1

Radiações e suas Fontes

Prof. Raphael Nóbrega

Radiação: Energia em transito

Qualquer entidade capaz de transferir (emitir e propagar)

energia de um sistema a outro independente do meio

material por intermédio de:

• Partículas dotadas de energia cinética: Corpuscular

• Fenômenos ondulatórios: Eletromagnética

São produzidas por processos de ajustes nucleares ou

eletrônicos ou por interações com os átomos

2

Átomos instáveis

Radioatividade

Radiação Corpuscular

Partícula: possui massa, carga elétrica e velocidade

(dependente do valor de sua energia); pode ser carregada

ou neutra, leve ou pesada, lenta ou rápida

• Partícula (2p/2n)

• Partícula - (1/1840 n)

• Partícula + (1/1840 p)

Energia cinética

3

Radiação Eletromagnética

Fóton: partícula elementar móvel, sem carga e sem massa

de repouso q se propagam com a velocidade da luz

1924: Louis-Victor de Broglie

• Teoria da dualidade onda-partícula: a toda partícula está associada

uma onda e a toda onda está associada uma partícula

Radiação interage com corpos depositando neles sua

energia

LUZ / FÓTON

4

Fontes de Radiação

Corpo ou ponto material capaz de emitir ao menos

uma radiação

• Radiação Ambiental

• Extraterrestres / Cosmogênio - Sol

• Raios cósmicos primários

• Raios cósmicos secundários

Raios Cósmicos Primários

Partículas cósmicas que

interagem com a camada externa

da atmosfera

Prótons de energia elevada

(maioria)

As partículas são aceleradas

atingindo energias altíssimas e

são espalhadas em todas as

direções do espaço

5

Raios Cósmicos Secundários

Partículas cósmicas que

atravessam a camada externa da

atmosfera

Colidem com moléculas do ar e,

da interação com os seus átomos,

formam-se chuveiros de novas

partículas e anti-partículas

Fontes de Radiação

Corpo ou ponto material capaz de emitir ao menos

uma radiação

• Terrestres

• Natural

• Radioisótopos

• Artificial / Antropogênio

• Lâmpadas: luz visível e ultravioleta

• Raios X

• Radionuclídeos: pilhas, reatores e aceleradores nucleares

6

Radionuclídeos ou

Radioisótopos ou

Radioelementos

Prof. Raphael Nóbrega

Definição

• Elementos químicos radioativos

Fontes

• Naturais

• Artificiais

• Aceleradores de partículas

• Reatores nucleares

• Fissão e fusão nucleares

Radionuclídeos

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Histórico

1867: Saint-Victor – sais de Urânio

1895: Rontgen – raios X

1896: Becquerel – Urânio

1898: Pierre Curie e Marie Curie – Rádio e Polônio

1899: Rutherford – Partículas e (Urânio)

1900: Curie e Villard – Radiação

diferentes desvios que as

radiações sofriam – Rutherford

Modelos Atômicos

1896 – Thompson: “pudim de passas”

• Esfera + com partículas – encrustadas

1909 – Rutherford: “sistema solar”

• Núcleo denso q atrai eletronicamente e- dispostos em eletrosfera

com orbita circular

1913 – Bohr: movimento dos e- elíptico

• Baseado no postulado de L. de Broglie (dualidade onda/partícula)

8

Estrutura Atômica

Átomo

• Núcleo: Prótons + Nêutrons

• Camada Eletrônica: Elétrons

http://papeisavulsos.blog.terra.com.br/files/2008/04/post-0242.jpg

Isótopo

Mesmo número atômico (prótons) - Z

http://www.sprawls.org/ppmi2/MATTER/4MATTER04.gif

9

Isótopos

http://paxprofundis.org/livros/agua/isotopos.gif

12553I ;

12753I ;

13153I

http://sites.google.com/site/geologiaebiologia/_/rsrc/1223391575452/biologia-e-geologia-10%C2%BA/a-medida-do-tempo-e-a-idade-da-terra/vcddd.jpg

Isóbaro

Mesmo número de massa (A)

http://www.sprawls.org/ppmi2/MATTER/4MATTER05.gif

10

Isômero

Mesmo número atômico (Z) e mesmo número

de massa (A)

http://www.sprawls.org/ppmi2/MATTER/4MATTER06.gif

Nomenclatura Nuclear

A

ZXA-Z

AX- Radionuclídeo em estado ionizado

AX* Radionuclídeo com núcleo em estado excitado

AX0 ou AX ou X-A Radionuclídeo em estado

fundamental

11

Fenômeno radioativo nuclear e eletrônico

Termodinâmica: estado mínimo de energia

• 127I: não-radioativo

• 125I: “excesso” de prótons

• 131I: “excesso” de nêutrons

Radionuclídeos

Radioatividade

Espectro eletromagnético

http://www.sobiologia.com.br/figuras/oitava_serie/ondas5.gif

Matéria – radiação corpuscular

• Partículas , + e -

Energia: radiação eletromagnética

• Radiação

• e frequência

12

Radioatividade

Radioatividade

UNIDADES DE ENERGIA

Utilizado o eletron-volt (eV), definido como a energia que um eletron

adquire ao atravessar uma diferenca de potencial de 1 volt.

1 eV = 1,6 x 10-19 J

FONTES DE ELETRONS

Aceleradores

Feixes de eletrons podem ser produzidos artificialmente por aceleradores

de eletrons. Os eletrons são produzidos por um filamento aquecido pela

passagem de uma corrente eletrica e acelerados por uma diferença de

potencial.

13

Radioatividade

FONTES DE ELETRONS

• Decaimento beta

Através do decaimento de núcleos atômicos excitados.

Elétrons chamados de radiação beta (β) e são idênticos aos elétrons da camada eletrônica,

diferindo destes apenas quanto a sua origem.

A radiação (β) é acompanhada de uma outra partícula, o neutrino (n).

Ex: Estrôncio-90 (90Sr), tecnécio-99 (99Tc) e cálcio-45 (45Ca).

O decaimento beta e usualmente representado segundo o esquema:

O elemento X decai no elemento Y + 1 partícula beta (elétron) e 1 neutrino.

X → γ +β + ν

Emissões Radioativas

Emissões primárias

• Emissão

• Emissão +e -

• Radiação

Emissões secundárias

• Captura de Elétron

• Transição Isomérica

• Captura Isomérica

14

Plutônio - 240

Urânio - 236

Emissão • Emitem 2 prótons e 2 nêutrons

transmutação

Emissões Primárias

Quando um radionuclídeo emite uma partícula , seu número de

massa (A) diminui 4 unidades e o seu nº atômico diminui 2 unidades

Plutônio - 240

Urânio - 236

Emissão

Emissões Primárias

15

http://www.mwit.ac.th/~Physicslab/applet_04/atom2/Betame.gif

Emissões Primárias

Emissão - - Négatron

transmutação

Radio-228

Actínio-228

Emissões Primárias

Emissão - - Négatron

16

http://www.mwit.ac.th/~Physicslab/applet_04/atom2/Betape.gif

Emissões Primárias

Emissão + - Pósitron

transmutação

Protactínio-230

Tório-230

Emissões Primárias

Emissão + - Pósitron

17

Emissões Primárias

Emissões Primárias

Emissão

Plutônio-240http://www.mwit.ac.th/~Physicslab/applet_04/atom2/Gammae.gif

18

Emissões Primárias

Emissão

Emissão eletromagnética de altíssima frequência do núcleo porém mantem sua configuração e perde energia

Emissões Secundárias

Captura de elétron da camada K

• Núcleo deficiente em energia negativa captura um e- da camada mais próxima do núcleo e libera um neutrino

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/Electron_capture_NT.PNG

Radiação

Raio X de energia L-K

19

Decaimento radioativo

RE pode ser produzida:

• em decaimentos radioativos e

• reações nucleares

RE e emitida para retirar o excesso de energia dos núcleos. Por ser

de origem nuclear (raios-X são de origem atômica) chama-se .

Ex: Cobalto-60 (60Co), Cesio-137 (137Cs) e o Sódio-22 (22Na)

LEI DO DECAIMENTO RADIOATIVO

Decaimento radioativo

•Descreve quantos núcleos radioativos em uma amostra a partir do

conhecimento do número inicial de núcleos radioativos e da taxa de

decaimento.

dN = - λ N dt

•Obtida pela hipótese de que o numero (dN) de núcleos que decaem

num intervalo de tempo (dt) é proporcional ao nº de núcleos radioativos

existentes e o próprio intervalo dt:

• λ = a constante de decaimento do material.

Integrando-se temos a lei do decaimento

radioativo:

N(t) = N0 e-λt• N(t) = nº de átomos radioativos no instante t;

• N0 = nº de átomos radioativos no instante t = 0;

• λ = constante de decaimento do material.

20

MEIA VIDA (T1/2) E VIDA MEDIA (TM)

Decaimento radioativo

•Tempo para que metade dos átomos instáveis de uma amostra decaiam. E esta

relacionada a constante de decaimento radioativo através de:

T1/2 = ln2 / λ

Raios X

Prof. Raphael Nóbrega

21

Definição

• Raios X – nomenclatura: incógnita X

• Penetrante e invisível

• Radiação eletromagnética caracterizada por energia,

frequência e comprimento de onda

• Ondas eletromagnéticas com : 0,05 Å – 100Å

• Raios X moles: 100Å - 1Å

• Raios X duros: 1Å – 0,1Å

• Raios X terapêuticos e radiação : 0,1Å – 0,05Å

• Sofrem interferência, refração, reflexão, difração e polarização

Histórico

08/11/1895: Wilhelm Conrad Roentgen (cientista alemão)

descobriu acidentalmente os raios X

Wilhelm Conrad Rontgen

(1845-1923)

22

Histórico

• Primeira radiografia de um ser humano: imagem da mão de

Bertha – esposa de Roentgen

22/12/1895

15 mim de exposição

Raios X no Brasil

1896: “Dos raios X no ponto de vista médico-cirúrgico” na

Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro

1897: Chegada do primeiro aparelho de raios X

José Carlos Ferreira Pires (médico): pioneiro do uso dos

raios X

• Radiografia de tórax ~ 30 min e de crânio ~45 min.

23

Sistema de Produção de Raios X

Sistema submetido à altíssimo vácuo

Diferença de potencial ~ 30 a 100 mil volts entre 2 eletrodos

• Cátodo: filamento metálico

• Ânodo: placa metálica

Sistema de Produção de Raios X

Aplicada a diferença de potencial - cátodo emite

elétrons que são acelerados e vão em direção ao ânodo

em altas velocidades

e-, ao atingir a placa, perdem velocidade (energia

cinética) e liberam energia em forma de calor (maior

parte) ou radiação por deslocamento de e- orbitais

gerando vacâncias eletrônicas

• Raios X de freamento

• Raios X característicos

24

Radiação de Freamento

Radiação de freamento, ou Bremsstrahlung apresenta

distribuição de energia relativa aos fótons gerados com

espetro contínuo de energia

Produzida quando um e- passa próximo ao núcleo de

um átomo e é atraído por este desviado de sua trajetória

original

e- perde uma parte de sua energia cinética original

(desacelera), emitindo parte dela como fótons de

radiação de alta ou baixa energia e diferentes

Raios X Característicos

Raios X característicos ou de fluorescência apresentam

espetro em linhas ou raias com energias bem definidas

Produzida quando um e- interage com um átomo

quebrando sua neutralidade (ionizando-o) por retirar

deste e- pertencentes à sua camada K

25

Fontes de Raios X

Fontes Convencionais

Fontes de Luz Sincrotron

Fontes Convencionais

Tubos de Raios X: conversor de Ec em raios X e calor

Fótons são produzidos por feixe de e- (cátodo) acelerados

para um alvo angular (ânodo)

26

Difratômetro de Raios X

Marchi-Salvador, D.P., 2005

Fontes de Luz Sincrotron

• Sincrotron é uma designação ampla para todos os tipos

de luz originados por partículas relativísticas em trajetórias

curvas.

• Compreende uma faixa de luz que vai do ultravioleta até

os raios X

• Radiação produzida um milhão de vezes mais brilhante do

que a produzida por fontes convencionais e 11 vezes mais

brilhante que a produzida pelos raios X normais

27

• Radiação Sincrotron: produzida por e- de alta energia

acelerados por um acelerador de partículas e inseridos

dentro de um anel metálico com 93 m de circunferência

em meio a um ambiente de ultra alto vácuo

• Radiação emitida quando os e- são obrigados a fazerem curvas em

uma órbita elíptica (quando são desacelerados)

• Aceleração centrípeta faz com que um cone estreito de radiação

seja emitido paralelo a velocidade instantânea da partícula

Fontes de Luz Sincrotron

Fonte de Luz Síncrotron (Anel) - LNLS, Campinas, SP

Marchi-Salvador, D.P., 2009

28

Componentes do Sistema

Acelerador linear que produz feixes de elétrons;

Amplificador circular (“booster”) onde os elétrons ganham

energia atingindo velocidades próximas a da luz;

Anel de armazenamento de cavidade toroidal em que os elétrons

são obrigados a adotarem trajetórias circulares ou elípticas;

Estações experimentais (linhas de luz) contendo um

monocromador que define a característica da luz que será usada

em experimentos científicos.

Cristalografia de

Macromoléculas

Linha MX1

LNLS, Campinas, SP

Marchi-Salvador, D.P., 2005

Marchi-Salvador, D.P., 2009

29

Detector

MAR-CCD

MX1 - LNLS

Marchi-Salvador, D.P., 2005

Marchi-Salvador, D.P., 2005

Radiobiologia

• A interação da radiação nas células é uma probabilidade (pode ou não interagir,

e se interagir pode ou não provocar danos);

• A deposição inicial de energia e muito rápida (1017 seg.);

• A interação radiação-célula não é seletiva (a energia é depositada ao acaso na

célula);

• As alterações biológicas devidas às RI ocorrem após período de latência

(minutos a anos (em função de dose, cinética celular, etc.).

30

P/ radiação com alta transferência linear de energia- LET)

INTERACOES BÁSICAS DA RADIAÇÃO

Radiobiologia

•As interações podem ocorrer por ionizações e excitações. Algumas estruturas

afetadas e respondem diretamente (alvos):

Ação indireta: H2O → DNA

fóton X → elétron rápido → alterações químicas → efeitos

fóton X → elétron rápido → íon → rad. livre → alterações químicas → efeitos

31

Radiobiologia

Efeitos da Radiação no DNA

• Lesão de bases: Alteração na sequência do código genético (mutação);

• Quebras simples ou dupla de cadeia:

• Crosslinks

Radiobiologia

RESPOSTA CELULAR A RADIACAO

•Atraso na divisão celular.

•Falência reprodutiva (morte em mitose).

•Morte em interfase.

32

• Sensíveis quando em G2 ou M;

Radiobiologia

RESPOSTA CELULAR A RADIACAO

• Menos sensíveis em G1;

• Mais resistentes quando em S;

• Em G2 ou M há menos tempo para reparação;

•Atraso da divisão é importante na reparação de danos.

• A fase S e a mais ativa („construção‟ de DNA), estão todos os

mecanismos capazes de fabricar ou reparar o DNA lesado.

•É também em S que as células dispõem de mais tempo

para o reparo.

Radiobiologia

RESPOSTA CELULAR A RADIACAO

• Nem todas as células (tecido/tumor), irradiado, estão em divisão;

•Índice mitótico (% células que estão em divisão ativa) perturbação em seu

equilíbrio;

•Na irradiação, células em mitose progridem, as demais são retidas em G2;

Se dose não for demasiado alta, as células progridem tardiamente para

mitose, acumulando-se com as não atingidas (overshoot).

A morte em interfase:

Em células com ÷ (nervo, musculo);

E nas com rápida ÷ (medula, tumorais).

Fragmentação celular;

Organelas permanecem intactas e são

fagocitadas.

33

Radioterapia

Radioterapia

TECIDO NORMAL

RT externa:

• Dose total é administrada em frações diárias (várias semanas). Havendo boa

taxa de cura;

•Efeitos secundários pouco significativos (administração de frações separadas -

mínimo 6 horas)

• Recuperação dos tecidos saudáveis sem comprometer o controle tumoral.

Quatro ocorrências permitidas pelo fracionamento (4 R’s )

1. Recuperação do dano sub-letal, para o qual as células normais são mais eficazes;

2. Repopulação por células normais dos espaços deixados;

3. Recrutamento de clones celulares tumorais para fases mais sensíveis do ciclo

celular;

4. Reoxigenacao das zonas tumorais (volume do tumor e reduzido)

34

p53

Domínios Funcionais:

Amino-terminal: Ativação transcricional

Central: Região que liga-se ao DNA

Carboxila-terminal: Região flexível, região de tretramerização

CICLO CELULAR

Os pontos de checagem

devem assim necessitar de,

pelo menos, três

componentes:

• um mecanismo sensor

que vigia e detecta as

anomalias quando estas

surgem;

• um sistema de

sinalização/retransmissã

o de sinais que transmite

a informação detectada;

• e um efetor que pára a

maquinaria celular.

35

Resposta celular ao dano

DANO NO DNA e ATIVAÇÃO DA p53

Regulação pós-traducional;

p53 (atua como fator de transcrição)

liga-se a bases específicas do DNA

(região promotora)

36

r

Ativação da p53

37

p21 e a Parada do Ciclo

Reparo e Retorno ao Ciclo

Transcrição de GADD45: Proteína regulatória

Mantendo a estabilidade

genômica

Após o Reparo p53

Retomando o ciclo

38

Inativação da p53

Mutação Perda Seqüestr

o

Ligação a

outras

proteínas

como

proteínas

virais

Aumento da proliferação, instabilidade genômica

e perda de importantes mecanismos de controle do

ciclo celular

Radiologia Médica

Radiodiagnóstico Medicina Nuclear

Raio X convencional

Raio X odontológico

Mamografia

Tomografia

Computadorizada

Cintilografia

PET

Radioterapia R-X e R γ

Exames EspeciaisRessonância Nuclear Magnética

Ultrassonografia

39

Rx Convencional

Rx Odontológico

Mamografia

Tomografia Computadorizada

Radiodiagnóstico

Radiodiagnóstico

Fóton de raio-X atravessa o objeto sensibilização filme (sais de prata) / Receptoreletrônico:

A imagem depende: interação dos fótons com oobjeto, da espessura do objeto e da capacidadedeste de absorver os raios.

Materiais densos absorvem mais os raios-X e osmenos densos não absorvem.

40

Rx Convencional

Mamografia

Radiografia simples para estudo do tecido

mamário;

Utiliza doses de raio-X com baixo poder de

penetração.

41

Tomografia Computadorizada

Percepção espacial mais nítida devido ao estudo

de "fatias" ou secções transversais do corpo

humano;

Os pontos de cruzamento dos raios determinam

a imagem.

Medicina Nuclear

Cintilografia

PET

42

Cintilografia

Estudo da distribuição topográfica de um

radiofármaco no órgão por emissão de

radiações gama que aparecem na tela como

uma série de pontos brilhantes (cintilação).

Cintilografia

Perfusão

CerebralÓssea

Renal

Tomografia de Emissão de Pósitrons

(PET)

Emissão de pósitrons

pela desintegração de

radionucleotídeos

para formar imagens.

43

Exames Especiais

Ultrassonografia

Ressonância Nuclear Magnética

Ultrassonografia

44

Ressonância Nuclear Magnética

EFEITOS BIOLÓGICOS DAS

RADIAÇÕES IONIZANTES

Inativação nos diversos níveis de

organização biológica

45

Efeitos sobre as células

Efeito Direto

Radiação ----- Molécula-alvo

Efeito Indireto

Radiação ----- Água ( Radiólise)

Radiólise H2O ---- Radicais Livres

Rad.Livres ---- Molécula-Alvo

O QUE SÃO RADICAIS LIVRES?

Átomos ou moléculas com um ou mais elétronsdesemparelhados

Formação de RL

- Radiólise da água

Elétron “hidratado”

Radicais hidroxila

- Alteração no transporte de elétrons

Radical superóxido

Peróxido de hidrogênio

Radical hidroxila

- Oxidação lipídica

46

Efeitos somáticos e hereditários

Efeitos somáticos. Os efeitos somáticos surgem de danos nas

células do corpo, e apresentam-se apenas em pessoas que sofreram

a irradiação, não interferindo nas gerações posteriores.

• Efeitos hereditários: Os efeitos hereditários ou genéticos surgem

somente no descendente da pessoa irradiada, como resultado de

danos por radiações em células dos órgãos reprodutores, as gônadas.

Respostas às radiações em diferentes

sistemas do corpo humano

A ação das radiações no organismo humano produzem

uma série de efeitos, que representam danos diferentes

para cada região afetada.

Sangue: Destruição dos glóbulos brancos

Sistema linfático: Estocar as células vermelhas mortas do

sangue(Baço)

Canal alimentar: Produção de secreção e

descontinuidade na confecção de células.

Glândula Tireóide: Decréscimo da produção de tiroxina.

Sistema Urinário: Existência de sangue na urina

Olhos: Formação de catarata

Órgão reprodutores: Esterilidade

47

CLASSIFICAÇÃO DOS EFEITOS

Imediato ---- tardio

Estocástico ---- determinístico

Localizado ---- de corpo inteiro

proporcional à dose de radiação e não existe um limiar de dose abaixo do qual não se

desencadeiam efeitos da radiação

severidade aumenta com o aumento da dose, usualmente acima de um limiar (threshold) de dose

48

DOENÇA AGUDA DA RADIAÇÃO

Morte por inativação molecular

Síndrome do SNC

Síndrome GI

Síndrome hematopoiética

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