Radioquímica

Irradiação e Contaminação

Irradiação é a exposição de um objecto ou um corpo à radiação, o que pode ocorrer à distância, sem necessidade de contacto.

Irradiar <> contaminar.

Irradiação e Contaminação

Contaminação, radioativa ou não, caracteriza-se pela presença indesejável de um material num local inadequado.

No caso de materiais radioativos, a contaminação gera irradiações.

Interação da radiação com a matéria

Radiação

Ionização: remoção completa de um ou mais eletrões de valência

Excitação: os eletrões são levados a níveis de maior energia

Eletromagnética (raios X e )

Partículas carregadas (e-, , d, etc)

Neutrões

Interação com neutrões

Classificação segundo a energia

lentos 0,03 eV < n < 100 eV

intermediários 100 eV < n < 10 eV

rápidos 10 keV < n < 10 keV

alta energia n > 10 MeV

ou

térmicos n 0,025 eV

epitérmicos 1 eV <n < 100 keV

rápidos n > 100 keV

Interagem por colisão direta com o núcleo

Interação com partículas carregadas

Pesadas p, d, etc

Leves e

Partículas pesadas tem menor velocidade que um eletrão de mesma energia, portanto ionizarão um número maior de átomos ao longo de seu percurso que será aproximadamente linear.

Eletrões perdem energia através de uma série de colisões que deflictam do processo original, causando uma série de ionizações secundárias.

eletrão

incidente

absorvente

Interação com raios X e

Raios são radiações eletromagnéticas que acompanham transições nucleares.

Raios X são radiações electromagnéticas que acompanham transições eletrónicas.

Principais processos competitivos

Efeito fotoeléctrico

Efeito Compton

Produção de pares

Efeito fotoeléctrico

- Acontece quando a energia da radiação, étransferida totalmente para um únicoeletrão ejetando-o do átomo comvelocidade (processo de ionização).

-O processo de troca de energia pelaequação:

Ec = h.f - Elig ,

sendo Ec a energia cinética, h.f a energiado raio X incidente e Elig a energia deligação do eletrão à sua orbital

- Este eletrão expelido do átomo édenominado fotoeletrão e poderá perdera energia recebida do fotão, produzindoionização noutros átomos

- A direção de saída do fotoeletrão comrelação à de incidência do fotão, variacom a energia deste.

Efeito Compton

- Quando a energia da Radiação aumenta, o espalhamento Comptontorna-se mais frequente que o efeito fotoelétrico.

- O efeito Compton é a interação de um fotão muito energético com um eletrão orbital, sendo parte da energia do raio incidente transferido como energia cinética para o eletrão e o restante é cedida para o fotão espalhado, levando-se em consideração também a energia de ligação do eletrão.

- O fotão espalhado terá uma energia menor e uma direção diferente da incidente.

Produção de pares

A produção de pares ocorre somente quando fotões de energia igual ou superior a 1,02 MeV passam próximos de núcleos com elevado número atómico.

- Nesse caso, a radiação interage com o núcleo e desaparece, dando origem a um par eletrão-positrão com energia cinética em diferente proporção. O positrão e o eletrão perderão a sua energia cinética através de processos de ionização e excitação.

INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

Radiação Gama ou X - Atenuação

xeII 0

I = Intensidade final do feixe (número de fotões)

I0 = Intensidade inicial do feixe (número de fotões)

= Coeficiente de atenuação (depende da energia)

x = Espessura do material absorvedor

INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

xeII 02/1

00 2/X

eII

)/2(ln2/1 XCSR

Radiação Gama ou X

(CSR) Camada Semi-Redutora - espessura de

um material que atenua o feixe em 50%de seu

valor original

INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

Radiação Gama ou X

(CSR) Camada Semi-Redutora - espessura de

um material que atenua o feixe em 50%de seu

valor original

Prática: Mais fácil expressar em termos do

coeficiente de atenuação de massa:

)(/

0

xeII

Onde: = densidade do material do meio.

EXPOSIÇÃO

- quantidade de radiação X ou gama tal que, a emissão

corpuscular a ela associada, num cm3 de ar, produz no

mesmo, iões transportando uma u.e.s (unidade eletrostática

de carga) de cada sinal, nas condições normais de

temperatura e pressão.

EXPOSIÇÃO (X) = ∆Q/∆m

A unidade de exposição é o Roentgen, com símbolo

R, sendo que no sistema convencional é:

1 R = 2,58 . 104 Coulombs/Kg de ar.

A Taxa de Exposição é dada pela quantidade de

cargas por unidade de massa de ar sendo gerada por unidade

de tempo, ou seja:

Taxa de Exposição = dX/dt

Unidades: R/s, mR/hora,etc

ENERGIA DEPOSITADA

Considerando-se um elemento de volume ∆V contendo uma massa

∆m, a energia depositada será no elemento de volume:

∆ED = Ein - Eout + Q

sendo,

Ein = soma das energias totais de todas as partículas entrando em ∆V

Eout = soma das energias totais de todas as partículas saindo em ∆V

Q = energia gerada em ∆V (reações nucleares)

DOSE ABSORVIDA

A energia depositada ∆ED na quantidade de massa ∆m é definida

como dose absorvida, D.

D = ∆ED/∆m

Unidade no sistema convencional: Rad = 0,01 J/Kg = 100 erg/g

No sistema internacional SI: Gy = Gray = 1 J/Kg = 100 Rad

TAXA DE DOSE ABSORVIDA

A taxa de dose absorvida é definida como a quantidade de energia

depositada por unidade de massa por unidade de tempo.

dD/d t= D° = (∆ED/∆m)/ ∆t

A taxa de dose é medida, no sistema internacional, em Gy/s, mGy/hr,

etc.. No sistema convencional, de modo análogo, rad/s, mrad/hr, etc.

EFETIVIDADE BIOLÓGICA RELATIVA

(RBE - “Relative Biological Efectiveness”)

- Se os danos biológicos causados pela radiação dependessem somente da

energia depositada esta seria uma medida dos danos.

- a forma de deposição é importante e para uma mesma quantidade total de

energia depositada, são maiores os danos causados por radiações de alto

LET (linear energy transfer, coeficiente de transferência de energia por

unidade de comprimento), do que aqueles causados por radiação de baixo

LET.

Diz-se que há um “fator de qualidade” associado à radiação. O facto dos

danos biológicos terem uma dependência de seu LET, é expresso pela RBE

(relative biological effectiveness) associada a cada tipo de radiação e energia.

A RBE é um parâmetro específico para cada tipo de radiação, energia e efeito

de interesse, a sua medida é feita em laboratório.

DOSE EQUIVALENTE

- Para fins de proteção radiológica deve-se levar em conta

que diferentes tipos de radiação, qualidade espetral

(distribuição de energia), distribuição espacial da dose no

tecido irradiado, taxa de dose e tipo de exposição (aguda ou

crónica), produzem diferentes efeitos biológicos.

- Assim, uma mesma dose absorvida (rads), de diferentes

tipos de radiação, pode produzir diferentes efeitos

biológicos. Logo, para obter uma quantidade que

expressasse, numa escala comum, o dano de radiação num

organismo irradiado foi introduzido o conceito de dose

equivalente.

DOSE EQUIVALENTE

A dose equivalente é numericamente igual à dose em RAD

multiplicada pelos fatores modificadores apropriados.

DE (REM) = D (RAD) . (QF) . (DF)1 . (DF)2 . ....

Sendo:

QF – fator de qualidade

DF1, DF2,... fatores de distribuição.

A unidade de dose equivalente é o Sievert ou o REM (Roentgen –

equivalent – man)

Sistema Internacional - Sv = Sievert = Gray x fator de qualidade.

Sistema Convencional - REM = Rad Equivalent Men

O fator de conversão entre as unidades é 1Sv = 100 REM.

DOSE EQUIVALENTE EFETIVA

A dose equivalente efetiva é uma grandeza expressa por:

HE= ∑ ωT HT

Sendo:

ωT = fator de ponderação para o tecido ou órgão T;

HT = dose equivalente média no tecido ou órgão T

UNIDADES

RAD unidade de dose absorvida sendo essa definida pela razão d/ dm, onde d é a energia média distribuída pela radiação na massa de 1 dm.

1 rad = 100 erg/g

GRAY nova unidade de dose absorvida usada em substituição ao rad.

1Gy = 100 rad

ROENTGEN unidade de exposição e está relacionada à capacidade dos raios X ionizarem o ar; para raios X e uma exposição de 1R resulta numa dose absorvida de 1 rad em água ou tecido mole.

ELETRÃO-VOLT é a energia adquirida por um eletrão ao atravessar uma diferença de potencial de 1 V.

1 eV= 1,6 x 10-12 J

CURIE é uma unidade de taxa de decaimento radioativo de um nuclídeo que possui 3,7 x 1010 desintegrações/segundo.

1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações/s

MEIA - VIDA tempo médio para que metade dos átomos de um elemento radioativo decaiam.

T 1/2 = (ln2)/ , sendo a constante de decaimento

BEQUEREL unidade de atividade

1 bq = 3,7 x 10-10 Ci

ROENTGEN EQUIVALENT MAN unidade de dose que tenta expressar todos os tipos de radiação numa escala comum.

DREM = DRAD x QF

RELAÇÕES DE UNIDADE

DL50/30 (seres humanos): 4 Gy = 400 rad = 4 Sv (para radiação eletromagnética)

1 mSv = 0,1 rem = 0,1 rad = 0,1 cGy (para radiação eletromagnética)

Dose rad gray Gy 1 rad = 1cGy

Dose equivalente

rem sievert Sv 1 rem = 0,01 Sv

Radioatividade Ci bequerel Bq 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq

Antiga Nova Símbolo Relação

Escala do tempo do dano da radiação

Fase Tempo Acção Efeito Protecção e tratamento

Físico < 10-14 s Deposição de energia na água e em compostos orgânicos e inorgânicos na proporção aproximada das massas

Excitação dos compostos e absorção de energia

Nenhuma, somente blindagem externa como prevenção

Físico-químico 10-14 a 10-12 s

-Quebra das ligações:

S-H, O-H, N-H e C-H.

- Transferência de iões.

- Radiólise da água

- formação de radicais livres

- emissão de luz das moléculas excitadas.

-Formação de H2O2

- Início do dano químico.

- Radicais livres começam a reagir com os radicais metabólicos normais

- Reparação parcial das ligações por compostos –SH presentes.

-Alguma protecção pode ser dada pela injecção de aditivos antes da irradiação

Escala do tempo do dano da radiação

Fase Tempo Acção Efeito Protecção e tratamento

Químico 10-12 a 10-7 s

Continua a reacção dos radicais livres da água com biomoléculas.

- Quebra da ligações C-C e C-N.

- Radicais secundários.

- Produtos estáveis começam a aparecer.

- Formação de produtos tóxicos

-Inicia-se o dano de RNA e DNA.

- AsEnzimas são inativadas e ativadas.

- Depleção de –SH.

- Peroxidação de lipídeos.

- Dano em todas as biomoléculas.

- Toxicidade dos produtos é iniciada

Proteção parcial por ‘scavengers’ e antioxidantes. Catalase e glutationaperoxidaseprotegem contra H2O2.

RSH protege inactivação de enzimas.

Outros sistemas enzimáticos actuam. Terapia com estes agentes pode ser útil

Escala do tempo do dano da radiação

Químico e biológico coincidem

10-7 a

10 s

- Formação de radicais secundários.

- Formação de eróxidos orgânicos.

- Formação de Hidroperóxiodos H2O2 continuam a agir

-Muitas reações bioquímicas são interrompidas.

-Começa a reparação do DNA

Tratamento pós-irradiação deveria começar

Biológico 10 s a

10 h

-A maioria das reações primárias são completadas.

-Reações secundárias continuam

-Mitose das células é diminuída.

-Reações bioquímicas bloqueadas.

-Rompimento da membrana celular.

-Começa o efeito biológico

Tratamentos

Fase Tempo Acção Efeito Protecção e tratamento