Aplicações Pacíficas da Física

Nuclear

Paulo R. S. Gomes

Instituto de Física

Universidade Federal Fluminense

Estrutura do átomo: elétrons e núcleo

com nucleons

Átomo: núcleo + elétrons

Núcleo: protons + neutrons

Isótopos:

mesmo no de protons (Z) mas

diferente no de neutrons (N).

O núcleo é caracterizado por

seu Z (elemento) e A = Z + N

Aplicações de Física Nuclear

ARTE e ARQUEOLOGIA

Datação radioativa

Análise de feixes de ions

ENERGIA

Transmutação de lixo

radioativo

Energia elétrica

MATERIAIS

Implantação de ions

Nanoestruturas

Danos de radiação

ESPACIAIS

AMBIENTAL

Climatologia

MEDICINA

Produção de

radioisótopos

Terapia do Câncer

Tomografia (PET)

Aceleradores Aceleradores

Pesquisa

Básica

em

Física

Nuclear

De

teto

res

Té

cn

ica

s

Propriedades

Nucleares

Energia de Ligação Nuclear

A massa de um núcleo de A (protons + neutrons) é menor que a massa de A (protons + neutrons) separados.

Como isto é possível?

Através da famosa fórmula de Einstein:

E = m c2

Eligação = [ Mnúcleo – (Z mp + N mn )] c2

E daí?

Se o núcleo receber energia suficiente, ele se desintegra. (isto acontece em reações nucleares)

Se ele se transformar em um núcleo parecido, porém mais ligado, ele libera energia.

(isto acontece em decaimento de núcleos radioativos)

Núcleos Excitados

E se o núcleo receber energia, mas não o suficiente para se romper?

Ele fica excitado durante algum tempo, e depois ele decai para o estado de energia mais baixo, de forma análoga a energia potencial gravitacional.

Ao se desexcitar, o núcleo emite radiação eletromagnética, chamada de raio gama .

(os elétrons atômicos também se excitam e, ao desexcitar emitem radiação eletromagnética chamada raio X)

Raios gama

Os raios gama, por terem alto poder de penetração na matéria, são de grande utilidade para o homem, ao mesmo tempo que podem ser nocivos. Ao interagir com um material eles podem danificá-lo (ionizá-lo).

Se for o nosso corpo, pode danificar células sadias e causar danos devido à “radioatividade”. Não devemos, portanto, ficar perto de núcleos ou fontes que emitem esta radiação. Após a explosão de uma bomba atômica ou acidente em usina nuclear, muitos raios gama são emitidos.

Raios gama podem ser benéficos?

Por outro lado, os raios gama são usados também

para matar células doentes (cancer) e são a base da

Medicina Nuclear, que salva tantas vidas. Eles

servem também para produzir imagens bem no

interior do corpo ou de materiais (muito mais que

os raios X), sendo úteis em medicina (tomografia,

ressonância magnética nuclear, por exemplo) e

indústria (gamagrafia, por exemplo).

Núcleos radioativos naturais

Núcleos podem se transformar em outros, de forma natural, para ficarem em uma situação de menor energia.

Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice versa.

Estes núcleos são chamados de radioativos.

Eles são formados em reações nucleares devidas a raios cósmicos (natural) ou em laboratórios (artificial).

Exemplo de núcleos radioativos

naturais:

O Ciclo do Carbono

teCtC 0

tempo decorrido (t)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Co

nce

ntr

ação

C(t

)/C

(0)

meia-vida

Concentração inicial em equilíbrio com o meio ambiente

t<0 organismo vivo C(t) =cte.

t=0 organismo morre C(t=0)=C0

t>0 concentração cai exponencialmente

0

1

C

tCt ln

O princípio da datação por 14C

Tipos de reações nucleares

Há fortes acoplamentos entre diferentes tipos de reação.

Reações nucleares que liberam muita energia

Reações de Fusão e Fissão

que produzem muita energia

Energia de ligação por

nucleon, em função de A.

Reação em cadeia de fissão

nuclear.

Energia Nuclear

Produção de energia elétrica (reatores nucleares, combustível de navios e submarinos)

Bombas de fissão e fusão.

Característica: muita energia é liberada na reação nuclear.

Exemplo: 1 Kg de 235U

= 20.000 ton de TNT ou

300.000 Kw.dia = 2.500 ton de carvão.

????????

Isto é aplicação pacífica?

Os russos garantem que sim!!!!

Entre 1945 e 1949 só os americanos tinham bomba atômica, e lançaram 2 na única oportunidade que tiveram.

A partir de 1949, com outro país tendo bomba, nunca mais nenhuma foi lançada.

E agora? De novo só existe uma super-potência que ataca e destrói quem eles querem. Não precisa haver “motivo justificável”.

Mas, o assunto da palestra não é este. Isto foi só para mostrar o quanto as interpretações são relativas.

Problema consequente de reações de fissão

Após uma bomba de fissão (chamada bomba

atômica) explodir, ou se houver um grande

acidente em usina nuclear, são produzidos raios

gama (radiação ambiental) em grande quantidade.

Esquemas de usinas termoelétrica convencional e

nuclear (fissão)

Radiação após acidente em usina nuclear

Vantagens da usina nuclear

É limpa (se não houver acidentes), pois é a que causa menos danos ecológicos (não polui a atmosfera, não alaga grandes regiões), não causa aquecimento global (efeito estufa).

Desvantagens da usina nuclear É cara

O combustível um dia vai acabar

Em caso de acidente, produz radiação no ambiente.

Ainda não há solução para o lixo radioativo, em escala industrial (já se sabe como fazer).

As usinas estão sendo desativadas?

A Alemanha fechou algumas usinas, e agora compra energia nuclear da França!!!!!!

Contaminação após acidente

Ao receber radiação gama, ninguém fica radioativo. É como

pegar muito Sol. Sofremos queimaduras mas não

queimamos outras pessoas. Neste instante, todos nós

estamos recebendo radiação. Em um avião se recebe muito

mais. O perigo é receber doses altíssimas de radiação.

Mas se introduzirmos material radioativo no corpo por

respiração, beber água contaminada, comer alimentos onde

material radioativo foi depositado, podemos ficar

“radioativos”. Exemplo mais claro: acidente de Goiania.

Alternativas à Energia Nuclear

Só há outras duas fontes de energia em larga

escala:

a) Energia termo-elétrica (queima de combustíveis

fósseis) – causa aquecimento global e polui o

ambiente

b) Hidroelétricas: causa grandes danos ambientais

(alaga grandes regiões)

E a eólica e a solar? São em muito pequena escala.

São ótimas mas não conseguem abastecer

indústrias e grandes cidades.

O que fazer com o lixo atômico?

Já se tem uma possivel solução. Aceleradores de partículas estão sendo usados para fazer reações nucleares com o material radioativo (lixo atômico), em que os produtos da reação não são radioativos.

Outra vantagem é que estas reações liberam energia, que pode ser aproveitada.

O problema que persiste é que ainda não se consegue produzir estas reações em quantidade suficiente para acabar com o lixo produzido e já existente.

É mais seguro fechar todas as

usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas,

sem eletricidade, a resposta é sim.

Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o

meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas

se cair, é um grande desastre. Se ocorre um

desastre na China, sai em 1a página de jornal.

O que realmente se deve fazer é melhorar a

segurança das usinas e programas eficientes de

evacuação da população.

É mais seguro fechar todas as

usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas,

sem eletricidade, a resposta é sim.

Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o

meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas

se cair, é um grande desastre. Se ocorre um

desastre na China, sai em 1a página de jornal.

O que realmente se deve fazer é melhorar a

segurança das usinas e programas eficientes de

evacuação da população.

Usinas de 4a geração (para 2030)

Estas usinas são chamadas de “intrinsecamente

seguras”.

Reator arrefecido a gás que utiliza uranio em

grãozinhos dentro de esferas de grafite pirolítica.

Se o reator parar, o calor residual é absorvido pela

corrente de ar.

Não precisa de sistema de resfriamento, a

temperatura não ultrapassa 1600o C, evitando o

perigo de liberação de radioatividade.

Solução energética do Mundo

(para o futuro)

Fusão nuclear de núcleos leves Reações 2H + 2H 3H + 1H (DD)

2H + 3H 4He + n (DT)

A matéria prima é a água!!! (Não acaba)

A energia por nucleon liberada na reação é muito maior que na fissão.

Não há produção de radiação gama.

Não há lixo radioativo

Dificuldade: para se processar, tem que estar a temperaturas de milhares de graus, em condições controladas.

Sem controle já se faz: bomba de hidrogênio, cujo detonador é uma bomba de fissão.

Fusão Nuclear no Sol

Aplicações em Medicina

Tratamento de cancer

Imagens para diagnósticos

Algumas aplicações em medicina:

Tratamento de cancer

Destruição de células cancerígenas por irradiação de raios

gama (radioterapia e braquiterapia) e bombardeamento,

através de aceleradores, por p, n e ions pesados.

Algumas aplicações em medicina:

Diagnóstico, mapeador, marcador

Mapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens

(tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo,

verifica localização, tamanho e forma das lesões etc.

Alcance (poder de penetração) de diferentes

radiações

•Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram depende muito de sua energia e do tipo de material.

•Partículas carregadas aceleradas penetram muito no material.

Chapa de raio X Várias camadas de uma pintura

Funções Básicas da radioterapia

- Destruição de células cancerígenas por

irradiação de raios gama.

- As células a serem destruídas devem receber

bem mais radiação que as saudáveis.

→ a radiação deve convergir no tumor, ou

com várias fontes ou rodando as fontes ou

paciente.

Fontes de radiação para radioterapia

- Fontes radioativas muito intensas (60Co (T1/2 = 5 anos) , 137Cs (T1/2 = 30 anos)

(fabricadas em reatores ou ciclotrons)

- Aceleradores lineares de elétrons (freiados por alvo pesado produzem fotons muito energéticos)

- Quase a metade dos aceleradores do mundo são para uso médico

Aceleradores de eletrons (fonte de

fotons) em radioterapia

Limitações da radioterapia com fotons

Aceleradores de elétrons produzem fótons.

Para Ee = 8 MeV, a absorção exponencial da matéria tem

um máximo a 2 – 3 cm de profundidade de tecido soft.

A cerca de 25 cm de profundidade, a dose é cerca de 1/3

que no máximo.

Pelo tipo de absorção de radiação eletromagnética,

células saudáveis são irradiadas. Isto limita a dose

absorvida pelo tumor.

Como aumentar a dose no tumor?

Novo avanço no tratamento de cancer:

hadronterapia (com protons e carbono)

Características da Hadronterapia

Hadron terapia usa hadrons (protons, alfa, núcleos leves) acelerados. Estas partículas carregadas tem pouco espalhamento durante a penetração na matéria e perdem boa parte de sua energia em região bem especifica, pouco antes de parar.

Hadrons deixam os tecidos próximos ao tumor mais saudáveis, permitindo tratar o tumor com doses maiores.

A profundidade onde haverá a perda de energia (destruição das células) depende da energia do feixe. Pode-se variar a energia do feixe ou colocar material absorvedor no caminho do feixe.

Vantagem dos hadrons: perda de energia

bem localizada

Vantagens da hadronterapia

Algumas aplicações em Indústria, Agricultura,

meio Ambiente Gamagrafia: por possuir alto poder de penetração,

muito maior que raios X, os raios gama são ideais para ensaios não destrutivos de controles de materiais, soldas, fundições etc. è uma técnica amplamente utilizada na indústria.

Neutrongrafia: Análogo à gamagrafia, utilizado em materiais de elementos de baixa densidade, como plástico.

Agricultura: Obtenção de plantas mais produtivas, resistentes a pragas. Fertilização, produção de vacinas. Esterilização de insetos.

Solos: caracterização e diagnóstico de solos, com finalidades de estudos geológicos e de meio ambiente.

AMS com 14C Espectrometria de massa com aceleradores

Grande fonte de informações no estudo da cronologia dos processos geológicos, biológicos, evolução humana etc

Mede diretamente a concentração relativa entre

isótopos radioativos e estáveis de 14C e 12C.

Mede baixíssimas concentrações, de até 1 parte em 1015.

Faz cronologia de centenas a dezenas de milhares de

anos, com altíssima precisão.

- Amostras pequenas (ordem de mg): não destrutivo;

pode-se ingerir o material a ser estudado.

Aplicações de AMS: Arqueologia

Revolucionou a arqueologia e antropologia nas datações

de pinturas de cavernas, ossadas primitivas, sítios

arqueológicos, artefatos, igrejas medievais etc. - 14C

- Antes de nosso trabalho era aceito que a ocupação do

litoral sudeste brasileiro ocorreu há cerca de 6.000 anos, e

a chegada ao litoral deu-se em Santa Catarina. Depois de

nosso trabalho, passou a ser aceita a ocupação há 8.000

anos através do Rio de Janeiro-São Paulo.

Idade da ocupação do litoral sudeste do Brasil pelos

construtores de sambaquis:

Distribuição de sambaquis no Brasil

Datação do Manto Sagrado

(Turin Shroud) 3 famosos laboratórios de AMS

dataram vários pequenos pedaços

do Manto.

Resultado: “O Manto Sagrado é

uma bela pintura criada em 1355

pra uma nova Igreja necessitando

relíquias atraentes”.

Rigorosamente não se pode dizer

quando foi feito, mas sabe-se que

foi entre 1280 e 1390 DC.

Não foi dito que havia contaminação e o

resultado estava errado?

Realmente, se houver contaminação por material recente, com “alta” quantidade de 14C, a mistura total daria uma idade mais nova.

No entanto, uma peça de

1,8 kg do século I

precisaria estar misturada

com mais de 3 kg de

carbono atual para dar uma

data de 1355 DC.

Datação de Incêndios na Floresta

Amazônica

e

14C – AMS na investigação de

deposição de mercúrio em partes

remotas da Floresta Amazônica

Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro

dos Seis Lagos

Parque do Pico da Neblina

Resultados

Informações sobre clima, temperaturas, periodos secos ou

chuvas fortes intermitentes, nível do lago, incêndios, origem

da matéria orgânica, mudança na vegetação etc

Aplicações Biomédicas de AMS

- 14C é um excelente bio-marcador: é introduzido em moléculas e rastreado. Em geral usam-se amostras de sangue e urina.

- Estudo de propagação de tumores.

- Estudos de anomalias metabólicas: rastreia toxinas e herbicidas em alimentos, estuda o metabolismo e modificações hereditárias.

- Estudos de efeitos de poluição (gasolina, cigarros, química, industrial) e suas consequências no ser humano.

- Estudos respiratórios, dermatológicos, datação dosimétrica e paleolítica em dentes e ossos.