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F 107 – Física para Biologia – 1º Semestre de 2010 – Prof.Dr. Edmilson JT Manganote

Aula 2 – Aplicações das

Radiações


Radiografias


O XPS (X-Rays Photoelectron Spectroscopy - Espectroscopia Fotoelétrica de Raio-X).

Também conhecido como ESCA ( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis -

Espectroscopia Elétrica para Análise Química). É uma técnica de análise de superfícies

usada para obter informações sobre as superfícies de materiais sólidos, condutores ou

isolantes.

Análise de Materiais


Um pouco de história...

• 1895 – Os raios X são

descobertos por Wilhelm

Conrad Rontgen

• Nos 15 anos seguintes

muito trabalho foi feito na

sua utilização para o

exame de corpos


Um pouco de história...

• 1920 – Por volta deste ano se iniciaram os

estudos relativos à aplicação dos raios X

na inspeção de materiais

• Aplicações atuais

– Ensaios não-destrutivos

– Radiologia diagnóstica e terapia

– Pesquisas científicas


Os radioisótopos

• São isótopos instáveis dos elementos

• Podem ser usados como traçadores na

diagnose ou como fontes de energia na terapia

• Traçadores

– Possuem comportamento químico idêntico ao de

isótopos estáveis do mesmo elemento

– Apresentam emissão espontânea de radiação que

pode ser detectada, indicando assim sua posição e

quantidade


• Fontes de energia– Encontram aplicações por serem detectáveis após

absorção ou espalhamento pela matéria, ou por quebrarem moléculas e ionizarem átomos formando íons, iniciando assim reações químicas ou biológicas

– São, portanto, utilizados para destruir tecidos, especialmente os cancerosos, ou para suprimir alguma função orgânica

• Alguns hospitais no Brasil possuem aceleradores lineares que produzem elétrons e raios X de até 10 MeV e são usados em terapias, principalmente de neoplasias

Os radioisótopos


Raios-x digital por técnica de dupla

energia. Baseia-se na subtração de

duas imagens digitais obtidas com

raios-x de diferentes composições

espectrais, explorando as diferenças

entre os números atômicos dos ossos

e dos tecidos moles. No modo one-

shot, a separação das energias é feita

com o uso de filtros; no modo two-shot

são obtidas duas imagens com

kilovoltagens diferentes. A imagem

resultante é a subtração ponderada

das imagens, onde o parâmetro de

ponderação pode ser variado de modo

a produzir imagens em que

predominam tecidos moles ou ossos.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/marco-07-dual-energy.html









Tubo ou ampola de raios X. Nesta

ampola, utilizada para diagóstico médico,

elétrons produzidos no catodo (1) são

acelerados até o anodo (alvo) (2) por

diferenças de potencial de dezenas de

milhares de volts. Ao atingi-lo são

bruscamente desacelerados, produzindo

os raios X. Um invólucro de vidro (3)

mantém o vácuo no interior da ampola,

evitando descargas elétricas entre o

anodo e o catodo e minimizando o

espalhamento dos elétrons por outras

moléculas na sua trajetória até o anodo.

O rotor (4) gira o anodo-alvo em até

10.000 rotações por minuto para evitar o

superaquecimento.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/abril-07-ampola-de-raios-x.html













Planejamento de radioterapia. Distribuição de dose de radiação superposta a corte

tomográfico da região abdominal de um paciente. Um tratamento radioterápico é planejado

por um físico-médico que utiliza aplicativos computacionais especializados no cálculo da

distribuição da dose de radiação a ser depositada em um paciente. O planejamento é feito a

partir da definição, pelo médico, dos contornos da lesão e de outras estruturas que devem

ser preservadas. No planejamento ao lado foram utilizados dois campos laterais e dois

frontais. No cruzamento dos quatro feixes a dose é máxima.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/julho-07-plano-radioterapia.html









Braquiterapia de alta taxa de dose. Também conhecida como HDR, de high dose rate, é

uma modalidade de radioterapia em que fontes radioativas de alta intensidade são

introduzidas temporariamente em cavidades do paciente. Para evitar a exposição dos

trabalhadores o tratamento pode ser feito com equipamentos robotizados. O

posicionamento dos cateteres e das fontes é verificado através de um sofisticado processo

de controle de qualidade. Após a verificação, o paciente é deixado só na sala e o robô

acionado a distância por um computador, levando as fontes até os locais pré-determinados.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/setembro-07-afterloader.html







Implante permanente de sementes

radioativas. Uma das maneiras de se

combater o câncer de próstata é espalhar

por todo o seu volume pequenas sementes

radioativas. As sementes são cápsulas

cilíndricas de titânio com cerca de 5 mm de

comprimento e 1 mm de diâmetro. Dentro

delas há um substrato (grafite, prata, resina)

sobre a superfície do qual é adsorvido o

radioisótopo, por exemplo o iodo-125. Este

radioisótopo tem uma meia vida de cerca de

60 dias e decai por captura eletrônica, em

que o núcleo "captura" um elétron da

eletrosfera, transformando-se no telúrio-125.

O decaimento é sucedido pela emissão de

raios gama do núcleo residual e de raios x e

elétrons da eletrosfera, que tem que se

reorganizar para adaptar-se ao novo núcleo.

Os elétrons são absorvidos pela cápsula de

titânio, mas os raios x e os raios gama, com

cerca de 30 keV, a atravessam e depositam

sua energia nos tecidos da próstata do

paciente.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/maio-08-sementes-prostata.html









Gerador de Tecnécio. O 99mTc (tecnécio-99

metaestável) é um emissor gama com meia

vida de 6 horas amplamente utilizado em

procedimentos de Medicina Nuclear. É

produzido pelo decaimento do 99Mo

(molibdênio-99), que tem uma meia-vida de

66 horas. O gerador de tecnécio consiste em

um recipiente com pequenas esferas de

alumina sobre as quais o 99Mo (molibdênio-

99), produzido em um reator nuclear, liga-se

firmemente. Quando decai em tecnécio este,

por ser quimicamente diferente, desliga-se da

alumina, e pode ser "lavado" do recipiente por

uma solução salina. A foto ao lado mostra a

coluna de alumina no centro de uma espessa

blindagem para a radiação. Acima, à

esquerda, o local onde é conectado o frasco

da solução salina; à direita, o local onde é

colocado o frasco evacuado que "suga" a

solução, fazendo-a passar pela coluna de

alumina.

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/marco-08-gama-camera.html









Aplicações na Industria

• Radiografias (Raio X) e Gamagrafias (γ)

– Ensaios não-destrutivos paradetectar descontinuidades eheterogeneidades da matéria

– Na inspeção radiográfica, aradiação penetrante, raio X ougama, atravessa o espécime emensaio. Uma parte é absorvida peloespécime e a restante vaiimpressionar um filme fotográfico,onde se pode visualizar a estruturado corpo de prova ou parte dela


http://www.tecnologiaradiologica.com/materia_riconceito.htm

http://www.tecnologiaradiologica.com/materia_riconceito.htm


Principais fontes radioativas utilizadas:

* Quase sem utilidade no momento, má qualidade da imagem

** Recente na industria, muito boa qualidade da imagem


• Medida de espessura ou de níveis de materiais

– Baseia-se no fato de que o material, colocado entre a

fonte de radiação e o detector, absorve ou espalha

radiação. A radiação que atravessa o material e

atinge o detector pode dar informação sobre

espessura e a densidade do material

– Vantagens:

• Não ser necessário o contato mecânico com o material a ser

medido

• A medida pode ser feita continuamente e à longa distância



• Medida de vazamentos

– Radioisótopos usados como traçadores

oferecem um método simples, seguro e de

baixo custo para detectar vazamento de

líquidos

– Uma pequena quantidade de material

radioativo é adicionada ao fluxo. Qualquer

vazamento pode ser detectado mesmo que

seja invisível



• Pesquisa sobre desgaste de motores

– Materiais radioativos são usados como

traçadores na fabricação de motores. A

análise do óleo lubrificante poderá fornecer

informação sobre o grau de desgaste do

motor



• Conservação de alimentos

– Evitar que certas raízes ou tubérculos brotem

durante o armazenamento

– Eliminar insetos dos grãos antes do

armazenamento

– Preservar alimentos, inibindo ou destruindo

bactérias e outros microrganismos


Existem, entretanto, problemas como mudança no sabor, na cor e na

textura, dependendo do alimento.


• Esterilização de materiais cirúrgicos

– Método tradicional: aquecimento do

material entre 150ºC e 170ºC

– Radiações suficientemente energéticas

podem destruir as bactérias

– Vantagens:

• Sem aplicação de calor

• Esterilizar materiais já embalados

– Desvantagens:

• Mudança na estrutura de alguns plásticos,

tornando-os quebradiços



Possuem diversas aplicações:

a) Diagnóstico e

acompanhamento terapêutico

no combate ao câncer;

b) Avaliações neurológicas e

cardiológicas;

c) Análise de disfunções

cérebro-vasculares;

d) Estudo do metabolismo

cerebral nas doenças de

Parkinson, Alzheimer e

Tourettes.

Radiofármacos

Radiofármacos são isótopos de elementos

radioativos utilizados com a finalidade de

diagnóstico, terapia e pesquisa.


Aplicações na Agricultura

• Benefícios do uso de radioisótopos:

– Criação de novas variedades de plantas, com

características melhoradas

• Aumento das mutações genéticas

– Maior conhecimento do metabolismo vegetal

e animal

• Utilizando radioisótopos como traçadores

– Controle ou eliminação de insetos

• Irradiação de machos até a esterilização


Outras aplicações

• Análise por ativação com nêutrons– É uma técnica na qual a amostra é irradiada com

nêutrons, a fim de tornar radioativos seus elementos constituintes.

– Como cada radioisótopo emite um espectro de radiação característico, é possível, por esse meio, identificar e medir os elementos presentes na amostra

– Vantagens:• A análise é não destrutiva

• Para alguns elementos consegue-se uma sensibilidade muito maior que a obtida pela análise química


• Estudo de poluição do ar

– Esta análise vem sendo feita através do método PIXE

(Particle Induced X-ray Emission)

– A amostra de ar coletada é irradiada com prótons ou

alfas

– Estes arrancam os elétrons das camadas mais internas

dos elementos constituintes da amostra. Quando os

elétrons das camadas mais externas passam a ocupar

os lugares vazios deixados pelos elétrons arrancados,

raios X característicos são emitidos com energia

específica para cada elemento, identificando-os.

Outras aplicações


• Coloração de cristais por radiação

– A radiação provoca danos nos cristais, criando o que

se chama de centros de cor, que podem mudar ou

intensificar a cor dos cristais

– Gemologia – é uma especialidade da geologia que

estuda o caráter físico e químico dos materiais de

valores gemológicos, sejam esses de origem

inorgânica ou origem orgânica e que se prestam a

adorno pessoal ou decoração de ambiente.

Outras aplicações


Turmalina

ÂmbarPérolasMarfim

Quartzo

Esmeralda Bruta

Rubi bruto

Diamante


• Datação por meio da radiação

– Método do Carbono-14

• Idade de materiais orgânicos de centenas até dezenas de

milhares de anos

• Os organismos vivos absorvem carbono (sendo que para

cada 1012 átomos de 12C existe apenas um átomo de 14C)

direta (ar) ou indiretamente (alimentos)

• Quando morre a quantidade de 12C se mantém constante

enquanto o 14C vai se desintegrando sem ser substituído

• Medindo-se a radioatividade presente no material podemos

inferir a razão 12C para 14C e, consequentemente, inferir sua

idade

Outras aplicações


• Datação por Termo-luminescência

– Esse método baseia-se no fato de que muitos cristais

podem armazenar energia proveniente da radiação.

Quando o cristal é aquecido esta energia é liberada

na forma de luz.

– Medindo-se a intensidade desta luz, a quantidade de

radiação acumulada pode ser determinada.

– Idade = (Radiação Acumulada)/(Radiação Anual)

Outras aplicações

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