11.14 - radioproteção e dosimetria.pdf

8/10/2019 11.14 - Radioproteo e dosimetria.pdf

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RADIOPROTEO E DOSIMETRIA:

FUNDAMENTOS

Luiz TauhataIvan P.A.SalatiRenato Di PrinzioAntonieta R.Di Prinzio

INSTITUTO DE RADIOPROTEO E DOSIMETRIA

COMISSO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEARRIO DE JANEIRO

5 Reviso - Agosto/2003


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Todos os direitos reservados aos autores

Comisso Nacional de Energia Nuclear

Instituto de Radioproteo e Dosimetria

Av. Salvador Allende, s/n - Recreio dos BandeirantesRio de Janeiro - RJCEP: 22780-160

Tel.: (21) 3411-8185(21) 3411-8175(21) 2546-2261

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e-mail:

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Nota: todos os conceitos emitidos e contidos nesta publicao, so de responsabilidade exclusiva dos autores

Tauhata, L., Salati, I.P.A., Prinzio, R.Di., Prinzio, M.A.R.R.Di.Radioproteo e Dosimetria: Fundamentos - 5 reviso agosto/2003 - Rio de Janeiro -IRD/CNEN242p.

1.Radiaes 2.Fontes de Radiao Ionizante 3.Interao da Radiao com a Matria 4.Efeitos Biolgicos da Radiao 5.Grandezas Radiolgicas e Unidades 6.Detectores deRadiao 7. Noes de Radioproteo 8. Legislao para Trabalhadores


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APRESENTAO

Esta uma verso revisada da apostila Radioproteo e Dosimetria:Fundamentos, preparada para atender a um dos cursos de treinamento oferecidos peloIRD e s pessoas interessadas no assunto. Em futuro prximo, sero acrescentadosoutros captulos, referncias bibliogrficas e uma reviso mais cuidadosa do texto. Averso mais completa ser editada brevemente.

Na preparao da apostila, os autores desejam agradecer a todos os colegas daDiviso de Metrologia de Radionucldeos, principalmente Estela Maria de OliveiraBernardes, pela pacincia e colaborao.

A todos que tiverem acesso ao texto, solicitamos sugestes, ementas e correes,para que, na edio definitiva, possamos elaborar um trabalho aperfeioado e commenor nmero de falhas.

Os autores


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NDICE

RELAO DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viRELAO DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x

CAPTULO 1RADIAES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1. COMPOSIO DA MATRIA E TEORIA ATMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. ESTRUTURA DA MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. TRANSIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.4. ORIGEM DA RADIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.5. RADIOATIVIDADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.6. RADIAES NUCLEARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.7. INTERAES EM PROCESSOS DE DECAIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.8. RADIAO PRODUZIDA PELA INTERAO DE RADIAO COM A MATRIA . . . . . 32

CAPTULO 2

FONTES NATURAIS E ARTIFICIAIS DE RADIAO IONIZANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.1. FONTES NATURAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2. FONTES ARTIFICIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.3. INSTALAES NUCLEARES NO BRASIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4. INSTALAES RADIATIVAS NO BRASIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

CAPTULO 3INTERAO DA RADIAO COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.1. IONIZAO, EXCITAO, ATIVAO E RADIAO DE FREAMENTO . . . . . . . . . . . . 703.2. RADIAES DIRETAMENTE E INDIRETAMENTE IONIZANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.3. INTERAO DA RADIAO ELETROMAGNTICA COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . 72

3.4. INTERAO DE NUTRONS COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.5. INTERAO DAS RADIAES DIRETAMENTE IONIZANTES COM A MATRIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.6. INTERAO DE ELTRONS COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.7. INTERAO DAS PARTCULAS COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.8. INTERAO DE FRAGMENTOS DE FISSO COM A MATRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.9. TEMPO DE PERCURSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.10. PROCESSOS INTEGRADOS DE INTERAO: DISSIPAO DE ENERGIA . . . . . . . . . . 95

CAPTULO 4EFEITOS BIOLGICOS DA RADIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.1. ESTRUTURA E METABOLISMO DA CLULA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.2. INTERAO DA RADIAO COM O TECIDO BIOLGICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.3. ETAPAS DA PRODUO DO EFEITO BIOLGICO PELA RADIAO . . . . . . . . . . . . . . 1054.4. RADIOSSENSIBILIDADE DOS TECIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.5. CLASSIFICAO DOS EFEITOS BIOLGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.6. REVERSIBILIDADE, TRANSMISSIVIDADE E FATORES DE INFLUNCIA . . . . . . . . . . 1194.7. USO DE EFEITOS BIOLGICOS NA TERAPIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.8. SNDROME DE IRRADIAO AGUDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

CAPTULO 5GRANDEZAS RADIOLGICAS E UNIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.1. EVOLUO CONCEITUAL DAS GRANDEZAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.2. PROCEDIMENTO DE DEFINIO DAS GRANDEZAS RADIOLGICAS . . . . . . . . . . . . 1305.3. GRANDEZAS RADIOLGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132


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5.4. RELAES ENTRE AS GRANDEZAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.5. NOVAS GRANDEZAS OPERACIONAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.6.NOVAS GRANDEZAS DEFINIDAS NA ICRP 60 EM SUBSTITUIO S DA ICRP 26 . 1505.7. COEFICIENTE DE RISCO, fT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

CAPTULO 6DETECTORES DE RADIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.1. PRINCPIOS DE OPERAO DOS DETECTORES DE RADIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.2. DETECO UTILIZANDO EMULSES FOTOGRFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.3. DETECTORES TERMOLUMINESCENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1626.4. DETECTORES AGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.5. DETECTORES ACINTILAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.6. DETECTORES ACINTILAO LQUIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1786.7. DETECTORES UTILIZANDO MATERIAIS SEMICONDUTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.8. CALIBRAO DE DETECTORES: RASTREABILIDADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936.9. CADEIAS DE MEDIO - PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS AUXILIARES . . . . . . . . . . . . 193

CAPTULO 7NOES DE RADIOPROTEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1997.1. PRINCPIOS DE RADIOPROTEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1997.3. O PLANO DE RADIOPROTEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.4. ATIVIDADES DO SERVIO DE RADIOPROTEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.5. REGRAS PRTICAS DE PROTEO RADIOLGICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.6. O SMBOLO DA RADIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

ANEXO ANORMAS DA CNEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

GRUPO 1: INSTALAES NUCLEARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220GRUPO 2: PROTEO AMBIENTAL, SALVAGUARDAS, PROTEO FSICA E CONTRA

INCNDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222GRUPO 3: RADIOPROTEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222GRUPO 4: MATERIAIS, MINRIOS E MINERAIS NUCLEARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222GRUPO 5: TRANSPORTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223GRUPO 6: INSTALAES RADIATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

ANEXO BRADIAES IONIZANTES E LEGISLAO PARA TRABALHADORES . . . . . . . . . . . . . 224RESUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224B.1. INTRODUO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225B.2. NORMAS E DISPOSIES PARA AS RADIAES IONIZANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226B.3. RISCO POTENCIAL E O ADICIONAL DE IRRADIAO IONIZANTE . . . . . . . . . . . . . . 228B.4. CRITRIOS E DISCUSSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231B.5. CONCLUSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235B.6. GLOSSRIO DE TERMOS BSICOS UTILIZADOS EM PROTEO RADIOLGICA

[25,27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237B.7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241


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RELAO DE FIGURAS

Figura 1.1 - Representao de modelos atmicos: a)geomtrica,onde os orbitais so trajetriasgeomtricas percorridas por eltrons; b) quntica, onde os orbitais so representadospor nuvens envolvendo o ncleo, onde para cada posio geomtrica existe umaprobabilidade associada de encontrar o eltron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Figura 1.2 - Energia necessria para ionizao dos tomos em funo de Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Figura 1.3 - Ocupao dos nveis de energia de um ncleo representado por um poo de potencial

atrativo (energia "negativa"). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Figura 1.4 - Energia de ligao nuclear por partcula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Figura 1.5 - Tabela de Nucldeos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 1.6 - Segmento da Tabela de Nucldeos mostrando istopos, isbaros e istonos. . . . . . . . . . 7Figura 1.7 - Tabela Peridica dos elementos qumicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 1.8 - Diagrama de Linus Pauling para distribuio dos eltrons segundo os nveis de energia.12Figura 1.9 - Representao de uma transio eletrnica, resultando na emisso de um fton de luz

ou raio X caracterstico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Figura 1.10 - Raios X caractersticos originados nas transies entre nveis eletrnicos. . . . . . . . . . 13

Figura 1.11 - Curva representativa do decaimento de um radiostopo em funo do tempo e seusprincipais parmetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 1.12 - Emisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 1.13 - Espectro de distribuio em energia de um processo de emisso . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 1.14 - Esquema de decaimento para caminhos alternativos de decaimento . . . . . . . . . . . . . 22Figura 1.15 - Representao do processo de captura eletrnica e da emisso de raio X caracterstico.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 1.16 - Representao da emisso de uma partcula por um ncleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 1.17 - Representao da emisso da radiao gama pelo ncleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 1.18 - Esquema de decaimento do radionucldeo X, indicando os valores das probabilidades

de emisso das radiaes beta e gama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 1.19 - Esquema de decaimento do 60Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 1.20 - Representao do processo de converso interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 1.21 - Espectro de raios X de freamento com raios X caractersticos para voltagem de pico de

60, 90 e 120 kV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 2.1 - Concentrao mdia dos elementos qumicos componentes da crosta terrestre. . . . . . 36Figura 2.2 - Srie radioativa do 232Th. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 2.3 - Srie radioativa parcial do 238U. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 2.4 - Exposio do homem radiao ionizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 2.5 - Variao da concentrao do radnio e tornio com a altura em relao ao solo. . . . . 41Figura 2.6 - Variao da concentrao de radnio e tornio durante o dia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 2.7 - Variao da concentrao de radnio e tornio durante o ano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 2.8 - Concentrao de 222Rn no Rio de Janeiro, no vero de 1997. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 2.9 - Concentrao de 222Rn no Rio de Janeiro, no inverno de 1997. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 2.10 - Esquema de uma mquina geradora de raios X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 2.11a - Esquema de um acelerador linear de eltrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 2.11b - Acelerador de eltrons usado em terapia de cncer em hospitais. . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 2.12 - Esquema de um acelerador eletrosttico do tipo Van der Graaff: (1) Fonte de tenso

contnua; (2) Fita de isolamento; (3) Terminal de alta voltagem; (4) Tanquepressurizado com gs isolante; (5) Fonte de ons; (6) Tubo de acelerao e anis deequalizao do campo; (7) Feixe de ons acelerados; (8) Bomba de vcuo; (9) Magnetopara reflexo e anlise do feixe; (10) Sistema de disperso do feixe conforme a energia;(11) Amplificador de sinal; (12) Pontos de efeito Corona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura 2.13 - Ciclotron do Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares - IPEN utilizado para aproduo de radioistopos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 2.14 - Esquema de uma fonte de nutrons de Pu-Be de um medidor de nvel. . . . . . . . . . . . . 49Figura 2.15 - Corte de um cabeote de uma bomba de 60Co - modelo Theratron 780 usado em


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radioterapia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 2.16 - Esquema de um irradiador de 192Ir e do procedimento de obteno de uma radiografia

industrial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 2.17 - Esquema de um irradiador industrial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 2.18 - Concentraes de 137Cs e 90Sr na dieta alimentar dos habitantes dos hemisfrios Norte e

Sul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 2.19 - Esquema de um reator de potncia do tipo PWR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 2.20 - Reator Nuclear do tipo de Angra 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 2.21 - Esquema do Ciclo do Combustvel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 2.22 - Elemento combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 2.23 - Tipos de Instalaes Radiativas no Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 2.24 - Evoluo do nmero do procedimentos mdicos no pas, no perodo de 1995 a 2001 67Figura 2.25 - Distribuio das Instalaes Radiativas no Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 3.1 - Modos de interao da radiao com a matria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Figura 3.2 - Representao do efeito fotoeltrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Figura 3.3 - Valores de seco de choque para efeito fotoeltrico para o chumbo, em funo da

energia. radiao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Figura 3.4 - Representao do efeito Compton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Figura 3.5 - Valores de seo de choque para espalhamento Compton (es) em funo da energia dofton; e a seo de choque de absoro e esde espalhamento da radiao no EfeitoCompton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figura 3.6 - Representao do efeito de produo de pares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Figura 3.7 - Importncia relativa dos diversos processos de interao dos ftons com a matria em

funo da energia do fton e do nmero atmico do material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Figura 3.8 - Probabilidade relativa de diferentes efeitos para ftons de diferentes energias no

carbono e no chumbo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Figura 3.9 - Atenuao de um feixe de ftons por um material de espessura X. . . . . . . . . . . . . . . . 79Figura 3.10 - Contribuio relativa dos diversos efeitos produzidos pela interao da radiao num

material para o coeficiente de atenuao linear total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura 3.11 - Variao do "stopping power" com a energia de partculas incidentes no Si e Ge. . . . 84Figura 3.12 - Definio do alcance Ree Rmpara partculas alfa e eltrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Figura 3.13 - Espalhamento de eltrons em um material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Figura 3.14 - Alcance de eltrons monoenergticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Figura 3.15 - Relao alcance x energia para eltrons absorvidos no silcio e no germnio. . . . . . . . 88Figura 3.16 - Alcance de eltrons no silcio (= 2,33 g/cm3) e no iodeto de sdio (= 3,67 g/cm3),

materiais muito usados em detectores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Figura 3.17 - Atenuao de partculas beta no alumnio, cobre e prata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Figura 3.18 - Alcance de partculas beta em vrios materiais (densidade em g/cm3): (1) Ferro = 7,8;

(2) Pirex = 2,60; (3) PVC = 1,38; (4) Plexiglass = 1,18; (5) Ar = 0,0013. . . . . . . . . . . 90Figura 3.19 - Perda de energia de eltrons na matria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Figura 3.20 - Taxa de perda de energia de partculas alfa na interao com um meio material. . . . . 92Figura 3.21 - Alcance de partculas alfa em vrios materiais (densidades em g/cm3): (1) Ar = 0,0013;

(2) Tecido = 1,0; (3) Alumnio = 2,70; (4) Cobre = 8,96. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Figura 3.22 - Processos integrados de interao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Figura 4.1 - Diagramas tpicos de clulas animal e vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Figura 4.2 - Fases da mitose celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Figura 4.3 - Modelo de extrapolao linear (curva a) para a correlao entre dose-efeito biolgico,

onde no so contabilizados possveis efeitos de aumento da probabilidade deocorrncia na regio de doses baixas (curva b) ou da existncia de limiares ou defatores de reduo da incidncia dos efeitos at ento desconhecidos (curva c) . . . . 100

Figura 4.4 - Transformao de clulas expostas radiao do 60Co e nutrons do espectro de fisso,com exposies nicas e fracionadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Figura 4.5 - Curvas de sobrevivncia para clulas de mamferos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Figura 4.6 - Fases do efeito biolgico produzido pela radiao ionizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108


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Figura 4.7 - Visualizao do processo de transferencia de energia (dE) por uma partcula carregada(eltron) em funo da distncia percorrida (dx) num meio material. . . . . . . . . . . . . 111

Figura 4.8 - Formas de curvas dose-resposta, para radiaes de baixo e alto LET, para induo . 113Figura 4.9 - Curva de resposta: probabilidade de induo de cncer versus dose absorvida, do tipo

Linear - quadrtica, p = aD + bD2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Figura 4.10 - Tempo de latncia para aparecimento de cncer aps irradiao. . . . . . . . . . . . . . . . . 116Figura 4.11 - Relaes tpicas entre dose e gravidade do dano (severidade), para efeitos

determinsticos numa populao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Figura 4.12 - Variao da incidncia do cncer de pulmo em trabalhadores de minas de urnio,

fumantes e no fumantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Figura 4.13 - Incorporao preferencial de radioistopos nos tecidos e rgos do corpo humano, em

funo do tipo de composto qumico utilizado, para produo de imagens em gama-cmaras para diagnstico em Medicina Nuclear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Figura 4.14 - Frequncia de cromossomos dicntricos para clulas submetidas radiao gama do60Co e a nutrons de vrias energias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Figura 4.15 - Evoluo mdia de pessoas irradiadas em relao ao tempo e em funo da dose. . . 127Figura 5.1 - Representao esquemtica do procedimento de definio das grandezas e as relaes

entre elas estabelecidas no ICRP 26 e ICRP 60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Figura 5.2 - Valores do fator de converso dose no ar para dose na gua (tecido humano) em funoda energia do fton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Figura 5.3 - Geometria de irradiao da esfera ICRU e o ponto P na esfera, no qual H*(d)determinado num campo de radiao expandido e alinhado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Figura 5.4 - Geometria de irradiao da esfera ICRU e o ponto P na esfera, no qual o equivalente dedose direcional obtido no campo de radiao expandido, com a direo deinteresse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Figura 6.1 - Disposio dos filtros metlicos e do filme no monitor individual utilizado pelo IRD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Figura 6.2 - Emisso de luz na termoluminescncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Figura 6.3 - Esquema de uma leitora TLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Figura 6.4 - Regies de operao para detectores gs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Figura 6.5 - Caneta Dosimtrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Figura 6.6 - Cmara de ionizao, porttil, tipo babyline, com faixa de medio de 0,1 mR/h a 50

R/h (1 Sv/h a 500 mSv/h), para deteco de radiaes X, gama e beta, em instalaesnucleares, clnicas de medicina nuclear, radiodiagnstico e radioterapia. . . . . . . . . . 168

Figura 6.7 - Cmara de ionizao pressurizada, porttil, para medio de nveis baixos de radiaoX e gama, provenientes da radiao de fundo, fugas de aparelhos usados emradiodiagnstico e radioterapia e radiao espal hada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Figura 6.8a - Esquema de um detector proporcional cilndrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Figura 6.8b - Detector proporcional porttil para medio de contaminao superficial. . . . . . . . . 170Figura 6.9 - Detectores G-M utilizados para medio de taxa de contagem ou convertidos para taxa

de exposio e equivalente de dose ambiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Figura 6.10 - Detector Geiger, tipo pancake, para medio de contaminao superficial com janela de

mylar aluminizado, para radiao alfa, beta e gama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Figura 6.11 - Sonda GM para deteco beta e gama, com janela metlica muito fina. . . . . . . . . . . 172Figura 6.12 - Estrutura de bandas de energias em um cintilador cristalino ativado . . . . . . . . . . . . . 173Figura 6.13 - Elementos bsicos de uma vlvula fotomultiplicadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Figura 6.14 - Cintilmetro porttil, de alta sensibilidade, utilizado em atividades de triagem e

localizao de fontes emissoras de radiao gama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Figura 6.15 - Espectrmetro gama, com NaI(Tl) e analisador multicanal, porttil, que permite

determinar a energia da radiao, obter o espectro e identificar o radionucldeo. . . . 175Figura 6.16 - Gama-Cmara de duas cabeas, com detector de NaI(Tl) planar de grandes dimenses,

utilizado em diagnstico com radiofrmacos em rgos e corpo inteiro, em medicina

nuclear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175Figura 6.17 - Sondas de sulfeto zinco para medio de contaminao superficial (alfa). . . . . . . . . 176


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Figura 6.18 - Nveis de energia em uma molcula orgnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177Figura 6.19 - Cintilador Lquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Figura 6.20 - Diagrama de blocos do um cintilador lquido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186Figura 6.21 - Estrutura de bandas em um material (Eienergia do intervalo). . . . . . . . . . . . . . . . . . 187Figura 6.22 - Impurezas doadoras e receptoras em uma estrutura cristalina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188Figura 6.23 - Detector de germnio de alta pureza, resfriado a nitrognio lquido, utilizado em

tcnicas de espectrometria X e gama, em medies de laboratrio. . . . . . . . . . . . . . . 190Figura 6.24 - Monitor individual com detector de diodo de silcio para radiao X e gama, com

leitura direta da dose equivalente, taxa de dose, equivalente de dose pessoal Hp(10),com memria para estocagem de dados, alarme sonoro e luminoso e identificao dousurio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Figura 6.25 - Diagrama de blocos de uma cadeia de medio utilizando o mtodo de coincidncia4-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Figura 7.1 - Descrio esquemtica do mtodo de anlise custo-benefcio para a otimizao daproteo radiolgica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Figura 7.2 - Grandezas bsicas e derivadas utilizadas para a limitao da exposio individual.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Figura 7.3 - Valores dos parmetros a e b em funo da energia da radiao da frmula deBerger para o clculo do fator de Build up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213Figura 7.4 - Triflio - Smbolo da Radiao Ionizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Figura B.1 - RJU e Legislao Relativa s Radiaes Ionizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227


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RELAO DE TABELAS

Tabela 1.1 - Denominao, smbolo e caractersticas dos elementos de Z = 97 a 111. . . . . . . . 10Tabela 1.2 - Energias e intensidades relativas dos raios X emitidos pelos elementos de

nmero atmico de 20 a 109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Tabela 1.3 - Emissores beta puros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Tabela 1.4 - Radionucldeos alfa emissores, com energias bem conhecidas, utilizados como

padres para calibrao de detectores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Tabela 1.5 - Valores das energias das radiaes gama de alguns radionucldeos . . . . . . . . . . . . 27Tabela 1.6 - Caractersticas das radiaes em funo de sua origem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Tabela 2.1 - Composio qumica do Homem Referncia, que possui massa total de 70 kg e

densidade de 1,025 g/cm3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Tabela 2.2 - Composio qumica de materiais tecido-equivalentes e do msculo utilizada

em Radioproteo, para clculos por simulao, utilizando Mtodos de MonteCarlo e para teste de equipamentos de medio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Tabela 2.3 - Reatores Nucleares de Potncia no Mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Tabela 3.1 - Valores de (Z/A)efde alguns materiais utilizados em dosimetria das radiaes. . . 92

Tabela 4.1 - Valores mdios do LET e RBE para a gua (ICRP-ICRU,1963) . . . . . . . . . . . . . 110Tabela 4.2 - Limiares de dose para efeitos determinsticos nas gnadas, cristalino e medula ssea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Tabela 4.3 - Sndrome de Irradiao Aguda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Tabela 4.4 - Sintomas de doena resultantes da exposio aguda radiao ionizante, em

funo do tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Tabela 4.5 - Sintomas e sinais no estgio prodrmico e sndrome de irradiao aguda em

ordem aproximada de crescente gravidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Tabela 5.1 - Valores do Fator de Qualidade Efetivo Q para os diversos tipos de radiao

CNEN-NE-3.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Tabela 5.2 - Valores do fator de peso wTpara tecido ou rgo definido na ICRP 26 e ICRP

60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Tabela 5.3 - Valores de para alguns radionucldeos emissores gama em (R.m2)/(h.Ci) . . . . 141Tabela 5.4 - Valores do Fator de Converso para a obteno da Dose Efetiva, em mSv,

devido exposio por uma fonte puntiforme de Atividade, expressa em kBq,para um tempo t de exposio, em h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Tabela 5.5 - Fator de converso da atividade por unidade de rea para dose efetiva, emfuno do perodo de permanncia no solo contaminado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Tabela 5.6 - Uso das novas grandezas de acordo com o tipo de radiao monitorada . . . . . . . 149Tabela 5.7 - Profundidade de determinao de dose efetiva em alguns tecidos. . . . . . . . . . . . 149Tabela 5.8 - Valores do fator de pso da radiao wR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Tabela 5.9 - Coeficiente de probabilidade de mortalidade numa populao de todas as idades

por cncer aps exposio a baixas doses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Tabela 5.10 - Probabilidade de incidncia e mortalidade de cncer de pele induzido por

radiao ionizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Tabela 6.1 - Energia mdia para formao de pares de ons em alguns gases . . . . . . . . . . . . . 164Tabela 6.2 - Solues cintiladoras comerciais tpicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179Tabela 6.3 - Fases do processo quantitativo de deteco com cintilao lquida. . . . . . . . . . . 182Tabela 6.4 - Componentes da expresso que calcula a amplitude do pulso de tenso

produzido em sistema de deteco com cintilao lquida. . . . . . . . . . . . . . . . . . 183Tabela 7.1 - Limites de Dose Anuais (mSv) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201Tabela 7.2 - Coeficientes de Risco e Fatores de Peso para vrios Tecidos . . . . . . . . . . . . . . . . 201Tabela 7.3 - Comprimento de Relaxao aproximado de alguns materiais, para nutrons

rpidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Tabela 7.4 - Camadas semi-redutoras (HVL) e deci-redutoras (TVL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Tabela 7.5 - Valores da camada semi-redutora (HVL) de vrios materiais para vriosradionucldeos emissores de radiao gama, numa condio de boa


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geometria, onde a contribuio da radiao secundria de espalhamento no importante. Ref. IAEA TECDOC 1162, Vienna (2000). . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Tabela B.1 - Definio de adicional de irradiao ionizante constante do Decreto 877/93 . . . 237


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ocorreu no final do sculo 18, quando da descoberta das leis qumicas das propores definidaspor Proust (1754-1826) e das propores mltiplas por Dalton (1766-1844). Essas leisconduziram, de forma natural, considerao de que quando substncias elementares secombinam, o fazem como entidades discretasou tomos.

1.1.6. Lei das propores definidas

Umdeterminado composto qumico sempre formado pelos mesmos elementosqumicoscombinados sempre na mesma proporo em massa, independentemente de sua procedncia oumtodo de preparao. Exemplo: 10 g de H + 80 g de O formam 90 g de H2O, na proporo 1:8.

1.1.7. Lei das propores mltiplas

As massas de um elemento qumico que se combinam com uma massa fixa de umsegundoelemento,para formar compostos diferentes,esto entre si numa proporo de nmerosinteiros, em geral pequenos. Exemplo:

71 g de Cl2+ 16 g de O2= 87 g Cl2O71 g de Cl2+ 48 g de O2= 119 g Cl2O3

1.2. ESTRUTURA DA MATRIA

1.2.1. Composio da matria

Todos os materiais existentes no universo so constitudos de tomos ou de suascombinaes. As substncias simples so constitudas de tomos e, as combinaes destes,formam as molculasdas substncias compostas. A maneira como os tomos se combinamdepende da sua natureza e das propriedades que as suas estruturas propiciam.

1.2.2. Estrutura do tomo

O conceito inicial de tomo indivisvel sofreu modificaes profundas com asexperincias realizadas por Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores. O modeloutilizado para representar o tomo, passou a ser concebido como tendo um ncleo pesado, comcarga eltrica positiva,e vrios eltrons, com carga eltrica negativa, cujo nmero varia com a

natureza do elemento qumico. O raio de um tomo da ordem de 10-7

cm e suas propriedadesqumicas so definidas pelos eltrons das camadas mais externas.

1.2.3. Raio atmico

Teoricamente, a distncia do centro do ncleo atmico at o ltimo orbitalocupadopor eltrons. O valor do raio depende da fora de atrao entre o ncleo e os eltrons e expressoem Angstron (1 = 10-8cm). Assim, aumentando-se Z, o raio diminui; aumentando-se o nmerode camadas eletrnicas, o raio aumenta. Para tomos com a ltima camada de eltrons completa,o raio tende a ser menor devido alta energia de ligao das partculas. Assim, os raios do 40Ca,222Rn e 207Pb medem 2,23 ,1,3 e 1,18 , respectivamente, enquanto que do 39K vale 2,77 e 127I,

1,32 .


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3

1.2.4. Raio inico

O acrscimo ou o desfalque de eltrons num tomo, modifica o raio do sistema restante,que o on. O on positivo, denominado de ction, possui eltrons a menos. Oon negativo, onion, tem excesso de eltrons. O desfalque de eltrons faz com que a carga nuclear atue mais

intensamente sobre os eltrons restantes, reduzindo o raio. Este o caso do 127I, cujo raio vale1,32 e raio inico, I7+= 0,50 . O efeito do emparelhamento de eltrons significativo, comose pode perceber com o 40Ca cujo raio vale 2,23 e o raio inico de Ca2+= 0,99 .

O excesso de eltrons aumenta o raio, pela atenuao da fora de atrao e aumento darepulso entre os eltrons. A deficincia de eltrons diminui o raio conforme pode ser observado,comparando-se os raios dos ctions com carga (+1), (+2) e (+3). Por exemplo, Ag+com 1,26 eAg2+com 0,89 ; Bi3+com 0,96 e Bi5+com 0,74 .

1.2.5. Estrutura eletrnica

Os eltrons se distribuem em camadas ou orbitais, de tal modo que dois eltrons noocupem o mesmo lugar ao mesmo tempo. Somente dois eltrons podem ocupar a mesma regiono espao, mas eles devem ter caractersticas magnticas (spin) diferentes. Esta restrio denominada de Princpio de excluso de Pauli. Quanto mais eltrons possuir o elementoqumico, 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 trajetriacircular(ou elptica)ou por uma nuvem envolvendo o ncleoe distribuda em torno de um raiomdio, conforme ilustrado na Figura 1.1. O orbital um conceitoproveniente da teoriaquntica do tomoe definido como uma regio do espao em torno do ncleo onde os eltronstm grande probabilidade de estar localizados. Cada camada acomoda um nmero definido deeltrons. Quando preenchida, denomina-se camada fechada. O nmero de eltrons destas

camadas denominado de nmero mgicoe, quando excedido, os novos eltrons devem ocuparnovos orbitais, seno haver repetio dos nmeros qunticos que caracterizam cada eltron (ver1.2.13). Os nmeros mgicos so: 2, 8, 18, 32, 32, 18 at 8.

Figura 1.1 - Representao de modelos atmicos: a)geomtrica,onde os orbitais so trajetriasgeomtricas percorridas por eltrons; b) quntica, onde os orbitais sorepresentados por nuvens envolvendo o ncleo, onde para cada posio geomtricaexiste uma probabilidade associada de encontrar o eltron.


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4

1.2.6. Energia de ligao eletrnica

Cada eltron est vinculadoao ncleo pelaatrao entre a sua carga negativa e a cargapositiva do ncleo,pelo acoplamento atrativo do seu momento magntico (spin) com eltronsda mesma camada. A fora atrativa sofre umapequena atenuaodevido repulso eltrica dos

demais eltrons.A energia consumida neste acoplamento se denomina energia de ligao. Paraelementos de nmero atmico elevado, a energia de ligao dos eltrons prximos ao ncleo

bastante grande, atingindo a faixa de 100 keV (ver Tabela 1.2), enquanto que a dos eltrons maisexternos da ordem de alguns eV. Os eltrons pertencentes s camadas fechadas possuemenergia de ligao com valores bem mais elevados do que os das camadas incompletas e,

portanto, so os mais estveis.A Figura 1.2 mostra a variao da energia de ligao dos eltrons da ltima camada, ou

energia potencial de ionizao, com o nmero atmico Z do elemento qumico. Quanto maioro raio atmico, mais distante os eltrons estaro do ncleo e, portanto, mais fraca ser a atraosobre eles. Assim, quanto maior o raio atmico, menor o potencial de ionizao. Os valoresmximos correspondem a de elementos com a ltima camada eletrnica completa.

Figura 1.2 - Energia necessria para ionizao dos tomos em funo de Z.

1.2.7. Estrutura nuclear

O ncleo atmico constitudo de A nucleons,sendo N nutrons e Z prtons. Os prtonssocarregados positivamentee determinam o nmero de eltrons do tomo, uma vez que este eletricamente neutro. Os nutronspossuem praticamente a mesma massa que os prtons, masno tm carga eltrica.Prtons e nutrons so chamados indistintamentede nucleons. O nmerode nucleonsA = N + Z denominado de nmero de massa e Z de nmero atmico.

Os nucleons se movem com uma velocidade mdia da ordem de 30.000 km/s, numvolume obtido por 4/3..R3, onde R = r0A

1/3 (10-13 cm) o raio nuclear, com r0= 1,15. Adensidade nuclear tem um valor em torno de = 10+15g/cm3, com uma densidade de ocupaode 1,6.10+38nucleons/cm3.


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5

1.2.8. Notao qumica

A notao utilizada para identificao de um elemento qumico do tipo AZX, ondeA o nmero de massa e Z o nmero atmicoou nmero de prtons. O nmero de nutrons obtidodeN = A - Z.Exemplos: 42He,

23994Pu e

23952U.

1.2.9. Organizao nuclear

Os prtons e nutrons se organizamem orbitais,em nveis de energia, sob a ao docampo de foras intensas e de curto alcance. No existe correlao entre orbitais e trajetriasgeomtricas, mas entre orbitais e energias das partculas. A base da organizao dos nucleons noespao nuclear o Princpio de Excluso de Pauli. Estas foras so denominadas de forasnucleares, ou interao forte, e aenergia de ligaoda ltima partculadentro do "poo de

potencial"caracteriza a energia de ligao do ncleo. O valor mdio da energia de ligao dosncleos cerca de 7,5 MeV, muito maior que a energia de ligao dos eltrons. Esses conceitos

podem ser representados pelas Figuras 1.3 e 1.4.

Figura 1.3 - Ocupao dos nveis de energia de um ncleo representado por um poo depotencial atrativo (energia "negativa").


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6

Figura 1.4 - Energia de ligao nuclear por partcula.

1.2.10. Tabela de nucldeos

Registrando, num grfico, todos os elementos qumicos conhecidos, estveis e instveis,tendo como eixo das ordenadas o nmero atmico Ze o das abscissas o nmero de nutrons N,

obtm-se a denominada Tabela de Nucldeos.Nesta tabela, observa-se que, para os elementos

de nmero de massa pequeno, o nmero de prtons igual ou prximo do nmero de nutrons.

medida que o nmero de massa A vai aumentando, o nmero de nutrons aumenta

relativamente, chegando a um excesso de quase 40% no final da tabela.

Na Figura 1.5 apresentado um segmento da Tabela de Nucldeos. Nela aparecem outros

parmetros nucleares tais como a meia-vida do nucldeo, os tipos de radiaes emitidas, a energia

das radiaes mais intensas, a abundncia percentual de cada istopo, e a seco de choque de

reao nuclear.


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7

Figura 1.5 - Tabela de Nucldeos.

1.2.11. Istopos, isbaros e istonos

Observando a Tabela de Nucldeos na Fig. 1.6, percebe-se que vrios elementos simples,ou seja, quimicamente puros, no so nuclearmente puros. Apresentam, diferentes massasatmicas. So os denominados istopos.So nucldeos com omesmo nmero de prtons Z, masdiferentes nmeros de nutrons. Por exemplo, do boro quimicamente puro, 80% constitudo de1115B e 20% de

105B. Alguns nucldeos possuem muitos istopos estveis, como o estanho com 8.

Alm dos nucldeos estveis, existem os instveis, que so radioativos, denominados de

radioistopos ou radionucldeos.

Figura 1.6 - Segmento da Tabela de Nucldeos mostrando istopos, isbaros e istonos.


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1.2.12. Tabela Peridica

Na histria da cincia, vrias propostas para classificar os elementos conhecidos

surgiram, em geral, acreditando haver semelhanas de comportamento nas reaes qumicas. A

classificao mais completa e criativa, foi estabelecida por Mendeleieff, em 1869, ao mostrar queos elementos apresentavam uma periodicidade nas propriedades qumicas, de acordo com o

nmero de eltrons da ltima camada, coadjuvada, em alguns casos, com os da penltima

camada. Foi denominada, ento, de Tabela Peridicados elementos qumicos.

Nela, os elementos qumicos foram dispostos em 18 colunas e 9 linhas, em ordem

crescente de seus nmeros atmicos, e contm 7 perodos:

O 1o, possui somente 2 elementos, o H (Z=1) e He (Z=2), com eltrons na camada 1s.

O 2, possui 8 elementos, vai de Li (Z=3) at Ne (Z=10), com eltrons em2s e 2p.

O 3, possui 8 elementos, vai do Na (Z=11) at Ar (Z=18), com eltrons em 3s e 3p.

O4, com 18 elementos, vai do K (Z=19) at o Kr (Z=36), com eltrons4s, 3d e 4p.

O 5, com 18 elementos, vai do Rb (Z=37) at o Xe (Z=54), com eltrons 5s, 4d e 5p.

O 6, com 32 elementos, vai do Cs (Z=55) at o Rn (Z=86), com os ltimos subnveis

6s, 4f, 5d e 6ppreenchidos.

O 7, com 14 elementos, os actindeos, vai do Th (Z=90) at o Lr (Z=103), com os

ltimos subnveis 7s,5f e 6d preenchidos.

Os elementos dispostos na mesma coluna, tm propriedades qumicas similares econstituem as famlias ou grupos. Por exemplo, He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rnconstituem o grupo dos

gases nobres; Li, Na, K,Rb, Cs e Fr, osmetais alcalinos;F, Cl, Br, I e At, oshalognios;

Be,Mg, Ca, Sr, Ba e Ra os metais alcalinos-terrosos. Na Figura 1.7 apresentada a Tabela

Peridica dos elementos qumicos.

Atualmente existem mais 7 elementos com Z = 104 at 111, com smbolos ainda no

definidos pela Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada (IUPAC), mas que em algumas

tabelas so designados por: Rf, Ha, Sg, Ns, Mt, Unn e Unu. Estes elementos so metais sintticos

obtidos por reaes nucleares com ons pesados, so radioativos e os seus ltimos eltronspreenchem os subnveis 5f, 6d e 7s.

Na Tabela 1.1 so apresentados os nomes, os mtodos de obteno e algumas das

caractersticas dos elementos Z = 97 a 111.


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Figura 1.7 - Tabela Peridica dos elementos qumicos.


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Tabela 1.1 - Denominao, smbolo e caractersticas dos elementos de Z = 97 a 111.

Elemento SimboloNmeroAtmico

MassaAtmica

Mtodo deObteno

Configurao Eletrnica

Berklio Bk 97 247,0703 241Am + [Rn] 5f9 7s2

Califrnio Cf 98 251,0796 Cm + 4He [Rn] 5f10 7s2

Eisteinio Es 99 252,083 U + n [Rn] 5f11 7s2

Frmio Fm 100 257,0951 TransU+P.leves [Rn] 5f12 7s2

Mendelvio Md 101 258,0984 Es + 4He [Rn] 5f13 7s2

Noblio No 102 259,1011 Cm + 13C [Rn] 5f14 7s2

Lawrncio Lr 103 262,1098 Cf + ons B [Rn] 5f14 6d1 7s2

Rutherfrdio Rf 104 261,1089 249Cf + 12C [Rn] 5f14 6d2 7s2

Hahnio Hn 105 262,1144 249Cf + 15N [Rn] 5f14 6d3 7s2

Seaborgio Sg 106 263,1186249

Cf +18

O [Rn] 5f14 6d4 7s2Nielsbohrio Ns 107 262,1231 204Bi + 54Cr [Rn] 5f14 6d5 7s2

Hssio Hs 108 265,1305 208Pb + 58Fe [Rn] 5f14 6d6 7s2

Mietnrio Mt 109 266,1378 209Bi + 58Fe [Rn] 5f14 6d7 7s2

Unnunnillio Unn 110 268 209Bi + 59Co [Rn] 5f14 6d9 7s2

Unnuunnio Unu 111 269 209Bi + 60Ni [Rn] 5f14 6d10 7s2

1.2.13. Preenchimentos das camadas eletrnicas

Para distribuir os eltrons nos nveis e subnveis de energia, preciso adotar oDiagramacriado porLinus Pauling, obedecer oPrincpio de Excluso de Pauli e a Regra de Hund.

O diagrama provm dateoria quntica da matria, na qual, a energia no se apresentade modo contnuo, mas em pacotes discretos, em quanta.Esta teoria foi necessria para explicar,dentre outros fenmenos, os orbitais estacionrios dos eltrons e nucleons atmicos e astransies com emisso de radiaes com energia definida.

Nesta viso do tomo, os eltrons se distribuem ao redor do ncleo, em regiesprivilegiadas, denominadas camadas, sendo que em cada camada s podem habitarorbitaisbemdefinidos pelos denominados nmeros qunticos. Assim, cada eltron possui um conjunto denmeros que o identificam.

Nmero Quntico Principal n

O nmero quntico principaln, representa o nvel principal de energia que, para oseltrons, corresponderia a distncia deles em relao ao ncleo. Isto porque a intensidade dafra de atrao entre as cargas positiva (Ze) do ncleo e negativa (e) do eltron, varia com oinverso do quadrado da distncia (d) entre elas. Como esta fra deve ser equilibrada pela fracentrfuga do eltron com determinada velocidade, a distncia (d) fixa o valor de sua energiacintica, no estado estacionrio. Os valores de nso: 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, e correspondem aosdenominados nveis energticos K, L, M, N, O, P e Q.


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Nmero Quntico Orbital

O nmero quntico orbital ou secundrio , equivale aos orbitais dos subnveis

energticos e descreve a forma dos orbitais.Para cada valor de n, varia de 0 at n -1.

Por exemplo:n = 1 = 0

n = 2 = 0 e 1

n = 3 = 0, 1 e 2

Existe uma nomenclatura para estes subnveis:

= 0subnvel s

= 1subnvel p

= 2subnvel d

= 3subnvel f

Como para os diversos valores de n, pode haver valores de iguais, a notao utilizada para

diferenci-los a seguinte: paran =1, 1s; n =2, 2s e 2p; n = 3, 3s, 3p, 3d

Nmero Quntico Magntico m

O nmero quntico magntico m, indica o nmero de orbitais dos subnveis e a

orientao em relao a uma direo estabelecida no espao.Ele varia, em nmero inteiro, de

(- ) at (+ ), incluindo =0. Isto significa que, para um valor do momento angular orbital ,

existem (2 +1) orientaes, ou meridianos possveis de serem ocupados por eltrons. Por

exemplo, para =2, existem -2, -1, 0, 1 e 2.

Spin

O quarto nmero quntico denominado despin. Corresponde, na viso geomtrica

clssica, ao sentido de rotao do eltron em torno de seu prprio eixo. Constitui um momento

magntico intrnsecodo eltron. Pode assumir somente dois valores: + e - , correspondentess orientaes para cima e para baixo, respectivamente.

Resumindo todos estes conceitos, v-se que n, , e m tem variaes com valores

expressos por nmeros inteiros, indicando que a energia dos eltrons se diferencia em valores

inteiros, em quanta.

Na Figura 1.8. apresentado o diagrama de Linus Pauling, onde em cada clula podem

ser alocados 2 eltrons, um com spin para cima e outro para baixo. O valor da energia de cada

nvel ou subnvel negativo, para representar uma energia de campo atrativo. Assim, quanto mais

negativo, mais prximo do ncleo estar o eltron, e maior ser sua energia de ligao.


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Figura 1.8 - Diagrama de Linus Pauling para distribuio dos eltrons segundo os nveis deenergia.

1.2.14. Regra de Hund

Se dois orbitais de mesma energiaesto disponveis, o eltron ocupar, de preferncia,

o orbitalvazio, ao invs de ocupar um orbital onde j existe um eltron.

1.3. TRANSIES

1.3.1. Estados excitados

Quandoo tomose encontraem equilbrio, os seus eltrons e seus nucleons se encontramemorbitais estacionrios. Se partculas ou ondas eletromagnticas forem lanadas contra ele, sobcertas condies fsicas, elas podero colidir com alguns de seus eltrons ou com o seu ncleo.Devido disposio geomtrica, ao nmero, carga e ao movimento, a probabilidade de colisocom os eltrons muitas vezes superior probabilidade de coliso com o ncleo. No choque,a radiao transfere parcial ou totalmente a sua energia que, se for superior energia de ligao,

provocar uma ionizao ou uma reao nuclear, no tomo ou no ncleo, respectivamente.Quando a energia absorvida forinferior energia de ligao, ocorrer um deslocamento da

partcula alvo, para estados disponveis nas estruturas eletrnica ou nuclear, gerando osdenominadosestados excitadoseletrnicos ou nucleares.

1.3.2. Transio eletrnica

possvel classificar as transies eletrnicas em dois tipos. O primeiro tipo envolve as


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transiesde baixa energia(luz) que ocorrem entre os nveis ou subnveis de energia prximos

do contnuo. O segundo, envolvendo os nveis ou subnveis mais internos, originando os raios

X caractersticos,de alta energia, conforme so ilustrados nas Figuras 1.9 e 1.10. Na Tabela 1.2

so dadas as energias e as intensidades relativas dos raios X caractersticos emitidos pelos

elementos de nmero atmico de 20 a 109.

Figura 1.9 - Representao de uma transio eletrnica, resultando na emisso de um fton deluz ou raio X caracterstico.

Figura 1.10 - Raios X caractersticos originados nas transies entre nveis eletrnicos.

1.3.3. Transio nuclear

Quando nucleons so deslocados para estados disponveis, formando os estados

excitados,norestabelecimento do equilbrioeles emitema energia absorvida sob a forma de

radiao gama, que ser descrita posteriormente.


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1.3.4. Meia-vida do estado excitado

O tempo de permanncia da partcula no estado excitado depende das caractersticas que

definem os estados inicial e final, que iro participar da transio, e pode ser definido

probabilisticamente em termos de meia-vida. O seu valor depende da variao do momentoangular e paridade do orbital do estado excitado, energia e tipo de transio eletromagntica. Em

geral, seu valor muito pequeno, variando entre 10-6 a 10-15segundos, principalmente para

eltrons. Os estados excitados nucleares so de durao semelhante, mas alguns ncleos

possuem estados excitados com meia-vida bastante longae podem, em alguns deles, funcionar

como estados isomricos. A meia-vida do estado excitado no apresenta ligao direta com a

meia-vida do ncleo.

Tabela 1.2- Energias e intensidades relativas dos raios X emitidos pelos elementos de nmero

atmico de 20 a 109.

Ref.: J.A. Bearden Rev of Modern PhysicsF.T. Porter, M.S. Freedman, J. Of Phys. And Chem. Reference Data 7,1276 (1978) EX: Z = 84 - 103T.A. Carlson, C.W. Nestor, Atomic Data and Nucl. Data Tables 19, 153 (1977) EX: Z 104J.H. Scofield, Phys. Rev. A9. 1041 (1974 ) Ir: Z + 20 - 98C.C. Lu, F.B. Malik, T.A. Carlson, Nucl. Phys. A 175, 289 (1975) Ir: Z 99


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Ex[keV] Ir* Ex[keV] Ir*

Elem. K2 K1 K1 K 21 K2 1 2 Elem. K2 K1 K1 K 2

1 K2 1 2

20 Ca21 Sc22 Tl23 V

24 Cr

25 Mn26 Fe27 Co28 Ni29 Cu

30 Zn31 Ga32 Ge33 As34 Se

35 Br36 Kr37 Rb38 Sr39 Y

40 Zr41 Nb42 Mo43 Tc44 Ru

45 Rh46 Pd47 Ag48 Cd49 In

50 Sn51 Sb52 Te53 J54 Xe

55 Cs56 Ba57 La58 Ce59 Pr

60 Nd61 Pm62 Sm

63 Eu64 Gd

3,694,094,504,94

5,41

5,896,396,927,468,03

8,629,229,86

10,5111,18

11,8812,6013,3414,1014,88

15,6916,5217,3718,2519,15

20,0721,0221,9922,9824,00

25,0426,1127,2028,3229,46

30,6331,8233,0334,2835,55

36,8538,1739,52

40,9042,31

3,694,094,514,95

5,41

5,906,406,937,488,05

8,649,259,89

10,5411,22

11,9212,6513,4014,1714,96

15,7816,6217,4818,3719,28

20,2221,1822,1623,1724,21

25,2726,3627,4728,6129,78

30,9732,1933,4434,7236,03

37,3638,7240,12

41,5443,00

4,014,464,935,43

5,95

6,497,067,658,268,90

9,5710,2610,9811,7312,50

13,2914,1114,9615,8416,74

17,6718,6219,6120,6221,66

22,7223,8224,9426,1027,28

28,4929,7331,0032,2933,62

34,9936,3837,8039,2640,75

42,2743,8345,41

47,0448,70

9,6610,3711,1011,8612,65

13,4714,3215,1916,0817,02

17,9718,9519,9721,0122,07

23,1724,3025,4626,6427,86

29,1130,3931,7033,0434,42

53,8237,2638,7340,2341,77

43,3344,9446,58

48,2649,96

50,650,750,850,8

50,9

51,051,151,251,251,3

51,451,551,551,551,6

51,851,952,052,152,2

52,352,452,552,652,7

52,852,953,153,253,3

53,453,653,753,854,0

54,154,354,456,454,8

54,955,155,3

55,455,6

19,820,120,420,6

20,2

20,921,021,121,220,9

21,421,822,322,823,3

23,723,824,224,625,0

25,425,826,226,526,8

27,127,427,828,028,3

28,628,829,129,329,5

29,730,030,230,430,6

30,931,131,3

31,531,7

0,50,91,3

1,82,42,83,23,5

3,73,94,04,24,4

4,54,74,85,15,4

5,66,06,36,67,0

7,37,67,77,77,8

7,98,08,1

8,18,1

65 Tb66 Dy67 Hg68 Er

69 Tm

70 Yb71 Lu72 Hf73 Ta74 W

75 Re76 Os77 Ir78 Pt79 Au

80 Hg81 Tl82 Pb83 Bi84 Po

85 At86 Rn87 Fr88 Ra89 Ac

90 Th91 Pa92 U93 Np94 Pu

95 Am96 Cm97 Bk98 Cf99 Es

100 Fm101 Md102 No103 Lr104

105106107

108109

43,7445,2146,7048,22

49,77

51,3552,9754,6156,2857,98

59,7261,4963,2965,1266,99

68,9070,8372,8074,8176,86

78,9581,0783,2385,4387,68

89,9692,2894,6597,0799,53

102,03104,59107,19109,83112,53

115,29118,09120,95123,87126,85

129,88132,94136,09

139,30142,58

44,4846,0047,5549,13

50,74

52,3954,0755,7957,5359,32

61,1463,0064,9066,8368,80

70,8272,8774,9777,1179,29

81,5283,7986,1188,4790,89

93,3595,8698,43

101,06103,73

106,47109,27112,12115,03118,01

121,06124,17127,36130,61133,95

137,35140,80144,37

148,01151,75

50,3852,1253,8855,68

57,72

59,3761,2863,2365,2267,24

69,3171,4173,5675,7577,98

80,2582,5884,9487,3489,81

92,3294,8797,47

100,13102,84

105,60108,42111,30114,23117,73

120,28123,40126,12129,82133,14

136,52139,97143,51147,11150,80

154,56158,37162,30

166,31170,42

51,7253,5155,3257,21

59,09

60,9862,9764,9867,0169,10

71,2373,4075,6277,8880,19

82,5484,9587,3689,8692,39

94,9797,61

100,30103,04105,83

108,68111,59114,56117,58120,67

123,82127,03130,31133,65133,06

140,55144,10147,74151,45155,25

159,12163,04167,08

171,21175,43

55,856,056,256,3

56,5

56,756,957,157,457,6

57,858,058,358,558,7

59,059,259,559,860,1

60,360,660,961,261,5

61,862,162,562,863,2

63,563,964,264,665,1

65,465,866,266,767,1

67,568,068,4

68,969,4

31,932,032,232,4

32,6

32,732,933,133,233,4

33,533,733,834,034,1

34,334,434,634,734,9

35,035,235,335,535,6

35,835,936,136,236,4

36,536,736,838,037,2

37,337,337,637,737,8

38,038,138,2

37,338,5

8,38,38,48,4

8,5

8,58,78,89,09,1

9,39,49,69,79,9

10,010,210,410,610,8

11,111,311,511,711,9

12,112,212,312,512,6

12,812,913,013,213,3

13,413,513,713,813,9

14,114,214,3

14,514,6

*Ir K1= 100

EX

K2: E ( K-LII) K2: I ( K-LII)K1: E ( K-LIII) K1: I ( K-LIII)K1: E ( K-MIII) 1: I ( K-MIII) + I ( K-MII) + I ( K-MIV+V)

1 ~0,5 < 0,05

: E ( K-NIII) 2: I ( K-NIII) + I ( K-NII) + I ( K-NIV+V) + I ( K-O + ...) K 21

1 ~0,5 < 0,05 ~0,2 - 0,4 (Z ~50 - 109)


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16

A(t) dn(t)dt

n(t)

1.4. ORIGEM DA RADIAO

As radiaes so produzidas porprocessos deajustes que ocorrem no ncleo ou nascamadas eletrnicas, ou pela interaode outras radiaes ou partculas com oncleo ou como tomo.

Exemplos: radiao beta e radiao gama (ajuste no ncleo); raios X caracterstico(ajuste na estrutura eletrnica); raios X de freamento (interao de partculas carregadas com oncleo); raios delta (interao de partculas ou radiao com eltrons das camadas eletrnicascom alta transferncia de energia).

1.4.1. Ftons

A radiao eletromagntica constituda por vibrao simultnea de campos magnticoe eltrico, perpendiculares entre si, originados durante a transio, pela movimentao da cargae momento magntico da partcula, quando modifica seu estado de energia, caracterizado pelomomento angular, spin e paridade. As radiaes eletromagnticas ionizantes de interesse soos raios X e a radiao gama.

1.4.2. Raios X

Raios X a denominao dada radiao eletromagntica de alta energia que tem origemna eletrosfera ou no freamento de partculas carregadas no campo eletromagntico do ncleoatmico ou dos eltrons.

1.5. RADIOATIVIDADE

1.5.1. Constante de decaimento

Os tomos instveis, de mesma espcie e contidos numa amostra, no realizamtransformaes para se estabilizarem, ao mesmo tempo. Eles as fazem de modo aleatrio.No

se pode prever o momento em que um determinado ncleo ir se transformarpor decaimento.Entretanto,para uma quantidade grande de tomos, o nmero de transformaes por segundo proporcional ao nmero de tomosque esto por se transformar naquele instante. Isto significaque a probabilidade de decaimento por tomo por segundo deve ser constante, independente dequanto tempo ele tem de existncia. Estaprobabilidade de decaimento por tomo por segundo

denominada de Constante de Decaimento e caracterstica decadaradionucldeo.

1.5.2. Atividade de uma amostra, A

A taxa de mudanas dos tomos instveis em um determinado instante denominada deAtividade. Assim, chamando de n(t)o nmero de tomos existentes numa amostra, no instantet,a atividadeA(t), ser expressa por:

Nota: O nmero n(t) de tomos radioativos obtido em funo da massa do istopo contido na amostra,do nmero de Avogadro NA, e do percentual de tomos radioativos na massa do istopo.


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n(t) n0e .t

A(t) n(t) n0e t

A0 n0

A(t) A0e t

1.5.3. Atividade de uma amostra em um dado instante

Integrando a equao diferencial e chamando de n0o nmero de tomos radioativosexistentes na amostra no instante t = 0:

A atividade da amostra pode ser obtida pela expresso:

A atividade da amostra no instante zero, A0, expressa por:

e, portanto:

1.5.4. Decaimento da atividade com o tempo

Num ncleo radioativo existem vrios estados excitados. A maneira e o tempo com quecada estado se transforma num estado mais estvel, depende de suas caractersticas fsicas como:energia, momento angular, paridade, spin, etc. Cada estado tem durao mdia e transio

prprias. Globalmente, o ncleo se comporta como um todo, estabilizando-se com umaprobabilidade constante , caracterstica do nucldeo, que a constante de decaimento.

A atividade de uma amostra depende do valor inicial da atividade no instante zero e uma funo exponencial decrescente do tempo. A Figura 1.11 mostra a funo de decaimento eos parmetros principais envolvidos no processo.

n = numero de tomos radioativos no instante (t)n

0

= nmero de tomos radioativos no instante (t = 0) = constante de decaimentoT1/2 = meia-vida = vida-mdia

Figura 1.11 - Curva representativa do decaimento de um radiostopo em funo do tempo e seusprincipais parmetros.


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1.5.5. Unidades de atividade - o becquerel e o curie

A atividade de uma fonte medida em unidades de transformaes por segundo,denominada becquerel (Bq) = 1/s no Sistema Internacional.

A unidade antiga, ainda em uso em equipamentos antigos ou produzidos em alguns

pases (como os E.U.A.) o curie (Ci). Por sua definio inicial, equivale ao nmero detransformaes por segundo em um grama de 226Ra, que de 3,7 1010 transformaes porsegundo. Portanto, 1 Ci equivalente a 3,7 1010Bq.

1.5.6. Mltiplos e submltiplos das unidades de atividade

No registro do valor da atividade de uma amostra so utilizados, freqentemente,mltiplos ou submltiplos destas unidades. Assim:

Mltiplos e Smbolos Submltiplos e Smbolos

Kilo k 103 kBq kCi Mili m 10-3 mBq mCi

Mega M 106 MBq MCi Micro 10-6 Bq Ci

Giga G 109 GBq GCi Nano n 10-9 nBq nCi

Tera T 1012 TBq TCi Pico p 10-12 pBq pCi

Peta P 1015 PBq PCi Femto f 10-15 fBq fCi

Como as unidades becquerel e curie tem valores muito diferentes, em termos de ordem

de grandeza, alguns mltiplos do Ci no so utilizados, como GCi, TCi e PCi, e da mesma forma,os valores abaixo de nBq.

1.5.7. Meia-vida do radioistopo T1/2

O intervalo de tempo, contado a partir de um certo instante, necessrio para que metade

dos tomos radioativos decaiam denominado de meia-vida, e pode ser vizualizado na Figura

1.11. A relao entre a meia-vida e a constante de decaimento expressa por:

T1/2= 0,693/

A meia-vida pode ter valores muito pequenos como os do 20F e 28Al, com 11s e 2,24 min

respectivamente, grandes como 90Sr (28,5 a), 60Co (5,6 a) e 137Cs (30 a), e muito grandes como

os do 232Th (1,405 1010a) e 238U (4,46 109a).

1.5.8. Vida-mdia do radioistopo,

O intervalo de tempo necessrio para que a atividade de uma amostra decresa de um

fator 1/e, onde e a base do logaritmo neperiano, denominado de vida-mdia e vale = 1/.


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19

1.6. RADIAES NUCLEARES

Radiao nuclear o nome dado s partculas ou ondas eletromagnticas emitidas peloncleo durante o processo de restruturao interna, para atingir a estabilidade. Devido intensidade das foras atuantes dentro do ncleo atmico, as radiaes nucleares so altamente

energticas quando comparadas com as radiaes emitidas pelas camadas eletrnicas.

1.6.1. Unidades de energia de radiao

A energia da radiao e das grandezas ligadas ao tomo e ao ncleo, geralmenteexpressa em eltron-Volt (eV).

Um eV a energia cintica adquirida por um eltron ao ser acelerado por uma diferenade potencial eltrica de 1 Volt.

1 MeV = 10+6eV = 1,6 10-13 Joule.

1.6.2. Radiao

Radiao beta () o termo usado para descrever eltrons (negatrons e psitrons) deorigem nuclear, carregados positiva (+) ou negativamente (-). Sua emisso constitui um

processo comum em ncleos de massa pequena ou intermediria, que possuem excesso denutrons ou de prtons em relao estrutura estvel correspondente. A Figura 1.12 ilustra o

processo de decaimento beta.

Figura 1.12 - Emisso .

1.6.2.1.Emisso -

Quando um ncleo tem excesso de nutrons em seu interior e, portanto, falta de prtons,

o mecanismo de compensao ocorre atravsda transformao deum nutron em um prton mais

um eltron, que emitido no processo de decaimento.

Nesse caso, o ncleo inicial transforma-se de uma configurao AZX em Z+A1Y uma vez

que a nica alterao o aumento de uma carga positiva no ncleo.


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20

1.6.2.2. O neutrino e o anti-neutrino

A necessidade de conservao de energia e de paridade no sistema durante o processo

de decaimento beta levou Pauli formulao da hiptese da existncia de uma partcula, que

dividiria com o eltron emitido, a distribuio da energia liberada pelo ncleo no processo dedecaimento. A teoria foi posteriormente confirmada, sendo verificada a presena do neutrino

na emisso +e do anti-neutrinona emisso -. O neutrino uma partcula sem carga, de massa

muito pequena em relao ao eltron,sendo, por esse motivo, de difcil deteco.

1.6.2.3.Equao da transformao do nutron na emisso -

A transformao do nutron em um prton pelo processo da emisso - pode serrepresentada por:

01n +1p + 0e +

A energia cintica resultante da diferena de energia entre o estado inicial do ncleo AZX

e o estado do ncleo resultante Z+A1Y distribuda entre o eltron e o anti-neutrino. Aps o

processo pode haver ainda excesso de energia, que emitido na forma de radiao gama.

1.6.2.4.Emisso +

A emisso de radiao tipo+provm da transformao de um prton em um nutron,

assim simbolizada:+1p

01n ++0e +

O ncleo inicial AZX aps a transformao do prton resulta em Z A1Y.

O psitron tem as mesmas propriedades de interao que o eltron negativo, somente

que, aps transferir sua energia cintica adicional ao meio material de interao, ele captura um

eltron negativo, forma o positrnio, que posteriormente se aniquila, gerando duas radiaes

gama de energia 0,511 MeV cada, emitidas em sentidos contrrios.

1.6.2.5.Distribuio de energia na emisso

A energia da transio bem definida, mas como ela repartida entre eltron e o

neutrino, a energia da radiao beta detectada ter um valor variando de 0at um valor mximo,

denominado deEmax.Assim, o espectro da radiao beta detectada ser contnuo, iniciando com

valor 0e terminando emEmaxcomo mostrado na Figura 1.13.


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21

36Ar

Figura 1.13 - Espectro de distribuio em energia de um processo de emisso .

O espectro +tem forma semelhante do espectro -, porm um pouco distorcido para

a direita, devido repulso da carga eltrica positiva concentrada no ncleo.

O espectro -detectado, difere um pouco do emitido, devido atrao eltrica do ncleoe repulso dos eltrons atmicos, que o distorce para esquerda, no sentido da regio de baixaenergia.

A energia de radiao beta normalmente representada por seu valor mximo, emborauma melhor caracterizao seja dada pelo seu valor mdio e pela moda da distribuio.

1.6.2.6.Emisso de mais de uma radiao beta em um decaimento

No processo de decaimento, a busca do estado fundamental pode ocorrer por meio de

processos alternativos, com probabilidades de ocorrncia de acordo com o grau de facilidade

ou de dificuldade para realizar a transformao.A probabilidade de transio beta depende

da diferena de energia e das caractersticas fsicas (nmeros qunticos) entre os estados inicial

e final. Para alguns nucldeos possvel ocorrer a transio beta diretamente para o estado

fundamental do ncleo filho. So os denominadosemissores beta puros. Na maioria dos casos,

a transio betagera o ncleo filho em estado excitadoe o estado fundamental atingido por

meio de transies gama, conforme ilustrado na figura 1.14. O espectro beta observado na

medio de uma amostra constitui a soma dos espectros das diversas transies beta ocorridas

e, a sua energia mxima corresponde da transio de maior Emax.


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22

Figura 1.14 - Esquema de decaimento para caminhos alternativos de decaimento .

1.6.2.7.Emissores puros

Na maior parte dos casos, a emisso ocorre deixando um excesso de energia no ncleo,

que ento, emite radiao gama para descartar o excesso de energia. Em alguns casos a transio

suficiente para o ncleo alcanar o estado de energia fundamental. Nesse casos ocorre

somente a emisso e o nucldeo emissor denominado de emissor puro. A tabela 1.3 traz

exemplos de alguns desses nucldeos.

Tabela 1.3- Emissores beta puros

Nucldeo Meia-vida Energia mxima (MeV)

3H14C32P33P35S

36

Cl45Ca63Ni90Sr99Tc

147Pm204Tl

(12,34 0,02) a(5 370 40) a

(14,28 0,02) d(25,56 0,07) d(87,44 0,07) d

(3,01 0,03)105

a(163 1) d(100,1 2,0) a(28,15 0,1) a

(2,14 0,08)105a(2,6234 0,0004) a

(3,79 0,02) a

0,01862 0,1565 1,7104 0,2485 0,1675

0,7095 0,2569 0,0669 0,546 0,2936 0,2247 0,7634

1.6.2.8. Captura eletrnica, EC

Um processo que geralmente estudado junto com o decaimento o processo de


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23

Eltron

Captura

Ncleo Excitado

Transio

Raio X

Ncleo Estvel

captura eletrnica. Em alguns ncleos, a transformao do prton em nutron ao invs de ocorrer

por emisso de um psitron, ela se processa pela neutralizao de sua carga pela captura de um

eltron orbital, das camadas mais prximas, assim representada (ver Figura 1.15):

+1p + 0e 01n +

Para ncleos de nmero atmico elevado, este tipo de transformao bastante provvel

e compete com o processo de emisso +.

Nesse caso no ocorre emisso de radiao nuclear, exceto a do neutrino. No entanto,

a captura do eltron da camada interna da eletrosfera, cria uma vacncia que, ao ser preenchida,

provoca a emisso de raios X caractersticos.

Figura 1.15 - Representao do processo de captura eletrnica e da emisso de raio X

caracterstico.

1.6.3. Radiao

Quando o nmero de prtons e nutrons elevado, o ncleo pode se tornar instvel

devido repulso eltrica entre os prtons, que pode superar a fora nuclear atrativa, de alcance

restrito, da ordem do dimetro nuclear. Nesses casos pode ocorrer a emisso pelo ncleo de

partculas constitudas de 2 prtons e 2 nutrons (ncleo de4He), que permite o descarte de 2

cargas eltricas positivas (2 prtons) e 2 nutrons, num total de 4 nucleons (ver Figura 1.16), e

grande quantidade de energia. Em geral os ncleos alfa-emissores tm nmero atmico elevado

e, para alguns deles, a emisso pode ocorrer espontaneamente.


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24

Figura 1.16 - Representao da emisso de uma partcula por um ncleo.

1.6.3.1.Equao da transformao no decaimento alfa

As modificaes nucleares aps um decaimento alfa podem ser descritas como:

AZXAZ

--42Y +

42He + energia

Assim, por exemplo,

23994Pu

23952U +

42H + 5,2 MeV

1.6.3.2.Energia da radiao

A emisso representa transies com energias bem definidas e, portanto,com valores

discretos (no contnuo). De modo semelhante ao decaimento beta, o processo de decaimento

pode ocorrer por caminhos alternativos, emitindo partculas alfas com diferentes energias. O

espectro da contagem das partculas em funo da energia apresenta, ento, vrios picos, cada

um correspondendo a uma transio alfa.

Sendo a energia de ligao da partcula extremamente alta (28 MeV) quando

comparada dos nucleons (6 a 8 MeV) na maioria dos ncleos, pode-se entender a razo pelaqual o ncleo excitado, com A>150 no emite separadamente prtons e nutrons por emisso

espontnea.

Como a maior parte das partculas so emitidas com energia entre 3 e 7 MeV, a sua

velocidade da ordem de um dcimo da velocidade da luz. Obs.: a energia da partcula chega

a 11,65 MeV no 212Po.

Na Tabela 1.4 esto relacionadas as energias das radiaes alfa emitidas por alguns

radionucldeos, muito deles escolhidos como padres para calibrao de sistemas de deteco.


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25

Tabela 1.4- Radionucldeos alfa emissores, com energias bem conhecidas, utilizados comopadres para calibrao de detectores.

Fonte Meia-vidaEnergia cintica (MeV) Intensidade

Relativa (%)Energia Incerteza

148Gd 93 a 3,1828 0,000024 100232Th (1,405 0,006)1010a 4,013 0,005 77

3,954 0,008 23238U (4,47 0,02)109 a 4,196 0,004 77

4,147 0,005 23235U (7,037 0,007)108 a 4,599 0,002 5

4,4 0,002 55

4,556 0,002 4,2

4,365 0,002 17

4,218 0,002 5,7230

Th (7,54 0,03)104

a 4,6875 0,0015 7634,621 0,0015 234

239Pu (2,411 0,003)104a 5,1558 0,0007 73

5,1431 0,0008 15,1

5,1051 0,0008 11,7241Am 432,7 0,5 a 5,4856 0,00012 85,2

5,4429 0,00013 12,8210Po 138,4 0,2 d 5,30438 0,00007 99,99

242Cm 162,8 0,2 d 6,1128 0,00008 74

6,0694 0,00012 25

1.6.4. Emisso gama

Quando um ncleo decai por emisso de radiao alfa ou beta, geralmente o ncleoresidual tem seus nucleons fora da configurao de equilbrio, ou seja, esto alocados em estadosexcitados. Assim para atingir o estado fundamental, emitem a energia excedente sob a forma deradiao eletromagntica, denominada radiao gama (), conforme ilustrado na Figura 1.17.

Figura 1.17 - Representao da emisso da radiao gama pelo ncleo.


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26

1.6.4.1.Energia da Radiao Gama

A energia da radiao gama bem definida e depende somente dos valores inicial e final

de energia dos orbitais envolvidos na transio, ou seja:

E= Ei- Ef= h.

onde:h = constante de Planck = 6,6252 10-34Js;

= freqncia da radiao.

Assim, por exemplo, as energias das radiaes gama emitidas pelo 60Ni, formado pelo

decaimento beta do 60Co, so:

E1= 2,50571 - 1,33250 = 1,17321 MeV

E2= 1,33250 - 0 = 1,33250 MeV

E3= 2,1588 - 0 = 2,1588 MeV

1.6.4.2.Intensidade relativa de emisso I("branching ratio")

Um estado excitado, conforme sua energia, momento angular e paridade, pode realizar

uma ou mais transies para os estados excitados de menor energia, ou para o estado

fundamental.

Quanto mais semelhantes as caractersticas dos estados envolvidos, mais provvel sera transio. Como a soma das probabilidades de transio 1, o percentual de emisso de cada

radiao gama diretamente proporcional probabilidade de transio envolvida.

Assim, por exemplo, para a transio de 1,17321 MeV do 60Ni, a intensidade relativa

ser:

I= I1 I1= 0,9988 1,00 = 0,9988 (99,88%)

Para a transio de 1,33250 MeV ser: 99,88% + 0,12% = 100%.Para a transio de 2,1508 MeV o valor (desprezvel) ser = 0,0081%

1.6.4.3.Valores de referncia para as energias das radiaes

Na Tabela 1.5 so apresentados os principais radionucldeos, cujas energias e

intensidades relativas das radiaes gama so bem estabelecidas e, assim, muitas vezes utilizados

como fontes de calibrao de detectores e obteno de suas curvas de eficincia de deteco. Na

Tabela 1.5, Iabs(%) o percentual de decaimento absoluto para cada radiao gama, e o termo entre

parnteses o seu desvio padro.


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Tabela 1.5 - Valores das energias das radiaes gama de alguns radionucldeos

Nucldeo T1/2 E(keV) Iabs(%) Nucldeo T1/2 E(keV) Iabs(%)

7Be

22Na

24Na

40K

46Sc

51Cr

54Mn

59Fe

56Co

57Co

60Co

65Zn

88Y

95Zr

(53,20 0,15) d

(2,602 0,001) a

(14,960 0,006)h

(1,26 0,02) . 109

a

(83,81 0,01) d

(27,703 0,004)d

(312,2 0,1) d

(2,68 0,02) a

(77,12 0,10) d

(271,77 0,10) d

(5,271 0,001) a

(243,9 0,2) d

(106,62 0,02) d

(63,98 0,06) d

477,61

511,001.274,54

1.368,632.754,03

1.460,81

889,281.120,55

320,08

834,84

1.099,251.291,60

511,00846,75977,42

1.037,821.175,091.238,261.360,211.771,402.015,352.034,91

2.598,553.009,673.202,243.253,523.273,20

122,06136,47

1.173,241.332,50

511,001.115,55

898,041.836,06

724,20756,73

10,32

180,799,4

99,99499,876

10,67

99,98499,987

9,85

99,975

56,143,6

39,3499,931,4412,112,2766,74,2715,503,027,88

17,201,133,247,981,89

85,5910,58

99,9099,982

2,8450,20

94,299,24

44,054,3

99Mo -99mTc

108mAg

110mAg

123I

125I

131I

124Sb

(2,7471 0,0008) d

(2,37 0,01) min

(249,8 0,1) d

(13,21 0,03) h

(59,90 0,11) d

(8,021 0,001) d

(60,20 0,03) d

140,47181,06366,42739,50777,92

433,93614,37722,95

446,80620,35657,75677,61686,99706,67

744,26763,93818,02884,67937,48

1.384,271.475,761.505,001.562,27

158,97

35,49

284,3364,48636,97722,89

602,72645,82709,31713,82722,78968,25

1.045,241.258,151.325,49

1.355,171.368,231.436,661.691,022.091,0

4,956,031,2212,314,33

90,5089,8090,88

3,642,7794.6510,686,4716,6

4,6422,47,373,434,624,73,9713,61,18

83,4

6,55

6,2081,67,121,78

97,837,441,3682,28810,781,8771,8241,231,549

1,0192,611,19847,525,47


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Tabela 1.5 (cont.) - Valores das energias das radiaes gama de alguns radionucldeos

Nucldeo T1/2 E(keV) Iabs(%) Nucldeo T1/2 E(keV) Iabs(%)

134Cs

137Cs

144Ce

152Eu

(2,066 0,001) a

(30,15 0,02)a

(285,0 0,2)d

(13,53 0,03)a

475,34563,23569,32604,69795,84801,93

1.038,551.167,921.365,16

661,660

696,510

121,78244,69344,27411,11443,91686,0778,89867,39964,12

1.085,781.089,701.112,021.212,951.299,12

1.407,95

1,518,3415,3897,685,48,61,01,83,02

85,0

1,3

28,377,5126,582,2342,801,7012,964,2114,6210,161,71013,561,3971,626

20,85

182Ta

170Tm

192Ir

198gAu

203Hg

207Bi

226Ra

241Am

(114,43 0,03) d

(127,1 0,9) d

(73,83 0,07) d

(2,695 0,001) d

(46,585 0,008) d

(32,8 0,6) a

(1600 7) a

(432,7 0,5) a

67,7100,11152,43179,39229,32

1.121,281.189,041.221,421.230,87

84,26

205,80295,96308,46316,51

468,07484,58588,59604,41612,47

411,80

279,20

569,701.063,661.460,01.770,24

186,21

26,3559,54

46,3114,236,953,093,6435,3016,4427,1711,58

3,3

3,3328,6029,8082,80

47,703,204,518,195,31

95,47

81,30

97,774,081,616,87

3,51

2,436,0

1.6.5. Intensidade relativa das radiaes e atividade total

Nas transformaes que ocorrem dentro do ncleo, para se atingir a uma configuraomais estvel ou organizada, radiaes sob a forma de partculas e ondas eletromagnticas so

emitidas, com intensidades que dependem de suas probabilidades de emisso. Se os valoresdestas probabilidades de emisso so conhecidos, possvel determinar a atividade total daamostra, medindo-se a intensidade de emisso de somente uma nica radiao.

Assim, por exemplo, no esquema de decaimento mostrado na Figura 1.18, oradionucldeo X decai por emisso beta com as probabilidades:

p1= 20% para o estado excitado de energia E1p2= 30% para o estado excitado de energia E2p3 = 50% para o estado fundamental de energia E0

Os estados excitados de energias E1e E2decaem para o estado fundamental emitindo 3


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radiaes gama, 1, 2e 3, conforme mostra a Figura 1.18. As probabilidades de desexcitao doestado E1 so de 80% para 1e 20% para 2. A probabilidade de desexcitao do estado E2 de100% para E0, com 3.

Figura 1.18 - Esquema de decaimento do radionucldeo X, indicando os valores dasprobabilidades de emisso das radiaes beta e gama.

Assim, a intensidade relativa da radiao 3 obtida por,

I3= (p1 p1) + (p2 p3) = (0,20 0,80) + (0,30 1,00) = 0,46

Desta forma, o nmero de radiaes 3emitidas, representa 46% das radiaes resultantes

da atividade total de X na amostra. Isto significa que, de 100 transformaes nucleares em X, soemitidas 46 radiaes 3. Se 3for o valor da eficincia do detector para a energia da radiao 3,e se a amostra estiver sendo contada durante um intervalo de tempo t, a atividade de X naamostra ser:

A = cps/(I3 3 t)

1.6.6. Atividade e decaimento de uma mistura de radionucldeos

Uma mistura de radionucldeos com atividades A1, A2, A3, ... , Ancom respectivas

constantes de decaimento 1, 2, 3, ... , nter como atividade total AT, num certo instante t0:

AT = iAi com i = 1, 2, 3, ... , n

Aps tempo t, a atividade da mistura ser:

A(t) = iAi e- i t com i = 1, n

1.6.7. Esquema de decaimento de um radionucldeo

A representao grfica de todas as transies e estados excitados do ncleo, com os


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valores dos parmetros que os caracterizam, constitui o Esquema de Decaimento doRadionucldeo.

A Figura 1.19 mostra o esquema de decaimento do 60Co, onde esto definidos os valoresda meia-vida do 60Co, as energias dos estados excitados, as transies beta, as transies gama,as meias-vidas dos estados excitados e as intensidades relativas de cada radiao emitida.

Figura 1.19 - Esquema de decaimento do 60Co.

1.7. INTERAES EM PROCESSOS DE DECAIMENTO

1.7.1. Raios X Caractersticos

Quando ocorre a captura eletrnica (EC) ou outro processo que retire eltrons da

eletrosfera do tomo, a vacncia originada pelo eltron imediatamente preenchida por algum

eltron de orbitais superiores. Ao passar de um estado menos ligado para outro mais ligado (por

estar mais interno na estrutura eletrnica), o excesso de energia do eltron liberado por meio

de uma radiao eletromagntica, cuja energia igual diferena de energia entre o estado inicial

e o final. A denominao caracterstico se deve ao fato dos ftons emitidos, por transio,

serem monoenergticos e revelarem detalhes da estrutura eletrnica do elemento qumico e,

assim, sua energia e intensidade relativa permitem a identificao do elemento de origem.

Os raios X caractersticos so portanto dependentes dos nveis de energia da eletrosferae, dessa forma, seu espectro de distribuio em energia discreto.

Como a emisso de raios X caractersticos um fenmeno que ocorre com energia da

ordem da energia de ligao dos

11.14 - radioproteção e dosimetria.pdf

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