Prof.: Andr Luiz Esp.Tecn. em RadiologiaE-mail: andrefigueiredorx@gmail.comIntroduo Fsica das Radiaes

No sei ainda que espcie de raio o X. Mas sei que vai operar milagres WILHELM CONRAD RENTGEN (1845 1923)

APRESENTAO

Em Novembro de 1895, Wilhelm Conrad Roentgen, fazendo experincias com raios catdicos (feixe de eltrons), notou um brilho em um carto colocado a pouca distncia do tubo. Notou ainda que o brilho persistia mesmo quando a ampola (tubo) era recoberta com papel preto e que a intensidade do brilho aumentava medida que se aproximava o tubo do carto. Este carto possua em sua superfcie uma substncia fosforescente (platino cianeto de brio).

Roentgen concluiu que o aparecimento do brilho era devido a uma radiao que saia da ampola e que tambm atravessava o papel preto. A esta radiao desconhecida, mas de existncia comprovada, Roentgen deu o nome de raios-X, posteriormente conhecido tambm por raios Roentgen. Roentgen constatou tambm que estes estranhos raios podiam atravessar materiais densos, em um desses resultados ele pode visualizar os ossos da mo de sua mulher

No ano de 1895, Wilhelm Conrad Rntgen (Fsico nascido na Alemanha)

No sei ainda que espcie de raio o X. Mas sei que vai operar milagres WILHELM CONRAD RENTGEN (1845 1923)

Em 1896, Antoine Henri Becquerel (fsico nascido na Frana) descobriu acidentalmente o fenmeno da radioatividade

A descoberta dos raio X caracterizada por muitos aspectos surpreendentes, e isso faz com que o fato esteja entre os mais importantes eventos da histria humana. Em primeiro lugar, a descoberta foi acidental;Em segundo lugar, provavelmente, pelo menos uma dzia de contemporneos de Roentgen tinha observado anteriormente a radiao X, mas nenhum desses outros fsicos havia reconhecido a sua importncia ou investigando-as;Em terceiro lugar, Roentgen deu sequncia a sua descoberta cientifica com tal vigor que, dentro de pouco mais de um ms ele havia descrito a radiao X com quase todas as propriedades que reconhecemos hoje.

Evoluo O tomo de Rutherford (1911) Estudando a trajetria de partculas emitidas pelo elemento radioativo polnio, ele observou que a maioria das partculas a atravessavam a lmina de ouro sem sofrer desvio em sua trajetria; que outras sofriam; outras, em nmero muito pequeno, batiam na lmina e voltavam.

Desta forma concluiu que o tomo no era macio e props que o mesmo possua um ncleo positivo, denso e muito pequeno rodeado por uma regio comparativamente grande onde estariam os eltrons em movimentos orbitais (eletrosfera).

E O que um tomo? a menor poro de matria

A ideia de que a matria formada por partculas muito pequenas e indivisveis.

Um tomo possui um ncleo que concentra praticamente toda a sua massa, e retm a carga positiva.

1Ns Sabemos agora que o tomo a menor partcula da matria que tem as propriedades de um elemento. Muitas partculas so muito menores que o tomo; estas so chamadas de partculas subatmicas.

tomo de Bohr (1913) Com o modelo de Bohr foram propostos os seguintes postulados: Na eletrosfera, os eltrons descrevem sempre rbitas circulares ao redor do ncleo, chamadas de camadas ou nveis de energia. Cada camada ocupada por um eltron possui um valor determinado de energia (estado estacionrio). Os eltrons s podem ocupar os nveis que tenham uma determinada quantidade de energia, no sendo possvel ocupar estados intermedirios. Cada rbita denominada de estado estacionrio e pode ser designada por letras K, L, M, N, O, P, Q.

Modelo Atmico Partculas fundamentais

A Nossa compreenso de tomo hoje baseia-se no que Bohr apresentou a quase um sculo. No modelo de Bohr o tomo pode ser visto como um sistema solar cujo o sol o ncleo e cujos os planetas so os eltrons. O eltron, o prton e o nutron representam as partculas fundamentais deste modelo.

Estrutura eletrnica Os eltrons se distribuem em camadas ou orbitais de tal modo que dois eltrons no ocupem o mesmo lugar ao mesmo tempo; Quanto mais eltrons possuir o elemento qumico, mais camadas ele deve ter ou mais complexa ser a maneira como eles se acomodaro; Cada orbital pode ser representado por um eltron se movendo segundo uma trajetria circular (ou elptica) ou por uma nuvem envolvendo o ncleo.

A Identificao dos tomosA identificao de cosias e pessoas por meio de nmeros muito comum em nosso cotidiano.

Analogamente, o numero de prtons, de nutrons e de eltrons constitui dado importante para identificar um tomo.

Por isso, vamos definir alguns conceitos que esto diretamente relacionados a esses nmeros.

Nmero atmico (Z)Nmero atmico (Z) o nmero de prtons existentes no ncleo de um tomo.Em um tomo normal, cuja carga eltrica zero, o nmero de prtons igual ao nmero de eltrons.

Ex: Quando se diz que o N Z de Na (sdio) 11, isso que dizer que no ncleo desse tomo existem 11 prtons e conseguintemente existem 11 eltrons.

Nmero de Massa (A)Nmero de Massa (A) a soma do nmero de prtons (Z) e de nutrons (N) existentes num tomo.Matematicamente: A= Z + N o Numero de massa que nos informa se um tomo mais leve ou mais pesado do que outro.Ex: O tomo de Na tem 11 Prtons, 12 Nutrons e 11 eltrons.Numero Atmico (Z) = 11 n de prontos = n de eltrons = 11N de Nutrons: N = 12N de massa: A = Z + N = 11 + 23 = 23

Elemento QumicoElemento qumico o conjunto de todos os tomos com o mesmo nmero atmico (Z).A notao geral de um tomo : Nmero de MassaNmero atmico

Exemplo: Um tomo de cloro que possui 17 prtons e 18 nutrons no ncleo. Seu numero de massa A = Z + N = 17 + 18 = 35.

Observaes:Um tomo, em seu estado normal, eletricamente neutro, ou seja o nmero de eltrons na eletrosfera igual ao nmero de prtons do ncleo e, em consequncia, suas cargas se anulam.Um tomo pode, porm, ganhar ou perder eltrons da eletrosfera sem sofrer alteraes e, seu ncleo, resultado na formao da partculas denominadas ons. Quando um tomo ganha eltrons, ele se torna um on negativo, tambm chamado nion. E, quando um tomo perde eltrons, ele se torna um on positivo, tambm chamado ction.

Istopos, Isbaros e IstonosExaminando os nmeros atmicos (Z), de nutrons (N) e de massa (A) de diferentes tomos, podemos encontrar conjuntos de tomos com um ou outro nmero igual.

Desse exame nasceram novos conceitos que agora iremos definir.

Istopos2Istopos: So tomos com mesmo nmero de prtons (Mesmo Z) e diferente de nmero de massa. Conclui-se, facilmente, que os Istopos so tomos do mesmo elemento qumico que possuem diferentes nmeros de nutrons, resultando da nmeros de massa diferentes. Exemplo: H1 H1 H1 (Z = 1)

O8 H8 H8 (Z = 8)

Isbaros4Isbaros: So tomos de diferentes nmeros de prtons (elemento diferentes), mas que possuem o mesmo nmero de massa (A). Imediatamente, conclui-se que os isbaros so tomos de elementos qumicos diferentes, mas que possuem a mesma massa. Exemplo: Pb13 e AL19 (A =33)

AL11 K13 Ba12 (A = 23)

Istonos6Istonos: So tomos de diferentes nmeros de prtons (elemento diferentes), e diferentes nmeros de massa, porm com mesmo nmero de nutrons (N). Exemplo: Cl10 e AL20 (N = 3)

O tomo de cloro tem N = A Z = 13 10 N = 3 nutrons

O tomo de Alumnio tem N = A Z = 23 20 N = 3 nutrons

Exemplo:

1. Quais so os nmeros de prtons (Z), de massa (A), de nutrons (N) e de eltrons (E) de um tomo de potssio (9K19) em seu estado normal?R. O nmero de prtons, Z = 19, e o numero de massa A = 39 J ta indicado na representao (9K19).O numero de nutrons N = A Z = 39 19 = 20.O nmero de eltrons E = Z = 19, pois tomo em seu estado normal, onde o nmero de eltrons deve ser igual ao numero de prtons. Ou E=Z=P

ExerccioO que um tomo e de que ele composto?O que nmero atmico? E nmero de massa?O que Elemento qumico?Que so Istopos, Isobaros e Istonos?O nmero de prtons, de eltrons e de nutrons do tomo 5Cl17 , respectivamente: Z= 17 ; E=Z ; N=18Em um tomo com 22 eltrons e 26 nutrons, seu numero atmico e numero de massa so respectivamente E=Z Z=22 N=26

Origem das radiaes As radiaes so produzidas por processos de ajuste que ocorrem no ncleo ou nas camadas eletrnicas, ou pela interao de outras radiaes ou partculas com o ncleo ou com o tomo.

Radiao nuclear o nome dado as partculas ou ondas eletromagnticas emitidas pelo ncleo durante o processo de restruturao interna para atingir a estabilidade.

8Raios X a denominao dada radiao eletromagntica de alta energia que tem origem na eletrosfera ou na frenagem de partculas carregadas no campo eletromagntico do ncleo atmico ou dos eltrons.

RADIAES ELETROMAGNTICAS Voc com certeza sabe ou mesmo ouvir falar que o controle remoto de sua TV ou DVD funcionam por infravermelho. Tambm j no mais novidade um microcomputador operado por mouse e teclado sem fios, ou seja, por infravermelho. - Mas afinal de contas o que vem a ser esse tal de infravermelho? - Alguma espcie de raio invisvel? - Exatamente! O Universo que nos rodeia banhado por um imenso "oceano" de luzes, das quais nossos olhos conseguem captar apenas uma pequenssima frao. Essa pequena frao de radiaes que o olho humano v, chamada de luz visvel ou apenas luz.

Ondas eletromagnticas Conceitos bsicos do movimento ondulatrio:

9Ondas uma perturbao que se propaga atravs de um meio. Toda onda transmite energia sem transportar matria.

Quanto a natureza podem ser:

Mecnicas necessitam de um meio material para se propagar (ex. som); Eletromagnticas no necessitam de um meio material para se propagar (ex. luz, raios X e raios gama)

Elementos de uma onda

Crista ponto mais alto e Vale ponto mais baixo; Comprimento distncia de uma crista a outra; Amplitude altura da crista; Frequncia nmero de ciclos por unidade de tempo; Ciclo movimento completo de qualquer ponto da onda; Perodo tempo necessrio para que duas cristas consecutivas passem pelo mesmo ponto.

Energia eletromagntica Sempre h ao nosso redor um campo ou estado de energia chamado energia eletromagntica. Ex.: Luz visvel, raios X, radiao gama e radiofrequncia. Um fton a menor quantidade de qualquer tipo de energia eletromagntica, assim como um tomo a menor quantidade em um elemento. Um fton pode ser retratado como um pacote de energia, quantum, que se move a velocidade da luz (c). As propriedades de energia eletromagntica incluem frequncia, comprimento de onda, amplitude e velocidade. Trs parmetros da onda velocidade, frequncia e comprimento so necessrios para descrever a energia eletromagntica.

Para as ondas eletromagnticas, a energia transportada depende unicamente de sua freqncia ou de seu comprimento de onda, j que ambos esto relacionados pela velocidade da luz que uma constante universal..................A luz se desloca no espao por meio de ondas eletromagnticas, que no necessitam de um meio fsico para serem transportadas, e, portanto diferem dos outros exemplos de ondas encontrados na natureza, como ondas na gua, ondas sonoras, ssmicas, etc.

TIPOS DE RADIAO

As radiaes constituem uma forma de energia que, de acordo com a sua capacidade de interagir com a matria, se podem subdividir em: 10Radiaes Ionizantes: as que possuem energia suficiente para ionizar os tomos e molculas com as quais interagem, sendo as mais conhecidas: Raios X e raios gama (radiaes electromagnticas); Raios alfa, raios beta, nutrons, prtons

10Radiaes No Ionizantes: as que no possuem energia suficiente para ionizar os tomos e as molculas com as quais interagem, sendo as mais conhecidas:

luz visvel; infravermelhos; ultravioletas; microondas de aquecimento; microondas de radiotelecomunicaes; corrente elctrica. As radiaes que pertencem ao espectro electromagntico ocupam a diferentes posies de acordo com a sua energia e comprimento de onda. Dada a complexidade deste tema, abordar-se-o apenas as radiaes que tm aplicao na indstria do material eltrico e eletrnico, dando especial nfase s aplicaes industriais, possveis efeitos negativos para a sade e medidas de preveno e de controle.

Espectro eletromagntico Trs regies do espectro eletromagntico so em particular importantes para a cincia radiolgica. A regio dos raios X e gama, pois propiciam a obteno de imagens radiogrficas ou fluoroscpicas com qualidade. A regio de luz visvel que influncia nas condies de visualizao para diagnstico de uma imagem radioscpica ou fluoroscpica. A regio de radiofrequncia em funo do desenvolvimento de sistemas de imagens por ressonncia magntica (IRM) tem sua relevncia destacada na produo de imagens mdicas.

Dualidade onda-partcula

Ftons de raios X e ftons de luz visvel Raios X: frequncia; energia e comprimento de onda Estas diferenas influem como esses ftons interagem com a matria: Radiofrequncia: comprimento de onda medidos em metros interagem com hastes metlicas ou antenas;

Micro-ondas: comprimento de onda medidos em centmetros interagem com objetos do tamanho de um alimento;

Luz visvel: comprimento de onda em nanmetro (nm) interagem com clulas. Ex.: bastonetes e cones do olho. Luz ultravioleta: interagem com molculas; Raios X e gama: interagem com eltrons e tomos. Os raios X e gama se comportam como se fossem partculas ao interagirem com a matria.

RadioatividadeNcleos atmicos que espontaneamente emitem partculas ou energia pura (radiao eletromagntica) so chamados radioativos.

11A radioatividade a liberao de energia por um ncleo excitado.

Ncleos atmicos que espontaneamente emitem partculas ou energia pura (radiao eletromagntica) so chamados radioativos.

Esse processo chamado de decaimento radioativo, e pode ocorrer basicamente de trs modos distintos: por emisso alfa, por emisso beta ou por emisso gama. Alfa, beta e gama so nomes dados a tipos de radiao cuja natureza era desconhecida na poca em que foram descobertas.

12Tempo de Meia Vida, portanto, o tempo necessrio para a atividade de um elemento radioativo ser reduzida metade da atividade inicial.

EXEMPLO: Na medicina nuclear, a radioatividade da maioria dos elementos empregados tem meias vidas curtas. O IODO- 131, utilizado em medicina nuclear para exames de tireoide, possui a meia vida em torno de oito dias. Isso significa que, decorrido oito dias, a atividade ingerida pelo paciente ser reduzida metade. Passados mais oito dias, caira metade desse valor, ou seja das atividade inicial do iodo era de 200 mBq, depois de quantos dias sua atividade ir cair para 12,5 mBq?

As tabelas abaixo mostram os submltiplos do Curie e os mltiplos do Becquerel mais frequentemente empregados.

Tipos de Radiaes

Poder de ionizao e penetrao das radiaes

Partcula alfa (): alto poder de ionizao e baixo poder de penetrao; Partcula beta (): alto poder de ionizao (menor que ) e baixo poder de penetrao (maior que ); Ftons gama (): baixo poder de ionizao e alto poder de penetrao; Ftons de raios X: baixo poder de ionizao e alto poder de penetrao.Conceitos Fundamentais

Caractersticas de penetrao das radiaes ionizantes

PRODUO DE RAIOS X

De um modo geral os Raios X so produzidos quando eltrons (partculas elementares de carga negativa) em alta velocidade colidem violentamente contra alvos metlicos. Os equipamentos de Raios-X foram planejados de modo que um grande nmero de eltrons sejam produzidos e acelerados para atingirem um anteparo metlico (alvo) com alta energia cintica.

Uma aplicao interessante tambm para determinar a idade de objetos arqueolgicos, fsseis e rochas, como ocorre com o carbono 14, que incorporado nos organismos vivos. Quando o ser vivo morre, ele deixa absorver esse istopo e existe somente a sua desintegrao. Sabendo que o perodo de meia-vida do carbono-14 de 5730 anos, pode-se calcular em que tempo aquele ser vivo morreu. Para mais detalhes, leia o texto Carbono 14.

No tubo de Raios X os eltrons obtm alta velocidade devido a alta tenso aplicada entre o anodo (eletrodo positivo) e o catodo (eletrodo negativo). Os eltrons que atingem o alvo (anodo) interagem com sua estrutura atmica, transferindo suas energias cinticas para os tomos da estrutura atmica do alvo. Os eltrons interagem com qualquer eltron orbital ou ncleo dos tomos do anodo. As interaes resultam na converso de energia cintica em energia eletromagntica (calor, cerca de 99% e Raios X, cerca de 1%)

O TUBO DE RAIOS X montado dentro de uma calota protetora de metal forrada com chumbo, projetada para evitar exposio radiao fora do feixe til e possveis choques eltricos. Os raios-X produzidos dentro do tubo, so emitidos em todas as direes (feixe divergente). Os raios-X utilizados em exames so emitidos atravs de uma janela (feixe til ou primrio). Os raios-X que passam pela capa de proteo so chamados radiao de vazamento ou de fuga e podem causar exposio desnecessria tanto do paciente quanto do operador.

CATODO o plo (ou eletrodo) negativo do tubo de raios-X. Dividindo-se em duas partes: Filamento catdico e capa focalizadora ou copo de foco (cilindro de Welmelt).

Filamento Catdico Tem forma de espiral, construdo em tungstnio e medindo cerca de 2mm de dimetro, e 1 ou 2 cm de comprimento. Atravs dele so produzidos os eltrons, quando uma corrente atravessa o filamento. Este fenmeno se chama emisso terminica. A ionizao nos tomos de tungstnio ocorre devida ao calor gerado e os eltrons so emitidos. O tungstnio utilizado porque possui um alto ponto de fuso, suportando altas temperaturas (cerca de 3.400 C). Normalmente os filamentos de tungstnio so acrescidos de 1 a 2% de trio, que aumenta eficientemente a emisso terminica e prolonga a vida til do tubo.

Capa Focalizadora ou Copo de Foco Sabe-se que os eltrons so carregados negativamente havendo uma repulso entre eles. Ao serem acelerados na direo do anodo, ocorre uma perda, devido disperso dos mesmos. Para evitar esse efeito, o filamento do catodo envolvido por uma capa carregada negativamente, mantendo os eltrons unidos em volta do filamento e concentrando os eltrons emitidos em uma rea menor do anodo.

Foco Duplo A maioria dos aparelhos de raios-X diagnstico, possui dois filamentos focais, um pequeno e um grande. A escolha de um ou outro feita no seletor de mA, no painel de controle. O foco menor abrange uma faixa de 0,3 a 1,0 mm e o foco maior, de 2,0 a 2,5 mm. Ambos os filamentos esto inseridos no copo de foco.

O foco menor e associado ao menor filamento e o maior, ao outro. O foco menor ou foco fino (2), permite maior resoluo da imagem, mas tambm, tem limitado a sua capacidade de carga ficando limitado as menores cargas . O foco maior ou foco grosso (1), permite maior carga, mas em compensao, tem uma imagem de menor resoluo.

ANODO o eletrodo ou plo positivo do tubo de raios-X. Existem dois tipos de anodo: anodo fixo e anodo rotatrio (ou giratrio). O anodo recebe os eltrons emitidos pelo catodo. Alm de ser um bom condutor eltrico, o anodo tambm um bom condutor trmico. Quando os eltrons se chocam contra o anodo, grande parte de suas energias cinticas so transformadas em calor. Este calor deve ser conduzido para fora rapidamente, para no derreter o anodo. O material mais usado no anodo tungstnio em base de cobre por ser adequado na dissipao do calor.

a) Anodo fixo encontrado normalmente em tubos onde no utilizada corrente alta, como aparelhos de raios- X dentrios, unidades portteis ou unidades de mamografia Esquema de uma ampola com anodo fixo

Exemplo de uma ampola com anodo fixo Detalhe do Catodo, com seu copo de foco

Anodo giratrio ou rotatrio A maioria dos tubos de raios-X utiliza este, devido a sua capacidade de resistir a uma maior intensidade de corrente em tempo mais curto, e com isso, produzir feixes mais intensos. Esquema de uma ampola com anodo giratrio

Exemplo de uma ampola com anodo giratrio Detalhe do Catodo, com seu copo de foco Detalhe do anodo giratrio

Alvo, Fonte , ponto de Foco ou pista focal a rea do anodo que recebe o impacto dos eltrons. No anodo fixo, o alvo feito de uma liga de tungstnio includa em um anodo de cobre. No anodo giratrio, o alvo um disco. Este disco tem uma resistncia grande alta temperatura. A escolha do tungstnio deve-se :

1. Alto nmero atmico, acarretando grande eficincia na produo de raios-X. 2. Condutividade trmica quase igual a do cobre, resultando em uma rpida dissipao do calor produzido. 3. Ponto de fuso (3.400 C), superior temperatura de bombardeamento de eltrons (2.000 C).

O anodo giratrio permite uma corrente mais alta pois os eltrons encontram uma maior rea de impacto. Com isso o calor resultante no fica concentrado apenas em um ponto como no anodo fixo.

A capacidade de carga aumentada com o nmero de rotaes do anodo. Normalmente a capacidade de rotao de 3.400 rotaes por minuto. Existe anodo de tubos de maior capacidade que giram a 10.000 rpm.