Fsica das Radiaes e Radiobiologia

Fsica das RadiaesProf. Carlos Eduardo

Caruaru,2014

Radiao a propagao da energia em varias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos:

Radiao Corpuscular;

Radiao Eletromagntica.Radiao CorpuscularConstituda de uma feixe de partculas ou ncleos atmicos:Eltrons;Prtons;Nutrons;Partculas alfa; etc.

Ondas eletromagnticas so constitudas de campos eltricos (E) e magnticos (B) oscilantes, propagando-se com velocidade constante, a velocidade da luz (c). Exemplos de radiaes eletromagnticas: raios X, radiao gama, ondas de rdio, ondas luminosas, radiao ultravioleta, radiao infravermelha. Nas animaes abaixo temos representaes de ondas eletromagnticas se propagando, vemos que o campo eltrico (E) faz um ngulo de 90 com o campo magntico (B).

Duas vises da propagao de ondas eletromagnticas da esquerda para direita.Fonte dos gifs animados: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation

Acessado em 19/05/20124Propagao da ondaPropagao da ondaRadiao EletromagnticaEBxlf = vlComo ocorre para toda onda, podemos caracterizar as ondas eletromagnticas por meio de seu comprimento de onda (), freqncia (f) e velocidade de propagao(v).

Para ondas eletromagnticos temos que a velocidade de propagao a velocidade da luz (c), assim a equao para radiao eletromagntica fica da seguinte forma:

f = cl5

O grfico ao lado mostra diferentes faixas do espectro da radiao eletromagntica, separadas por tipos de radiao. H indicao das faixas de comprimento de onda em nanmetros ( 1nm = 10-9 m), Angstroms ( 1 = 10-10 m), micrmetros (1 m = 10-6 m), milmetros ( 1 mm = 10-3 m), centmetros ( 1 cm = 10-2 m) e metros (m). Quando mais alto no grfico ao lado, menor o comprimento de onda () e maior a energia (E) e a frequncia (f) da radiao eletromagntica.A parte visvel uma faixa entre aproximadamente 400 e 700 nm (ou 4000 e 7000 ).6Constante de Planck (6,63 .10-34 J.s ou 4,14.10-15 eV.s )Frequncia da radiaoPodemos pensar que toda energia da radiao est concentrada em pequenos pacotes de energia, chamados ftons. A energia dos ftons (E), associada onda eletromagntica, dada pela seguinte equao:

E = hf7

Teoria QuantaE = hf f = cllf = clE =hcPodemos expressar a energia de um fton em funo da freqncia, ou do comprimento de onda, sabemos que a velocidade de propagao da radiao eletromagntica a velocidade da luz, assim temos:

Quando temos informao sobre a frequncia (f) podemos usar a equao E = hf para calcularmos a energia associada ao fton (E), no caso de termos conhecimento do comprimento de onda () usamos a forma alternativa:

lE =hc8Dualidade Onda-particulaA matria apresenta tanto caractersticas ondulatrias como corpuscularesmv= h/ m= massa e v= velocidade (corpuscular);

= comprimento de onda e h= CTE (ondulatrio)

Radiao e suas caractersticasQuando possuem energia, atravessam a matria, ionizando tomos e molculasmodificao qumica;

Podem ocorrer mutaes genticas;

Modificaes nas clulas vivas;

Aplicao no tratamento de tumores;

Partculas como eltrons, psitrons ou partculas alfa e radiao como gama e raios X so geradas durante o decaimento radioativo ou por meio da desacelerao e/ou acelerao de partculas carregadas. Essas radiaes interagem com a matria, por meio de transferncia de energia. Esses processos envolvem transies dos eltrons e so importantes para aplicaes mdicas e biolgicas, bem como para as bases da dosimetria e deteco de radiaoOs principais processos, onde h interao da radiao com a matria, so indicados ao lado.IonizaoExcitaoCaptura11Quando uma partcula, ou um fton, de energia suficiente incide sobre um tomo, pode haver a ejeo de um eltron desse tomo (ionizao). A condio para que isto ocorra que a energia da partcula, ou fton, incidente seja maior ou igual energia do nvel onde se encontra o eltron. Temos como resultado um tomo com carga positiva e um eltron livre com energia cintica. O eltron pode ionizar outro tomo e o tomo ionizado absorve um eltron, emitindo o excesso de energia na forma de um fton, um processo chamado captura. Eltron incidenteEltron ejetadotomo no estado fundamentaltomo sem 1 eltron na camada KK LK L12IonizaoOutra forma de interao da radiao com a matria, por meio da absoro da energia de uma partcula ou de um fton por um eltron de um tomo, onde esse eltron salta para uma camada de mais alta energia (como na figura abaixo). Essa transio leva o tomo a um estado excitado, onde haver a emisso do excesso de energia na forma de um fton. A condio para que ocorra a transio que a energia incidente seja igual diferena de energia entre dois nveis.Radiao incidenteEltron num estado demais alta energia (excitado)tomo no estado fundamentaltomo no estado excitadoK LK Ltomo no estado fundamentalK LEmisso de fton13ExcitaoUm tomo ionizado capaz de capturar um eltron livre, liberando o excesso de energia na forma de um fton, como mostrado no diagrama abaixo.Eltron livretomo ionizadotomo sem 1 eltron na camada KK LK LEmisso de fton14CapturaAs radiaes podem ser classificadas considerando-se suas caractersticas majoritrias, assim temos a seguinte diviso:

No ionizantes XIonizantes

15DIFERENA:ENERGIA

RADIAO - CARACTERSTICAS Energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo - produo de pares de ons. Partculas carregadas: Alfa, Beta, Prtons, Eltrons Partculas no carregadas: Nutrons Ondas eletromagnticas: Gama, Raios X.RADIAO IONIZANTERADIAO - CARACTERSTICAS No possui energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo Pode quebrar molculas e ligaes qumicas Ultravioleta, Infravermelho, Radiofreqncia, Laser, Microondas, Luz visvel.RADIAO NO IONIZANTENo possui energia suficiente para arrancar eltrons de um tomo;

Pode quebrar molculas e ligaes qumicas;

Ultravioleta, Infravermelho, Laser, Micro-ondas, Luz visvel.Tipos de Radiao e suas caractersticasRadiao alfa ou partcula alfa ( );

Radiao beta ou partculas beta ();

Nutrons (n);

Radiao gama ou partculas gama ();

Raios X

Radiao alfa ou partcula alfa. formada por um ncleo do tomo Hlio, ou seja, dois prtons e dois nutrons. uma radiao de baixa penetrao. produzida pelo decaimento radioativo de elementos qumicos, como urnio e rdio.

Radiao beta ou partcula beta. composta por eltrons ou psitrons de alta energia e so emitidos por ncleos atmicos como o potssio 40. Possui um poder de penetrao maior que das partculas alfa. A produo de partculas beta chamada decaimento beta.

Radiao gama ou raios gama. uma radiao eletromagntica de alta energia. produzida em processos nucleares, tais como aniquilao de pares eltron-psitron. A radiao gama forma a parte mais energtica do espectro eletromagntico (localizada esquerda do grfico abaixo).20

Espectro de radiao eletromagntica, com escala de comprimento de onda em metros.Raios X. a segunda radiao mais energtica, pode ser produzida pela acelerao de partculas carregadas. 21

Os raios X foram descobertos em 1895 de forma quase acidental. O fsico alemo Wilhelm Conrad Roentgen realizava experimentos com um tudo de vidro, onde foi feito vcuo. Neste tubo de vidro havia dois eletrodos, e uma diferena de potencial de milhares de volts foi aplicada. Tal diferena de potencial levou eltrons migrarem de um eletrodo para outro, gerando uma radiao desconhecida at ento, que Roentgen chamou de raios X. Diversos testes foram feitos, e num dos experimentos Roentgen descobriu a radiografia mdica de raios X (mostrada ao lado). Roentgen usou a mo de sua esposa (Anna Bertha Ludwig) para registrar a radiografia.

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:First_medical_X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_his_wife_Anna_Bertha_Ludwig%27s_hand_-_18951222.gif

Acessada em 19/05/201222

Considere um tubo de vidro onde foi feito vcuo, nesse tubo temos dois eletrodos inseridos, conforme o esquema abaixo. O catodo apresenta um filamento, que ao ser aquecido, devido passagem da corrente eltrica I, gera uma nuvem de eltrons. O anodo apresenta uma diferena de potencial (V2) em relao ao catodo. Tal ddp promove a acelerao dos eltrons do catodo para o anodo.

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Os eltrons so acelerados e colidem com o anodo. Essa coliso converte a energia cintica em energia trmica, que aquece o anodo, e em radiao eletromagntica, na forma de raios X. Com uma ddp da ordem de algumas dezenas de kV teremos a gerao de raios X. Este espectro de raios X chamado radiao branca, que se sobrepe ao espectro caracterstico, devido retirada de eltrons dos tomos do anodo.

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Eltron incidenteEltron ejetadotomo no estado fundamentaltomo sem 1 eltron na camada KK LK LO modelo de Bohr suficiente para entendermos os principais aspectos do espectro caracterstico de raios X. Considere que os tomos do anodo so bombardeados com eltrons com energia cintica. Esses eltrons apresentam energia suficiente para arrancar eltrons da camada K do tomo, como mostrado na figura abaixo.25

Eltron ejetadotomo sem 1 eltron na camada KK LEmisso de um fton de raios Xtomo sem 1 eltron na camada KK LO tomo sem um eltron instvel e tende a absorver um eltron de uma camada mais externa. Ao absorver esse eltron o excesso de energia emitido na forma de um fton de raios X, que ter a energia determinada pela diferena de energia entre os nveis da transio.

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FONTES DE RADIAO NO RAIO X DIAGNSTICOA figura abaixo uma foto de um tubo de raios X.Fonte: http://onlineshowcase.tafensw.edu.au/ndt/content/radiographic/photo/xray_tube.jpg

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Referncias

OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Fsica para cincias biolgicas e biomdicas. Editora Harbra, 1986.

TIPLER, P. Fsica, para cientistas e engenheiros. Volume 4 3a ed. LTC-S.A.1995.

29RadiobiologiaParte IIRadiobologiaEstuda os efeitos causados pela emisses radioativas sobre a natureza, especialmente nos seres vivo.Fontes de Radiao AmbientalTabela- algumas fontes de Radiao

Fontes de Radiao AmbientalRegies anomalasMorro do Ferro em Poos de Calda, MG:Pode atigir 3 miliroentgens/h;Mdia da regio 1,5mr/hRadiao de fundo normal 0,005 mr/hEra nuclearPilhas;Reatores;Explorao de jazidas;Aparelhos de Rx, etc.Interaes Emisses-BiossistemasPor que as radiaes agem sobre os biossistemas????????

Como a matria do biossistemas comporta-se sobre a ao das radiaes??????Mecanismos do efeito Biolgico das RadiaesAo Direta (20%)Choca-se e age sobre as molculas biolgicas;Inativao de enzimas, quebra de ligaes, formao de radicais, etc.

Ao indireta (80%) absorvido pela gua, que forma radicais muito reativos;Agem sobre as biomolculas, lesando-as.

Mecanismos do efeito Biolgico das Radiaes

Emergia das Radiaes e Efeitos BiolgicosPor que as radiaes provocam tantos danos aos biossistemas??? R- Alta energia e a baixa energia nos processos biolgicosNiveis de energia:radiaes- MeV,GeV(106, 109 eV);2-5eV-dissociao de ligaes moleculares;10-12eV- ionizao de tomos, molculas,radicais reativos;OBS.:% da emisso com choque efetivoNveis Estruturais e Efeitos das RadiaesA leso inicial a nvel molecular;

Vrios nveis ou limitada

Reversveis

Irreversveis- multaes genticasNveis Estruturais e Efeitos das Radiaes

Nveis Estruturais e Efeitos das RadiaesA Nvel MolecularModificaes nas propriedades(estrutura, funo, carga, quebre de cadeia, perda de grupamentos, entre outros)

Valor de G : o n de molculas de produto formado, a cada 100eV de E aborvido.Portanto, G=2 significa?

Nveis Estruturais e Efeitos das Radiaes

Nveis Estruturais e Efeitos das RadiaesA Nvel Supramoleculares

Muitos SensveisMedianamente Sensveis

Menos Sensveis

Tecidos hematopoitico( linfcitos, eritroblastos, mieloblastos)Clulas EndoteliaisClula sseasTecido ConectivoClulas NervosasTecidos Epiteliais( testculos, ovrio, pele)Clulas TubularesClulas MuscularesRadiossensibilidade de alguns tecidos e clulasNveis Estruturais e Efeitos das RadiaesA Nvel Supramoleculares

1Maior quantidade de gua2Maior concentrao de DNA

3Taxa elevada de reproduo4Baixo grau de diferenciao celular( clulas mais jovens)Fatores de sensibilidade Tissular (ordem decrescente)Nveis Estruturais e Efeitos das RadiaesA Nvel SupramolecularesA radiossensibilidade animal est condicionada a dois fatores:

Animal mais jovem

Animal mais evoludo na escala zoolgica ( insetos com a carapaa de quitina)

Classificao dos efeitos biolgicos das radiaes ionizantesEfeitos estocsticosprobabilidade de ocorrncia funo da dose, no apresentando dose limiar. Ex.: cncer e os efeitos hereditrios.

Efeitos determinsticosGravidade aumenta com o aumento da dose e para os quais existe um limiar de dose. Ex.: a anemia, a catarata, as radiodermites.

Uso Teraputico das RadiaesO princpio de uso dos tecidos neoplsicos;

Radiao gama necessrio dividir a dose efetiva;

Dose alta---efeitos colaterais;

Se um tumor exige 500r/ dose 20x25r. Uso Teraputico das RadiaesDoses dirias at 250-300r;

Fluxo de 2-4r/min ( 120-240r/h);

Doses totais de at 8000-10000r podem ser usadas, possvel que a radiao provoque ouras leses e efeitos colaterais.

Relao Dose x Efeito Biolgico

Relao Dose x Efeito BiolgicoOs efeitos esto relacionados com:

Dose ( nica ou cumulativa);

Quantidade da dose ( mais ou menos r);

rea irritada( dose local ou sistmico).

RadioproteoMODOS DE EXPOSIO

Exposio externa

Exposio interna

RadioproteoSero apresentadas medidas prticas que devem ser adotadas para assegurar o cumprimento dos limites de dose. No estabelecimento dessas medidas deve-se considerar o tipo de fonte radioativa, sua atividade, energia e os modos de exposio.

Radioproteo e Higiene das radiaesControle de ExposioDistancia da fonte;Tempo de Exposio

Radioproteo e Higiene das radiaes

Controle de Exposio

Distancia da fonte:

A dose de radiao recebida por um indivduo inversamente proporcional ao quadrado da distncia entre o indivduo e a fonte.

Radioproteo e Higiene das radiaesDiminuio da Exposio-Blindagem

Barreira de Chumbo( espessura)

Radioproteo e Higiene das radiaesQuimioproteo

Quimioterpicos para diminuir os efeitos das radiaes;

Cisteamina: se oxida e combinam com os radicas oxidantes gerados pelas radiaesObrigado!