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10/6/2014
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PSR – WP4 ARIAS
2014
Revisão de Conceitos e Fundamentos de
Física das Radiações (B)
Augusto Oliveira – [email protected]
PSR – WP4 ARIAS – [email protected]
Resumo 1. A radiação
2. Energia
3. O jogo do lego da natureza
4. O átomo
5. Níveis de energia
6. Unidade de energia
7. Interacções fundamentais da natureza
8. Radioactividade
1. Tipos de radiação
9. Isótopos
10. Radiação electromagnética
1. Energia da radiação electromagnética
11. Decaimento radioactivo
1. Decaimento exponencial
2. Constante de decaimento e tempo de semi-vida
12. Radiação alfa
13. Radiação beta
14. Radiação X e gama
15. Neutrões
2
16. Ionização da matéria
17. Interacção da radiação com a matéria 16. Efeito de Compton
17. Efeito fotoeléctrico
18. Produção de pares
19. Feixe de radiação
20. Pontos de interacção
21. Libertação de electrões
22. Pontos de deposição de energia na matéria
23. Radiação dispersa
18. Efeitos biológicos. Factores a considerar
19. Barreiras de protecção. Blindagem
20. Emissão de radiação de uma fonte
radioactiva
21. Fonte radioactiva colimada
22. Dose absorvida média num tecido ou órgão
23. Dose absorvida
24. Dose absorvida e protecção radiológica
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1. A radiação A radiação existe naturalmente na natureza
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2. Energia
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~100 g
1 MeV
1 g
Uma fonte de radiação
com energia de 1 MeV
pode necessitar de
medidas especiais de
segurança radiológica
1 mg
g11 ng
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3. O jogo do lego da natureza
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4. O átomo
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10 km
10 cm
4. O átomo
Dimensões
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Níveis de energia H 1
1 Estado fundamental:
O electrão ocupa uma orbital
correspondente à energia mais
baixa possível
E0
E1
E2
13.6 eV
4. O átomo
O átomo de hidrogénio
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E0
E1
E2
En
Molécula
Átomo
Núcleo
5. Níveis de energia
Núcleo, átomo, moléculas
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• Definição: Quantidade de energia adquirida por uma partícula carregada cuja carga eléctrica seja igual à do electrão, quando submetida a uma diferença de potencial de 1V.
• Por exemplo, um único electrão que se mova de um pólo de uma bateria de automóveis para o outro adquire uma energia de 12 eV. Dez electrões adquirem uma energia de 120 eV de energia, igual à que um único electrão adquiriria numa bateria de 120V.
6. Unidade de energia
Electrão Volt (eV)
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abreviação nome valor
eV electrão Volt 1
keV Quilo electrão Volt 103
MeV Mega electrão Volt 106
GeV Giga electrão Volt 109
TeV Tera electrão Volt 1012
partícula massa (partículas) , energia (fotões)
electrão 0,511 MeV
protão 938,3 MeV
neutrão 939,6 MeV
fotão (luz visível) 10 eV
fotão (raios-X) 100 keV - 10 MeV
6. Unidade de energia
Electrão Volt (eV)
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Interacção
gravítica
morte
do núcleo
Química
Física Molecular
Física atómica
QUARK
Razão da
existência
do núcleo
Física Nuclear
Física de partículas
Altas energias
Interacção
forte < Interacção
electromagnética < Interacção
fraca <
7. Interacções fundamentais da natureza
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Os núcleos desintegram-se
libertando a energia em
excesso sob a forma de
radiação
8. Radioactividade
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8
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A radioactividade resulta de
instabilidades no interior do núcleo
8. Radioactividade
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Radiação alfa
Radiação gama
Radiação beta
+
8. Radioactividade
Tipos de radiação
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U 235
92 92 protões
235 - 92 = 143 neutrões
U 238
92 92 protões
238 - 92 = 146 neutrões
Iguais na
Química
muito
diferentes
na Física
Nuclear
9. Isótopos
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1 fotão por segundo
10 20 = 100 000 000 000 000 000 000 fotões
3 000 000 000 000 (três biliões de anos)
10 20
fotões / segundo
10. Radiação electromagnética
Fotões
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Região
visível
Radiação gama
Raios X
Micro-ondas
Ondas hertzianas
10. Radiação electromagnética
Energia da radiação electromagnética
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11. Decaimento radioactivo
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11. Decaimento radioactivo
Decaimento exponencial
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lA
lB<lA
lC>lA
t
t eAA l0
2/1
2ln
Tl
lC>lA>lB
Cs-137
(30 anos)
Co-60
(5.2 anos) I-131
(8.05 dias)
TC<TA<TB
11. Decaimento radioactivo
Constante de decaimento, tempo de semi-vida
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A partícula alfa é constituída por um
grupo de 2 protões e 2 neutrões.
88226
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86222Ra He Rn
núcleo do Hélio
24He
12. Radiação alfa (a)
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Factores importantes a considerar:
• Grande taxa de transferência de energia na interação com a matéria
• Pequeno percurso percorrido
210 53Po E MeV3.8 cm no ar
0.005 cm tecido mole
.
12. Radiação alfa (a)
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É constituída por electrões de grande energia cinética
ejectados durante o declínio ou desintegração de
certos núcleos.
Em muitos casos a radiação beta é acompanhada de
radiação gama.
3890
10
3990
10
4090Sr Y Zr
13. Radiação beta ()
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Para energias baixas a radiação beta percorre
alguns centímetros no ar.
Para E=2 MeV percorre até 7 m no ar.
Pode atravessar lâminas de alumínio de 1 mm.
Radiação de travagem:
Uma alteração de velocidade ou de direcção provoca
uma perda de energia do electrão libertada sob a
forma de radiação gama.
Depende da energia e para materiais de número
atómico baixo (<13) é uma fracção muito pequena.
13. Radiação beta ()
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São constituídas por fotões.
Raios gama - Têm origem no interior do núcleo.
Raios X - Têm origem no exterior do núcleo.
Em termos de protecção contra radiações
é indiferente falar de raios X ou gama.
14. Radiação X e gama (g)
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Factores importantes a considerar:
• Percorrem grandes distâncias no ar.
• Grande capacidade de penetração
na matéria variando com a energia
14. Radiação X e gama (g)
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Os neutrões podem ser produzidos
através de reacções nucleares
originadas na presença de radiação.
Alguns nuclídos não radioactivos, como
o Berílio emitem neutrões quando são
bombardeados por partículas alfa.
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01
612Be He n C
15. Neutrões
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ANTES
E
DEPOIS
Ef
16. Ionização da matéria
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Fenómenos de interacção
•Emissão de radiação de travagem.
•Excitação ou ionização.
•Reacções nucleares.
17. Interacção da radiação com a matéria
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E’
Ef
Energia
do fotão
incidente
E’
Ef
Eventualmente o choque é elástico
17. Interacção da radiação com a matéria
Efeito de Compton
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Energia
do fotão
incidente
Energia do
electrão ejectado
Energia de ligação
electrão - átomo
O fotão cede
toda a sua
energia a um
electrão de
um átomo,
que é
ejectado.
Ef
17. Interacção da radiação com a matéria
Efeito fotoeléctrico
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núcleo
17. Interacção da radiação com a matéria
Produção de pares
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17. Interacção da radiação com a matéria
Feixe de radiação
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17. Interacção da radiação com a matéria
Pontos de interacção.
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Modelo de dois passos da deposição de energia na
matéria:
Através das interacções dos fotões a sua energia é
transmitida aos electrões.
Esta energia é transportada e libertada na matéria pelos
electrões.
17. Interacção da radiação com a matéria
Libertação de electrões
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17. Interacção da radiação com a matéria
Pontos de deposição de energia na matéria
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17. Interacção da radiação com a matéria
Radiação dispersa
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• Natureza das radiações.
• Dose de radiação e sua distribuição no
tempo.
• Partes do organismo irradiadas.
• Natureza dos tecidos irradiados.
18. Efeitos biológicos das radiações
Factores a considerar
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Alumínio Chumbo
g
a
Poder de ionização: capacidade de arrancar electrões aos átomos.
a =100 x
19. Barreiras de protecção
Blindagem
g=100 x PSR – WP4 ARIAS – [email protected]
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50 keV 150 keV
20. Emissão de radiação de uma fonte
radioactiva
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21. Fonte radioactiva colimada
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mT é a energia total depositada num tecido ou
órgão elemento de volume de massa.
eT é a massa do tecido ou órgão.
22. Dose absorvida média num tecido ou órgão
𝐷𝑇 =𝜀𝑇𝑚𝑇
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T
TT
mD
e
22. Dose absorvida média num tecido ou órgão
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23. Dose absorvida
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Do ponto de vista da
protecção radiológica
interessa não só determinar
a energia depositada na
matéria mas também
conseguir prever os riscos
biológicos.
24. Dose absorvida e protecção radiológica
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Para o mesmo valor da
dose absorvida os efeitos
biológicos são diferentes
para diferentes tipos de
radiação
25. Grandezas de protecção radiológica
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D1 D2
1
11
mD
e
2
22
mD
e
mmm 21m
DDDe
21
21
21
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DT 2
2e
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D1 D2
1
11
mD
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2
22
mD
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DDDe
21
21
21
mmDT
ee
Dm
DT 2
2e
DDDDT 21
?TD
21 DDDT PSR – WP4 ARIAS – [email protected]
