FOTOELÉTRICO O processo de eletrização por efeito fotoelétrico consiste em irradiar um corpo neutro com energias suficiente para “arrancar” elétrons dos átomos. Nesse caso, toda energia do fóton incidente é absorvida pelo elétron da camada K e o mesmo é ejetado do átomo. No caso da interação da radiação no processo do efeito fotoelétrico, o elétron é ejetado, e o átomo fica com um elétron a menos, ou seja, fica carregado positivamente, que chamamos de ION positivo. O fenômeno físico que retira elétrons dos átomos não acontece somente no efeito fotoelétrico e sim com qualquer energia seja partículas ( radiação alfa α ou Beta βou β+ ) ou ondas eletromagnéticas ( raios gama ou raios X ) que seja capaz de arrancar elétrons dos átomos, tendo necessariamente ter energia maior ou igual a força de ligação dos elétrons. Elétron ejetado

Fóton incidente

Eletrização por radiação ionizante, elétrons são ejetados dos átomos, transformando-os em IONS.

Tiago Todescatto 135

Física Radiológica - Radiologia

5.6 Lei de Coulomb Em 1784, Charles Augustin Coulomb, estudou a força de interação entre partículas carregadas. Para corpos carregados separados por uma distância r, Coulomb verificou que a força elétrica proporcional entre esses dois corpos é igual a 1/r². Exemplo 1: Se dois corpos carregados com mesmo sinal e mesma carga estão a uma distância r = 2 metros, ao afastar esses mesmos corpos a uma distância maior r = 4 metros, a força irá reduzir a ¼ do seu valor inicial. Exemplo 2: Se dois corpos carregados com mesmo sinal e mesma carga estão a uma distância r = 4 metros, ao aproximar esses mesmos corpos a uma distância r = 2 metros, a força irá aumentar a ¼ do seu valor inicial. Citamos exemplos de sinais e cargas iguais, entretanto, as forças elétricas entre dois corpos também depende da carga existente em cada corpo, que será designada por Q. A lei de Coulomb estabeleceu que: o módulo da força elétrica entre dois corpos carregados eletricamente é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

Tiago Todescatto 136

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Quando duas cargas Q1 e Q2 estão separadas por uma distância r, o módulo da força (F) que é a constante de proporcionalidade, que qualquer uma das cargas exerce sobre a outra pode ser expresso pela ralação:

( d² ) Quando as cargas são de sinais iguais elas se repelem Q1 +

+ Q2

Quando as cargas são de sinais iguais elas se repelem Q1 -

- Q2

Quando as cargas são de sinais opostos elas se atraem Q1 -

+ Q2

Na lei de Coulomb o valor da constante (k) depende do sistema de unidade, e depende do meio onde as cargas são encontradas. O valor mais usual de k é considerado quando essa interação acontece no vácuo, e seu valor é igual a:

Tiago Todescatto 137

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Formula para o cálculo da força elétrica + 10C

No vácuo 1metro de distância

10C

Carga de sinais diferente se atraem

Formula: ( K é a constante no vácuo = 9 x 109) F = 9 x 109 . 10 x 10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 1 F = 900 x 9 x 109n ( força de atração ). Suponha que a distância foi aumentada para 2 metros, então ficará: F = 9 x 109 x 10 x 10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 4 F = 225 x 9 x 109n ou seja, a força diminui ao quadrado ( 4 vezes mais fraca ).

Tiago Todescatto 138

Física Radiológica - Radiologia

Suponha que a distância foi aumentada para 4 metros, então ficará: F = 9.10 elevado a 9 . 10.10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 16 F = 56,25 x 9 x 109n ou seja, a força diminui ao quadrado ( 16 vezes mais fraca ).

+ 10C

No vácuo 1metro de distância

+ 10C

Carga de sinais iguais se repelem

Formula: ( K é a constante no vácuo = 9 x 109 ) F = 9 x 109 x 10 x 10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 1 F = 900 x 9 x 109n ( força de repulsão )

Tiago Todescatto 139

Física Radiológica - Radiologia

Suponha que a distância foi aumentada para 2 metros, então ficará: F = 9 x 9 x 109 x 10 x 10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 4 F = 225 x 9 x 109n ou seja, a força diminui ao quadrado ( 4 vezes mais fraca ). Suponha que a distância foi aumentada para 4 metros, então ficará: F = 9 x 109 x 10 x 10 / D² F = 900 x 9 x 109 / 16 F = 56,25 x 9 x 109n ou seja, a força diminui ao quadrado ( 16 vezes mais fraca ).

Tiago Todescatto 140

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Formula para medir a carga elétrica de um corpo. Q = quantidade de carga elétrica de um corpo N = Número de carga elétrica em excesso ou em falta Qe = Carga elementar de 1 elétron ou próton Carga elementar do elétron = -1,6x10 elevado a -¹9 Carga elementar do próton = +1,6x10 elevado a - ¹9

Q = n.qe Ex:Um corpo neutro (A) ao ser atritado com outro corpo neutro (B) trocam entre si elétrons, ficando, um com excesso de elétrons, e o outro com falta de elétrons. +++ ---

+++ ---

Corpo neutro (A)

+++ ---

Cátion

+++ ---

Ânion

Corpo neutro (B)

Dois corpos atritados = A +++ ----

B +++ --

Excesso de carga Excesso de carga positiva negativa Tiago Todescatto 141

Física Radiológica - Radiologia

Suponha que o corpo A tenha 4 elétrons em excesso. Calcule a quantidade de carga desse corpo: ---A

Excesso de carga negativa

Q = n(4).qe(-1,6.10 elevado a -19 Q = 4.-1,6.10-¹9

+ com - = -

- 6.4 x 10-¹9 C (Coulomb)

Agora suponha que o corpo A tenha 4 prótons em excesso. Calcule a quantidade de carga desse corpo: ++++

Excesso

positiva Q = n(4).qe(+1,6.10 elevado a -19 Q = 4.1,6.10-¹9 + 6.4 x 10-¹9 C (Coulomb)

Tiago Todescatto 142

+ com + = +

carga

Física Radiológica - Radiologia

Agora sabendo que um corpo tem carga elétrica de – 10C calcule o excesso de carga desse corpo: 10C

Formula n = Q/qe N = -10/-1,6.10 -¹9

- com - = +

N = +16.10 - ¹9 elétrons

Agora sabendo que um corpo tem carga elétrica de +10C calcule o excesso de carga desse corpo: +10 C

Formula n = Q/qe N = -10/+1,6.10 -¹9

- com + = -

N = - 16.10 - ¹9 elétrons

Ou seja, o excesso de carga = 16.10 - ¹9 prótons Tiago Todescatto 143

Física Radiológica - Radiologia

Capítulo VI Física Nuclear

Tiago Todescatto 144

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6.1 Introdução O avanço atômico e as descobertas nucleares, desde o século XX vêm trazendo vários benefícios e efeitos catastróficos a humanidade. Ao falar a palavra nuclear é difícil não associar com bombas atômicas e usinas nucleares que são muito criticadas. Entretanto, as opiniões devem seguir o critério técnico e não emocional. O objetivo desse capítulo é levar ao leitor o conhecimento específico sobre a física nuclear para que você possa discutir esses assuntos de maneira adequada. Antes de iniciar vamos relembrar alguns conceitos. Todo átomo é dividido em duas partes principais: Núcleo com partículas positivas e neutras ( prótons e nêutrons ) “exceto o hidrogênio que só tem 1 próton e não contém nêutron dentro do núcleo” e uma eletrosfera com partículas negativas ( elétrons ). Analisaremos as forças exercidas dentro do núcleo para manter os prótons “unidos” uma vez que cargas de mesmo sinal ( positivas + positivas ou negativa + negativa ) se repelem. Veremos que a estabilidade ou instabilidade de um núcleo é dada entre as forças de atração nuclear entre nêutrons e prótons + a força de repulsão dos prótons. Você estudará também o decaimento radioativo, este é caracterizado pela emissão de radiação de um núcleo instável que decai até se tornar um elemento não radioativo. Reações nucleares de grande interesse para o técnico e tecnólogo em radiologia como fissão e fusão também serão abordados neste capítulo. Tiago Todescatto 145

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6.2 Propriedades do núcleo A massa quase que total de um átomo está concentrada em seu núcleo e é caracterizada pela soma entre prótons e nêutron. A letra ( A ) no símbolo do elemento representa a quantidade de massa daquele átomo em questão que também recebe o nome de número de massa. DENSIDADE NUCLEAR “Todos os núcleos possuem aproximadamente uma mesma densidade” NUCLÍDEOS E ISÓTOPOS Os prótons e neutros são os blocos básicos constituintes do núcleo dos átomos. Para que um átomo seja neutro, a quantidade de próton no núcleo deve ser igual a quantidade de elétrons circulando na eletrosfera ao redor do núcleo. A massa de (1 prótons) é aproximadamente: 1,67 . 10-27kg A massa de (1 nêutron) é aproximadamente: 1,67 . 10-27kg A massa de (1 elétron) é aproximadamente: 9,10 . 10-31kg A quantidade de prótons dentro do núcleo é denominada número atômico representada pela letra Z e o número de nêutrons é representado pela letra N. Para identificar o número de massa de um átomo basta utilizar a fómula: A = Z + N. Tiago Todescatto 146

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Veja a tabela da composição de alguns nuclídeos comuns. Nuclídeo

Número de massa ( A )

Número atômico ( Z )

Número de nêutrons ( N ) N=A-Z

2 4 12 16 14 235

1 2 6 8 7 92

1 2 6 8 7 143

Um nuclídeo são valores definidos de Z e N de um determinado núcleo. A estrutura eletrônica, ou seja, elétrons na eletrosfera que são responsáveis pelas ligações químicas entre os átomos são representadas pela igualdade de número atômico Z. Átomos com diferente número de prótons e nêutrons são denominados isótopos. Um exemplo de isótopo é o cloro (Cl, Z = 17) a massa (A) do cloro é aproximadamente 35, ou seja, a quantidade de nêutrons é igual a 18 ( N = 35 – 17 ). Cerca de 76% dos núcleos de cloro possuem 18 nêutrons e apenas 24% possuem N = 20. Outro exemplo é o urânio 235, o número atômico desse elemento é 92, assim o número de nêutrons é igual a 143 ( N = 235 – 92 ).

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SPIN NUCLEARES E MOMENTOS MAGNÉTICOS Os elétrons, prótons e nêutrons são partículas com spin ½, ou seja, com um momento angular. Os elétrons além de girarem em torno do seu próprio eixo, também giram em torno do núcleo.

Elétron Núcleo

Os prótons também giram em torno do seu próprio eixo e em torno do núcleo.

Próton

O próton além do momento angular do Spin também possui um momento angular orbital devido ao movimento das partículas no seu interior. Do mesmo modo que os elétrons nos átomos, o movimento angular orbital dos prótons é quantizado. Quando o número (A) de prótons e nêutrons são iguais ( par ) dentro do núcleo o momento angular é inteiro e Tiago Todescatto 148

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quando o número é diferente ( ímpar ) o número do momento angular é semi-inteiro. Nuclídeos com números de prótons e nêutrons iguais ( par ) possuem um momento angular igual a 0, ou seja, o emparelhamento de partículas com spins opostos é um mecanismo importante no estudo da estrutura nuclear. Spin nuclear é caracterizado pela quantização do momento angular total do núcleo Os prótons tem carga elétrica positiva e como era de se esperar, seu momento angular está no mesmo sentido e é paralelo ao momento magnético. Entretanto, os nêutrons sentidos contrários ao momento magnético. O momento magnético surge dentro do núcleo porque os prótons e os nêutrons não são partículas elementares, ou seja, essas partículas são compostas de outras sub-partículas denominadas quarks. O núcleo dos átomos tem um momento magnético ( assim como um imã ) em geral de alguns magnetons. Quando por exemplo o paciente é colocado na presença de um potente imã como no caso dos sistemas de ressonância magnética haverá uma interação entre o campo magnético externo e o campo magnético nuclear dos átomos, assim como um imã interage com outro imã. Frequências e campo magnéticos de diferentes nuclídeos como cálcio, hidrogênio, sódio, podem ser medidos com precisão assim como os seus momentos magnéticos nucleares. Essas descobertas possibilitaram por exemplo a aquisição de imagens médicas por ressonância magnética nuclear. Tiago Todescatto 149

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6.3 Ligação e estrutura nuclear Dentro do núcleo os prótons e nêutrons estão unidos por uma força de ligação. Para separa-los é preciso fornecer uma energia ao núcleo. A energia necessária para separar os núcleons ( prótons e nêutrons ) é denominada energia de ligação. A energia resultante ( energia de repouso total ) da separação desses prótons e nêutrons é maior do que a energia de repouso do núcleo. A diferença entre a massa de repouso do núcleo e a massa de repouso total dos núcleons é chamada de perda de massa. O núcleo mais simples é a do átomo de hidrogênio com apenas 1 próton, seguido do isótopo de hidrogênio, o deutério com 1 próton e 1 nêutron em seu núcleo. No núcleo de deutério, o próton e o nêutron estão unidos por uma força de ligação, formando um núcleon. Se for aplicado uma energia com a mesma força de ligação entre o núcleon, o próton e o nêutron são separados. Exemplo: imagine que a força de ligação entre o próton e o nêutron do isótopo de hidrogênio ( deutério ) seja de 2,224MeV, logo ao se aplicar 2,224MeV no núcleo do deutério, o núcleon é separado, ficando cada um com 1,112MeV.

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FORÇA NUCLEAR Sabendo que as cargas de sinais iguais se repelem por repulsão elétrica, como pode os prótons de cargas iguais positivas se manterem unidas? Existe uma força que mantém os prótons unidos dentro do núcleo, e essa interação é denominada força nuclear forte. Essa força nuclear forte possui curto alcance, atua em distâncias na ordem de diâmetro (10-15 m) dentro desse curto espaço a força nuclear é muito mais forte que a força elétrica, por isso não há repulsão entre os prótons. Caso contrário, o núcleo jamais seria estável.

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6.4 Estabilidade Nuclear e Radioatividade Cerca de 2500 nuclídeos são conhecidos, e aproximadamente 300 desses são estáveis. Os demais constituem estruturas instáveis que emitem partículas e ondas eletromagnéticas ao sofrerem decaimento, esse processo é chamado de radioatividade. O decaimento vária de elemento para elemento, podendo ser desde uma pequena fração de microssegundos até bilhões de anos. O excesso de próton de um núcleo aumenta gradualmente a força elétrica repulsiva entre eles, nesses casos a repulsão “vence” a força nuclear forte e o núcleo se divide. Esses núcleos geralmente tem um número de nêutrons muito grande em relação ao número de prótons, e nesse caso a energia de ligação entre os nêutrons não é equilibrada dissociando em um processo de conversão de nêutrons em prótons. DECAIMENTO ALFA Dos 2500 nuclídeos, cerca de 90% são radioativos, ou seja, eles são instáveis e ao decairem se transformam em outros elementos até se tornarem estáveis. Nesse processo de decaimento ( transformação ) eles emitem partículas alfa α, Beta β e radiação gama. Uma partícula alfa é um núcleo de Hélio ( 2 prótons e 2 nêutrons unidos dentro do núcleo ) de Spin igual a ZERO. Quando um núcleo de um elemento radioativo emite partícula alfa, os valores do número atômico (Z) diminuem de 2 unidades e 4 no Tiago Todescatto 152

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número de massa (A). Exemplo: quando o elemento radioativo - Rádio 226 ( número atômico 86 ) decai emitindo partícula alfa, se transforma de Radônio 222 ( Número atômico 84 ). As partículas alfa devido a sua massa “pesada” percorre apenas alguns centímetros no ar ou centessímos de milímetro nos sólidos devido a colisões. DECAIMENTO BETA NEGATIVA Os diferentes tipos de decaimento Beta são: beta positivo, beta negativo e a captura de elétrons. Uma partícula Beta negativa β- é um elétron. Você deve está se perguntando como assim? Se o núcleo dos átomos tem apenas prótons e nêutrons, como pode emitir elétrons? Na verdade o que acontece é o seguinte: Quando um elemento radioativo emite uma partícula β-, um nêutron se transforma em um próton, um elétron e uma partícula chamada de antineutrino que é a antipartícula do neutrino, ambas possui carga e massa igual a ZERO, assim não produzem nem um efeito observável quanto a interação com a matéria. Os nuclídeos que decaem emitindo partículas β- ocorre geralmente em elementos cujo o núcleo tem excesso de prótons e nêutrons.

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DECAIMENTO BETA POSITIVA Quando a diferença entre a massa atômica do átomo original e a massa atômica do átomo final for maior do que duas vezes a massa do elétron, o decaimento de β+ pode ocorrer. Quando a diferença entre a massa atômica do átomo neutro original é maior que a massa atômica do átomo final a captura de um elétron geralmente da camada K pode ocorrer. Esse elétron pode se combinar com um próton do núcleo e dar origem a um nêutron e um neutrino. O neutrino é emitido, enquanto o nêutron permanece dentro do núcleo. DECAIMENTO GAMA O núcleo típico possui um conjunto de níveis de energia, podendo está em um estado de menor energia ( estado fundamental ) ou estado excitado. Esses estados fundamentais geralmente são mantidos nas transformações químicas e físicas do núcleo. Quando o núcleo sofre transformações radioativas ou sofre colisões com partículas de energia elevada, este núcleo atinge um estado excitado, e pode emitir fótons de raios gama decaindo para um estado fundamental. Esse processo é denominado decaimento de raios gama. Exemplo: Quando um núcleo de Radônio 222 passa por um estado excitado após a emissão de partícula alfa α com Tiago Todescatto 154

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a menor energia, ele decai para um estado fundamental e emite raios gama. RADIOATIVIDADE NATURAL Vários elementos radioativos são encontrados na natureza. Para você ter um noção, até mesmo o seu e o meu corpo emite uma quantidade ligeiramente de radiação, pois no nosso corpo existe carbono 14 e potássio 40. Logo após a descoberta dos raios X por Roentgen, em 1895, Henry Becquerel, 1 ano depois em 1986, descobriu uma radiação proveniente dos sais de urânio e notou que era muito parecida com os raios X. Os estudos foram continuados por Marie Currie e Pierry Currie que descobriram o Rádio e o Polônio, Ernest Rutherford e muitos outros físicos revelaram que essa radiação era constituída por partículas negativas, positivas e por raios neutro ( ondas eletromagnética. Eles chamaram essas partículas de alfa e beta, e as ondas eletromagnéticas de raios gama, pois possuíam características de penetração diferentes. O núcleo pai é o núcleo original que sofre decaimento; o núcleo filho e o resultado da radioatividade. Mesmo quando ocorre decaimento, o núcleo filho pode ser instável. Nesses casos, uma série de decaimentos consecutivos irão acontecer até que o núcleo desse átomo se torne estável.

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O Urânio 238, é o nuclídeo radioativo mais abundante na Terra, e sofre 14 decaimentos, emitindo 8 partículas alfa, 6 Beta negativa, e termina se transformando em um elemento estável, o chumbo 206. Dentro desse processo de decaimento haverá estados excitados do núcleo e ao decair para um estado fundamental emite raios gama.

No processo de emissão de raios gama , a massa e o número atômico do elemento se mantém o mesmo.

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6.5 Atividade e meia vida Suponha que você deseje armazenar um material radioativo e tente prever qual o novo elemento que será transformado no processo de decaimento, provavelmente você não acertará, pois não há como descobrir qual o núcleo que deve decair. Nenhuma reação química tal como temperatura ou física poderá influenciar significativamente na taxa de decaimento. A taxa vária em intervalos diferentes para cada tipo de nuclídeos. Quanto maior o número de núcleos de uma amostra, ,maior será o número de núcleos que decai em qualquer intervalo de tempo. MEIA VIDA T1/2 é o tempo necessário para que o número de núcleo radioativos decaia à metade do inicial. A metade demora o mesmo tempo para reduzir em outra metade e assim por diante, até que o núcleo se torne estável e não mais radioativo. Se você estiver pensando que o material radioativo depois de um intervalo de tempo de meia vida torna-se seguro, está completamente errado, pois se esse elemento radioativo possuir uma atividade de 10 vezes maior do que a atividade sem riscos, depois de ter passado o tempo de meia vida esse material ainda é 5 vezes maior do que a atividade sem riscos. Esse rejeito só será seguro depois se tornar estável. O Currie é uma unidade comum de

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atividade, abreviado por Ci, e é definido como: 3,37 . 1010 decaimentos por segundos. O becquerel (Bq)é a unidade do sistema internacional (SI). Um becquerel é o que vale a um decaimento por segundo, logo, 1Ci = 3,37 . 1010 Bq = 3,37 . 1010 decaimentos/s. DATAÇÃO RADIOATIVA A radioatividade é utilizada pela indústria na esterilização de materiais cirúrgicos, inspeção de materiais em ensaios não destrutivos, na agricultura, tais como no controle de pragas e preservação de alimentos, no diagnóstico por medicina nuclear, no tratamento de tumores por radioterapia, na Arqueologia, Paleontologia e geologia estudando datação de amostras ósseas de animais e humanos pré-históricos e estruturas terrestres respectivamente, com base na concentração de isótopos radioativos. O carbono 14 é um exemplo de isótopo instável mais utilizado no estudo de datação, este é produzido por reações nucleares que ocorrem na atmosfera em virtude de colisões com partículas corpusculares ( raios cósmicos ). As plantas absorvem carbono 14 quando vivas, após sua morte ela deixa de absorver esse carbono e seu teor de carbono 14 sofre decaimento β- e transforma em nitrogênio 14 com tempo de meia vida igual a 5730. A tecnologia utilizando a radioatividade é capaz de medir a proporção de carbono 14 dos núcleos restantes e determinar em que ano o organismo morreu. A datação de Tiago Todescatto 158

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uma rocha também pode ser determinada através do estudo do isótopo potássio 40, onde na emissão de beta um nuclídeo estável ( o Argônio 40 ) é produzido. O tempo de meia vida do Argônio 40 é igual a 2,4 . 108. Com a comparação entre a concentração de Potássio 40 e Argônio 40 é possível determinar a idade da rocha estudada. Na maioria das residências o acúmulo de Radônio 222 trás um risco muito grande a saúde humana, isso porque esse elemento radioativo é um gás inerte, inodoro, incolor e tem um tempo de meia vida de 3,82 dias. Parece pouco, e você deve está pensando: Não basta ficar fora de casa uma semana e esperar que ele decaia? A resposta é o Radônio é o resultado contínuo do decaimento do Rádio 226 que mesmo em pequenas quantidades, estão presentes nas rochas e no solo onde nossas casas são construídas. O problema é que são vários decaimentos transformando Rádio 226 em Radônio 222, e esse por ser um gás apresentar um maior risco pois pode migrar do solo para dentro das casas e uma vez inaladas, nos pulmões, ele emite uma perigosa partícula alfa α que irá causar danos a saúde diminuindo sua expectativa de vida.

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6.6 Efeitos Biológicos da Radiação Até esse momento da leitura foi estudado muito sobre as radiações e seus efeitos quanto a interação com a matéria. Vimos os efeitos compton e fotoelétrico, citamos também os diferente tipos de radiação como partículas ( alfa, beta, nêutrons e ondas eletromagnéticas ( Raios X e Gama ). Estudamos que quando essas radiações interagem com a matéria elas podem quebrar ligações moleculares arrancando elétrons da eletrosfera e transformando átomos em ions, razão pela qual é denominada radiação ionizante. Partículas carregadas como elétrons podem interagir diretamente com elétrons dos átomos por colisão ( assim como uma bola de bilhar ) ejetando-os. Os núcleos podem ficam excitados ao ser bombardeados por nêutrons e sofrem decaimentos emitindo radioatividade. Raios X e Gama interagem mediante ao efeito compton e/ou efeito fotoelétrico, ao qual os elétrons absorvem sua energia e passa para um nível excitado ou é ejetado do átomo. Todos os tipos de exposições excessivas a essas radiações como luz solar, raios X, Gama etc...trazem graves lesões ao tecido podendo até levar a sua destruição. Os efeitos podem ser desde uma “simples queimadura” até o câncer. DOSIMETRIA DAS RADIAÇÕES A descrição quantitativa dos efeitos da radiação sobre os tecidos vivos é fornecida pela Dosimetria das radiações. A energia fornecida para o tecido por unidade de massa é definida como: Dose absorvida da radiação. Tiago Todescatto 160

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A unidade do sistema internacional (SI) de dose absorvida, o jaule por kg, é denominada Gray (Gy). 1Gy = 1J/kg O Rad também é outra unidade de uso comum. 1 Rad = 0,01J/kg 0,01J/kg = 0,01Gy Energias iguais, de fontes radioativas diferentes produzem efeitos biológicos diferentes, por isso a dose absorvida não é uma técnica totalmente adequada para estudar os efeitos biológicos. Um fator numérico chamado de eficácia biológica relativa (RBE), também chamado de fator de qualidade (QF) de cada radiação específica descreve essas variações. Um (RBE) igual a 1 é o que vale a uma energia de 200kV de raios X e o efeito de outras radiações pode ser comparado experimentalmente. Veja a tabela abaixo: Tabela ( Eficácia Biológica Relativa (RBE) RADIAÇÃO RBE Raios X e Gama 1 rem/rad ou Sv/Gy Elétrons 1,0 – 1,5 rem/rad ou Sv/Gy Prótons 10 rem/rad ou Sv/Gy 20 rem/rad ou Sv/Gy Partículas Alfa α Esses valores de RBE são aproximados para diversas radiações e dependem ligeiramente do tipo de radiação e tecido ao qual a radiação é absorvida. Tiago Todescatto 161

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O produto da dose absorvida pela RBE da radiação descreve o efeito biológico da radiação. A grandeza dessa dose biológica é chamada de: Dose equivalente ou dose biológica equivalente. A dose equivalente para seres humanos é descrita pelo sistema internacional (SI) é o Sievert (Sv). RBE x Dose absorvida (Gy) = Dose equivalente (Sv) A unidade mais comum, correspondente ao rad é o rem que é o Röntgen equivalente para seres humanos. RBE x Dose absorvida (rad) = Dose equivalente (rem) A unidade de RBE é: 1Sv/Gy = 0,01Sv 1 rad/rem = 0,01Sv 1 rem = 0,01Sv

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EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO Em um exame de imagem utilizando raios X foi aplicado em uma perna quebrada de 1,2kg uma dese equivalente de 0,40mSv. a) Qual a dose equivalente em (mrem)? Sabendo que 1(rem) = 0,01Sv, a dose equivalente será: 0,40mSv ÷ 0,01Sv/rem = 40mrem b) Qual a dose absorvida em (mrad) e mGy? Consultando a tabela de RBE, pra raios X, RBE = 1rem/rad ou 1Sv/Gy. Logo, a dose absorvida será:

c) Se a energia dos fótons dos raios X é igual a 50kV, quantos fótons de raios X são absorvidos?

O número de fótons abosorvido é:

Se o tipo de radiação fosse Alfa, o RBE seria 20, e nesse caso a dose absorvida para uma dose equivalente de 0,40mSv seria: 2,40 x 10-5J equivalente a 0,020mGy.

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RISCOS DA RADIAÇÃO Para você converter Sv em rem, basta multiplicar por 100. Em um exame de raiox X de tórax a área irradiada para cada 5kg de tecido geralmente está entre 0,20 e 0,40mSv. A exposição as radiações naturais do solo e aos raios cósmicos é de ordem de 1,0mSv por ano no nível do mar e a uma altitude de 1500 m essa exposição aumenta cerca de 2vezes. Se o indivíduo receber até 0,20Sv de dose no corpo inteiro, não sofrerá nem um efeito imediato. Entretanto, se esse indivíduo receber uma dose de 5 Sv ou mais em um período curto, provavelmente ele morrerá em alguns dias ou semanas. Uma dose de 100Sv em um tecido local produz destruição completa. A exposição as radiações, tais como as utilizadas nos exames de imagens, destruição de tumores, ou até mesmo as exposições aos raios solares naturais ou artificiais para bronzeamento, tem sido alvo de debates na mídia. Isso deve-se ao risco que essas radiações trazem a saúde, tais como câncer, queimaduras graves e defeitos genéticos. Cientistas trabalham para encontrar doses efetivamante seguras (sem riscos) e algumas leis vigentes adotam normas para a proteção tanto dos usuários quanto para os trabalhadores que fazem uso de radiação ionizante. Por exemplo, nos Estados Unidos a exposição anual máxima as radiações de todas as fontes, exceto a radiação natural é de 2 a 5mSv de acordo com as leis vigentes. Para os que trabalham com radiação ionizante a exposição máxima Tiago Todescatto 164

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permitida é de 50mSv por ano. Estudos mostram que não existe doses de radiação ionizante seguras, e que as doses só são permitidas se os benefícios forem maiores que os malefícios. Um exemplo desses benefícios são as utilizações das radiações proveniente de usinas nucleares. Uma vez que as usinas de carvão liberam muita fumaça prejudicial a saúde trazendo cerca de 100vezes mais riscos a população do que as usinas nucleares funcionando adequadamente. Entretanto, devemos considerar que usinas nucleares mau administradas e conservadas podem causar acidentes radioativos. A radiação ionizante podem trazer graves problemas a saúde se utilizadas de maneira inadequada, entretanto trás vários benefícios a humanidade, como imagens diagnósticas e tratamentos de doenças. BENEFÍCIOS DA RADIAÇÃO Na radioterapia o uso das radiações ionizantes para tratamento de tumores é justificável, uma vez que uma doença fatal como o câncer não tratado leva o paciente a morte rapidamente. Nos tratamentos radioterápicos como radiações ionizantes, dependendo do local e tipo de tumor, são utilizados isótopos artificiais (radioisótopos) que emitem radiação diretamente no tumor e tem um tempo de meia vida muito curto em relação aos isótopos naturais. Esses isótopos produzidos pelo homem tem como objetivo Tiago Todescatto 165

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emitir energias e tipo de radiação com um tempo específico para cada tipo de tumor tratado. Como novos equipamentos e métodos de utilização das radiações ionizantes, os isótopos estão sendo substituídos por aceleradores nucleares e doses são direcionadas ao tecido doente preservando as células sadia. A medicina nuclear utiliza radiofármacos nas suas aplicações. Isótopos radioativos com característica parecidas com as substâncias existente no local estudado são administradas no paciente e o tratamento é iniciado. Exemplo de utilização de isótopo radioativo na medicina nuclear é a utilização de iodo 131( isótopo instável ) que é injetada no paciente e fornece informações da função da tireoide. A tireoide produz naturalmente Iodo 127 ( isótopo estável ) e o Iodo 131 (isótopo instável ) formulado artificialmente tem as “mesmas” características fazendo com que passe “despercebido” pelo organismo. A meia vida do Iodo 131 é de 8,02 dias, ou seja, não há risco de radiação prolongada. Angiograma ou Arteriograma é o estudo de artérias coronárias bloqueadas ou estreitas. Esses estudo consiste em introduzir um cateter através de uma veia do braço até o coração injetando material radioativo. Um detector de varredura irá “fotografar” essas artérias e poderá fazer um diagnóstico preciso. O radioisótopo utilizado para este tipo de exame é o tecnécio99. O molibdênio99 em seu estado Tiago Todescatto 166

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excitado emite β- e se “transforma” em tecnécio 99. Neste decaimento radioativo radiação gama é emitida com energia de 143 kV. O tempo de meia vida do tecnécio é de 6,01 horas. Após decair o tecnécio é “transformado” em Rutênio99 ( estável ).

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6.7 Reações Nucleares Foi estudando anteriormente o decaimento de núcleos instáveis, como a emissão de partículas alfa, beta e ondas eletromagnéticas (raios gama). O decaimento radioativo se inicia de maneira espontâneo e nada poderá controlá-lo. Nesta seção examinaremos colisões forçadas por bombardeio de partículas em vez de processos naturais espontâneos. Rutherford em 1919, sugeriu que um núcleo poderia ser penetrado por partículas de massa elevada e com energia cinética suficiente. Com isso o núcleo ganharia uma ou mais partículas aumentado assim seu número de massa ou um decaimento do núcleo original. Com partículas alfa α Rutherford bombardeou os átomos de nitrogênio 14 e obteve um núcleo de oxigênio 17 e 1 próton.

Na época as tecnologias ainda não eram avançadas em comparação aos dias atuais (2016), e Rutherford utilizou partículas alfa provenientes de fontes naturais. Atualmente núcleos podem ser bombardeados por partículas aceleradas por aceleradores de partículas. Para se fazer uma reação nuclear é necessário obedecer a lei de conservação de carga, do momento linear, do momento angular e da energia, incluindo a energia de repouso. Tiago Todescatto 168

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6.8 Fissão Nuclear O processo de decaimento no qual um núcleo instável se divide em dois fragmentos de massas comparáveis é chamado de fissão nuclear. O primeiro experimento de fissão foi em 1938 por Otto e Fritz, eles bombardearam o urânio 92 com nêutrons. Tanto o urânio 238 quanto o urânio 235 podem ser divididos facilmente por bombardeios com nêutrons. A fissão por absorção de nêutrons é denominada fissão induzida. Em casos raros alguns nuclídeos podem sofrer fissão espontânea, sem absorção inicial de nêutrons. Quando o núcleo de urânio 235 absorve um nêutron, fica excitado ( massa 236 resultante ) e quase que instantaneamente se divide em dois fragmentos.

Diferente da energia de apenas alguns poucos MeV das partículas alfa e beta, a energia cinética total resultante da fissão nuclear é enorme, cerca de 200MeV. REAÇÃO EM CADEIA Ao bombardear um núcleo de urânio238 com nêutrons acontecerá a fissão desse núcleo (divisão) por excesso de energia, nessa “divisão” outros nêutrons serão libertados podendo desencadear outras fissões, assim ocorrerá uma reação em cadeia. Em um reator nuclear o processo de Tiago Todescatto 169

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reação em cadeia é feito de maneira controlada. entretanto, essa reação em cadeia pode ser de maneira descontrolada como no caso explosivo em uma bomba atômica nuclear. A energia liberada em uma reação em cadeia de uma fissão nuclear é muito intensa, mais forte que qualquer outro tipo de reação. Para você ter uma ideia, quando o urânio é “queimado” para formar o dióxido de urânio U+02 = UO2 o calor de combustão é de aproximadamente 4500J/k. REATORES NUCLEARES Um reator nuclear utiliza o processo de reação em cadeia de maneira controlada para liberação de energia. Essa energia gera vapor que tem como função girar um gerador elétrico. Quando um núcleo de urânio 235 é bombardeado por nêutrons acontece a fissão, cada fissão de um núcleo produz cerca de 2,5 nêutrons livres, 40% desses elétrons livres são necessários para sustentar uma reação em cadeia. Nêutron sendo acelerado em direção ao núcleo

Nêutrons

Núcleo de U235 Fragmentos da fissão

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Núcleos de urânio 235

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Veja abaixo a reação em cadeia de maneira detalhada

Em reatores nucleares são utilizados moderadores que pode ser grafite, porém na maioria das vezes é a água, para absorver nêutrons de alta energia na ordem de 1MeV aos quais são liberados durante a fissão. Esses moderadores faz com que a taxa de reação seja controlada. Uma das aplicações mais comum dos reatores nucleares é a geração de energia elétrica. Tiago Todescatto 171

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Veja abaixo o diagrama esquemático de uma usina nuclear que gera energia elétrica.

O resultado da fissão gera fragmentos que faz aquecer a água que circunda no núcleo do gerador. O gerador a vapor trabalha com troca de calor, ou seja, recebe calor dessa água altamente radioativa e produz vapor não radioativo que faz girar as turbinas que consequentemente irá converter em energia elétrica. Para você ter uma noção, uma usina elétrica alimentada por carvão queima milhares de toneladas de carvão por dia para produzir uma quantidade de energia elétrica que um reator nuclear produz com fissão de alguns poucos quilogramas de urânio. Tiago Todescatto 172

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Exercício de fixação

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6.9 Fusão Nuclear Na fissão nuclear um núcleo é dividido após ser bombardeado liberando nêutrons que resultam em uma reação em cadeia. Já na fusão nuclear, 2 ou mais núcleos se fundem, ou seja, se “unem” para formar um núcleo maior. A fusão e fissão tem algo em comum, a liberação de energia pela mesma razão. Raio gama

1Próton

²H

2Próton

¹H

Núcleo simples de hélio

³H

+ Raios gama

Note que um próton e um dêuteron se fundem e se transforma em um núcleo simples de hélio com emissão de um raio gama.

Já nesse outro caso, dois núcleos simples de hélio se fundem e da origem a uma partícula alfa ( núcleo de hélio ) + dois prótons. p

n p

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p p

n n

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Para que a fusão entre dois núcleos aconteça, eles devem aproximar da distância dos prótons que estão dentro do núcleo por força nuclear, ou seja, eles devem superar a força de repulsão elétrica entre as cargas. A força nuclear que os núcleos deve superar está na ordem de: m Experiências com fusão nuclear vem sendo testadas por cientistas, pois essas reações podem apresentar uma enorme fonte de energia. Veja abaixo algumas das experiências que estão sendo testadas:

Para que essas fusões aconteça e os átomos liberem essas energias, é necessário que os átomos possua uma temperatura extremamente elevadas. REFORÇO IMPORTANTE Fissão nuclear é a de um núcleo pesado em dois núcleos leves, geralmente instáveis, com liberação de energia. Fusão nuclear é a soma de dois ou mais núcleos leves em um pesado, com liberação de energia. Tiago Todescatto 175

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Referências Bibliográficas EDITH APPLEGATE. Anatomia e Fisiologia. 4. Ed. Elsevier Brasil, 2012. GERARD J. TORTORA, CHRISTINE L. CASE, BERDELL R. FUNKE. Microbiologia - 12ª Ed. Artmed Editora, 2016. MOORE, JOHN. Química Para Leigos – 1ª Ed. Alta Books Editora, 2010 DEE UNGLAUB SILVERTHORN. Fisiologia Humana: Uma Abordagem Integrada – 5ª Ed. Artmed Editora, 2009 PAULO CESAR FULGENCIO. Glossario - Vade Mecum. Mauad Editora Ltda, 2007. STUART WHITE, MICHAEL J. PHAROAH. Radiologia Oral – 7 Ed. Elsevier Brasil, 2015. BUSHONG. Ciência radiológica para tecnólogos - 9 Ed. Elsevier Brasil, 2010. MARIA BEATRIZ BREVES RAMOS. Macromicro – 2ªEd. Mauad Editora Ltda, 2009. SENAI-SP

EDITORA.

Fundamentos

mecânica

Metalmecânica - Mecânica – 1ªEd. SESI SENAI Editora, 2015. PAUL HEWITT. Física Conceitual – 12ªEd. Bookman Editora, 2015. JOHN PELLERITO, JOSEPH F POLAK. Introdução Ultrassonografia Vascular – 6ªEd. Elsevier Brasil, 2015.

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