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ARTIGO

o QUE E CESIO-137?Kenneth E.Collins, Isabel Cristina S.F. Jardim e Carol H. Collins

Insti tuto de Quimica - Universidade Estadual de Campinas - C. Posta/6154 - 13081 - Campinas (SP)

Recebido em 14/1/88

ABSTRACTWHAT IS CESIUM-137?Cesium-137 is a fission-product radionuclide which

decays with the emission of beta particles, electrons andgamma rays. It is used normally as a sealed gamma raysource, for industrial and therapeutic irradiations. Thispaper reviews the physical and chemical properties ofcesium-137 and some of its compounds and relates theseproperties to the behavior of this radio nuclide in thehuman body and in the environment.

RESUMOo QUE E CESIO-137?o cesio-B? e urn radionuclideo produzido atraves da

fissao de uranio que se desintegra emitindo particulasbetas, eletrons e raios gama. Ele e usado, normalmenteencapsulado, como fonte de raios gama na industria enas irradiacoes terapeuticas. Este artigo pretende revisaras propriedades fisicas e quimicas do cesio-B? e de al-guns de seus compostos e relaciona-las com 0comporta-mento deste radionuclideo no corpo humano e no am-biente.Cesio-l J? e, neste momento, urn dos radionuclideos

mais discutidos no mundo, devido a dois acidentes en-volvendo-o. 0 primeiro ocorreu na usina nuclear deTchernobil, na Russia, onde 0 espalhamento do ce-sio-137 atingiu varies paises europeus. 0 segundo ocor-reu em Goiania, onde os danos, apesar de terem ficadorestritos a uma pequena parte do terri to rio brasileiro,teve repercussao mundial. Neste ultimo acidente, umafonte radioativa utilizada para fins radioterapeuticos foidestruida no patio de urn ferro velho, liberando variasgramas de uma substancia fluorescente e higroscopica,. identificada posteriormente como sendo cloreto de ce-sio-137 (t37CsCl). 0 contato fisico com esta substanciaresultou na morte de quatro pessoas e series danos bio-logic os em varias outras. A sua disper sao no ambiente,embora dito limitada, nao foi totalmente definida e,por isso, preocupou, e continua preocupando, milharesde pessoas, residentes em Goiania e os demais brasilei-ros. Uma grande parte desta ansiedade relaciona-se di

retamente com uma deficiencia de conhecimentos, porparte do publico em geral, das propriedades fisicas equimicas desta substancia.Este artigo tern com objetivo sanar a falta de infor-

macoes, que impera no inomento, atraves de urn relatasobre a producao, as propriedades fisicas e quimicas, 0transporte e a distribuuicao ambiental, os perigos e asaplicacoes do radionuclideo" cesio-Is".Propriedades Fisicas do Cesio-137o cesio e 0 elemento com numero atomico 55, indi-

cando a presenca de 55 protons em seu nucleo, bern co-mo 55 eletrons nas camadas de eletrons fora do nucleodo atorno, Na natureza ha so urn nuclideo" do cesio, 0I~~CS,com 78 neutrons e 55 protons no seu nucleo, dan-do uma massa atomica de 132,9054 u.m.a.'. Alem destenuclideo estavel, sao conhecidos mais 34 isotopos>, to-dos instaveis ou radioativos", que sofrem desintegracoesnucleares por emissao de particulas betas (positivas ounegativas) com meias-vidas" que variam de menos deurn segundo ate varies anos. Entre estes isotopes ra-dioativos, 0 de meia-vida mais longa e 0 cesio-H", com30,17 anos, sendo que 0mesmo e uma especie nuclear-mente definida, que possui 55 protons e 82 neutrons euma massa atomica de cerca de 137 u.m.a.A desintegracao nuclear (tam bern chamada de decai-

mento radioativo) do cesio-B? ocorre atraves de doiscaminhos, ambos resultando no estado fundamental do.elemento baric (numero atomico 56) com massa de136,9058 u.m.a.'. A Fig. 1 ilustra este processo. Amaioria das desintegracoes (94,6070)da-se com a emissaode particulas beta (PI-), formando 0 estado excitado dobario-137. 0 restante (5,4%) ocorre por emissao dasparticulas, f3 ; e produz, diretamente, 0estado fundamen-tal do bario-l J?". .

.1 Nuclideo descreve 0atomo cujo nucleo contem um numero defini-do de pr6tons e neutrons. Em certos casos, como 0 cesio, s6 temum nuclideo estavel, enquanto em outros existem varios nuclideosestaveis; os instaveis (radioativos) sao chamados radionuclideos.

.l Isotopos sao nuclideos do mesmo elemento com massas atomicasdiferentes.

.3 Meia-vida e 0 tempo necessario para que metade dos nucleos de.um radionuclideo sofram desintegracoes,

auiMICA NOVA 1112) (1988) 169

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ESTADO MEIA-DE -VIDASPIN

137

% + 30,17 OlIOS "CS

ENERGIA(MeV'

1.17511

2.552 m in

o

137_8...........5_6_0__ 0.661660

. , td"13785. 0

Figura 1. Esquema da desintegracao do cesio-137.

o estado excitado do hario-137m emuma meia-vida de2,552 minutos. Vma vez que esta meia-vida e relativa-mente longa, em comparacao com as de outros estados!excitados tipicos e, sendo que a sua desintegracao resul-ta em outro estado do mesmo nucleo, este estado excita-do e denominado urn isomero metaestavel do bario-H?e a transicao simples entre 0 estado excita,do e 0 fundamental e chamada uma transicao isomerica.Esta transicao isomerica do estado metaestavel ao es-tado fundamental do bario-l J? ocorre por emissao deurn raio gama de energia 0,661660 MeV em 900/0dasocorrencias e pelo processo de conversao de eletrons em10%. Neste ultimo processo, a energia de excitacao donucleo dehario-137m e transferida para urn dos varieseletrons das camadas de eletrons fora do nucleo do ato-mo, causando sua expulsao com energia cinetica alta(cerca de 0,6 MeV), bern como a emissao de eletronsAuger ou de raios-X, tambern das camadas de eletrons(Apendice I).o raio gama resultante da desintegracao do cesio-I S?e uma radiacao muito penetrante, em comparacao comsuas outras radiacoes, fato este que afeta muito os efeitosda radiacao no corpo humano, como sera exposto emuma proxima seccao,As duas reacoes de desintegracao beta podem ser es-critas como:

'HCs -- 13~:rBa+ (1, - + v + 0,513 MeV'~~Cs -- '~~Ba + (12- + V + 1,175Me.V

Aqui, os (1 - representam as particulas betas que sao sim-plesmenteeletrons (spin 112) saindo do nucleo e os v osantineutrinos, que sao particulas fundamentais de cargazero, spin 112 e massa desprezivel. Nos dois casos, aenergia de transicao (0,513 ou 1,175 MeV, respectiva-

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mente) manifestam-se como energia cinetica das particu-las resultantes (0nucleo, 0 (3 , e 0 v) e e distribuida entreeles de acordo com as leis da estatistica do processo,obedecendo a conservacao de energia cinetica, da quan-tidade de movimento e do momenta angular do spin.Como resultado, as energias das particulas betas variamentre urn minimo de zero (quando 0v tern energia cineti-

ocZ::J(!)WVI

ENERGIA(MeV)

II::oQ.VIZoII::l-oW..JW

Figura 2. Distribuieao tipica da energia das particuias (J emitidas emurn processo dedesintegracao radioativa.

ca quase igual Iienergia de transicao) e urn maximo quee essencialmente igual Iienergia de transicao (quando aenergia cinetica do v e zero). A distribuicao tipica destasenergias comeca perto de zero (para a energia de zero),aumenta para urn maximo a aproximadamente urn terco .da energia total da transicao e cai para zero apos a ener-gia maxima (energia da transicao). No caso da desinte-gracao do cesio-H", a energia media das particulas ( 1 , - ecerca de 0,174 MeV enquanto que a do (12- e de 0,427MeV3, como ilustrada na Fig. 2. Informacoes adicionaisse encontram no Apendice I.Produ~io do Cesio-137

o cesio-B? e varies outros radioisotopes do cesio saoproduzidos, com alto rendimento, pela fissao nuclear"espontanea ou induzida de varies radionuclideos pesa-dos tais como 0 uranio-233, 0 uranio-235 ou 0 pluto-nio-239. Para que ocorra a fissao nuclear, e necessarioque a barreira de energia potencial seja vencida. Na re-giao do uranio e do plutonic, esta energia potencial e deaproximadamente 5,5 MeV\ tornando a fissao esponta-nea pouco provavel. Entretanto e possivel aproveitar aenergia de ligacao de urn neutron (cerca de 7,6 MeV4)para que 0nucleo de urn destes elementos obtenha ener-

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gia de excitacao suficiente para provo car a fissao induzi-da. A reacao nuclear para producao do cesio-B? podeser representada pela equacao:

2~iU + An ..... 2~~U* .....'J~PF, + 92-ZPF2 + 2 - 3 An + energia

onde 2~~U* e 0 nucleo excitado antes da fissao, PF, ePF2 sao os dois produtos iniciais de fissao e Z e 92-Z saoos numeros atomicos destes produtos. .Os numeros atomicos dos produtos de fissao podemter divers os valores. No caso dos produtos de massa 137(Fig. 3), quando Z e maior que 55, 0 produto pode serestavel ('~~Ba) ou radioativo, que decai por emissao de(J + ou por captura de eletrons, ao nuclideo estavel,Quando Z e menor que 55, os radionuclideos formadostern meias-vidas relativamente curtas e decaem, em al-gumas etapas, emitindo particulas p-, ate produzirem 0cesio-IJ". Quando Z e 55, 0cesio-B? e produzido dire-tamente.o rendimento total de producao do cesio-l J", a partirda fissao induzida do uranio-233, uranio-235 ou pluto-nio-239 e, respectivamente, 6,8070, 6,2% e 6,7%2. Istosignifica que 6,2% das fissoes totais de uranio-235 pro-duzem 0 cesio-H", quer diretamente, quer atraves deuma cadeia de desintegracoes {r.Entretanto, esta quanti-dade encontra-se misturada com varies contaminantes e enecessario uma serie de etapas quimicas para a obtencaodo cesio-B? puro", Por exemplo, 0 processo pode ini-

20

15

10>. .:: E.....c 4I::. . .Z...3

2

131e56 a

ciar com uma barra de combustivel irradiada, contendouranio= (tanto 0 is6topo 235 como 0 238) e todos osprodutos de fissao. A barra e estocada por alguns mesespara que todos os radionuclideos de meia-vida curta de-caiam e e, entao, seccionada para que 0uranio (parte in-terna, recoberta com ligas especiais de zirconio) se dis-solva em acido nitrico 8M. A solucao resultante contemuranio na forma UO~+. 0 plutonio-239 e os produtos defissao. 0 zirconio da capsula permanece como residuos6lido. A seguir, reduz-se a concentracao acida para 1-2M e faz-se 0 tratamento com nitrito de s6dio ou outroagente redutor para que ocorra reducao, obtendo 0ura-nio e 0 plutonic nos seus estados de oxidacao IV, osquais sao extraidos da solucao aquosa por meio de umasolucao de fosfato de tributila em querosene. Os demaisprodutos de fissao ficam retidos na solucao aquosa, quee aquecida para que ocorra a evaporacao do acido nitri-co e, a seguir, e saturada com alumen (NH.Al(S04)1) a90C e en tao resfriada. Com resfriamento, cerca de99% do cesio-H", na forma de IJ7CS+,cocristalizam-secom 0NH4Al(S04)1. 0 s6lido e recristalizado varias ve-zes ate obter IJ'CsAl(S04)1 na sua forma pura.Para a preparacao de fontes radioterapeuticas de ce-sio-137, 0 J7CsAl(S04)1 (densidade 1,97 g/crn") e conver-

tido a 1J'CsCI (densidade 3,99 g/cm"), dissolvendo 0alu-men em HCl 1M e precipitando 1J'Cs1PtCI6 comNa1PtC16 0 1J'CsPtC16 e entao convertido a 1J'CsCl,com recuperacao de platina, na forma metalica, por re-ducao com hidrazina (NH1NH1)5.

445

2.4 m

38 m

Figura 3. Cadeia de desintegracao dos produtos de fissi lo 13 zPF .

4 Fi ss il o Nuc le a r e a divisilo de urn nucleo em dois ou mais fragmen-tos com emissao de f6tons ye de neutrons. Este processo esta qua-se sempre associado aos elementos pesados.

.s Em barra de combustivel nova, 0 conteudo de uranio-235 e de 3-41170,nquanto que 0 uranio-238 e de 97-961170.Ap6s irradiacao, 0conteudo de uranio-235 e reduzido a 1-21170.

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o cesio-H? puro, livre de carregador (isto e, sem ou-tros is6topos de cesio) apresenta uma atividade especifi-ca (razao da sua radioatividade em relacao a sua massa)de 3,22x1012 Bq/g (87,0 Ci/g) (Ap. II). Sendo assim, 0mcsCI mostra uma atividade especifica de (3,22xl012 x137)/(137 + 35,45) = 2,56xlO12 Bq/g (69,1 Ci/g). Umafonte de radioterapia contendo 4,44xl01J Bq (1200 Ci)de cesio-B? na forma de cloreto de cesio tern cerca de17 gram as de mcsCI.

Propriedades Quimicas do Ceslo e de seus CompostosOs atomos de cesio tern urn raio de 0,265 nm com ape-

nas urn eletron (6s1) na sua ultima cam ada de eletrons,Sendo que este eletron e facilmente removido, com ener-gia de ionizacao de 375,6 kJ/mol, a maioria dos com-postos apresenta 0 cesio na sua forma i6nica, Cs", Poroutro lado, no estado gasoso, a molecula CS2 se forma,porem com energia de dissociacao baixa (43,6 kJ/mol),enquanto que a forma metalica (nao ionizada) do cesiotern baixos pontos de fusao (28,40C) e ebulicao(699,30C)6. Contribuicoes covalentes das ligacoes tam-bern existem nos 6xidos, tais como Cs02, Cs.jO, eCS110J' enos complexos com fJ-dicetonase em outrosagentes quelantes fortes'. Alem destes exemplos, saopoucas as evidencias do carater covalente; a grandemaioria da quimica do cesio e a quimica do ion CS, comcarater predominantemente eletrostatico.Os sais de Cs" com a maioria dos anions, tais como F-,

CI-, Br-, 1-, NO;, ClO~, COr, CrO~-, OH-, Mn04 , SO~-,etc., tern densidades na faixa de 3-4 g/cm ' e solubilidadesem agua ao redor de centenas de gramas por litro, devidoao seu raio i6nico grande (0,184 nm), que resulta emenergia reticular baixa", Ap6s dissolucao, 0 ion hidratadoapresenta urn raio de 0,228 nm com ligacoes fortes comas moleculas de agua na esfera de hidratacao. Assim sen-do, a dissolucao dos sais de cesio e energicamente tao fa-voravel que solubilidades grandes sao comuns.Uma vez dissolvidos, os ions de cesio tendem a ficar

na forma monodispersa, sem especies hidroliticas oIigo-mericas ou sem a formacao de complexos ou coloides",mesmo na faixa de pH entre 4 a 1(}, onde a maioria doscations mostram reacoes de complexacao e hidr6Iise,formando particulas coloidais". Por outro lado,pares i6nicos de Cs" com tenoiltrifluoroacetona (TT A)sao usados para extrair Cs" de solucoes aquosas comsolventes apolares".o comportamento do ion hidratado de cesio, frente aresina trocadora cationica e tipica de urn ion altamentepolarizavel, Consistente com 0 raio de hidratacao e apolarizibilidade, 0 CS, entre os ions dos metais alcaIi-nos, e 0 que apresenta a maior afinidade (seletividade)para estas resinas, segundo a ordem Cs" > Rb' > K >Na" > Li", 10A retencao do Cs" nas resinas e similar a doMg2. ou Ca2., porem menor que a do Sr2., Ba2., Co2+edos ions com carga 3+ .A seletividade em relacao a tro-ca cationica depende da presenca (ou au sen cia) de Iigan-tes e do tipo de trocador. Por exemplo, a ordem de afi-172 aUtMICA NOVA 11121119881

nidade pode ser invertida, Cs" sendo 0menos retido dosions alcalinos, com certos vidros e zeolites"; comsolo argiloso, a ordem "normal" prevalece'".Em concentracoes tipicas, 0comportamento do Cs" e

altamente previsivel. A sua retencao e devido a atracaoeletrostatica para sitios carregados negativamente e ionsnegativos (ate a formacao de pares i6nicos). Entretanto,em concentracoes baixissimas, 0Cs" pode ser adsorvidosobre outras superficies, tais como vidro, polietileno epolitetrafluoroetileno, bern como aderir as particulas desolo suspensas em rios, lagos ou ate oceanos.

Propriedades Fisicas e Quimicas do Cloreto de CesloCristais de cloreto de cesio sao higrosc6picos, sendo

assim absorvem agua do ar para formar, em sua superfi-cie, uma camada aquosa saturada com cloreto de cesio,Devido a isto, pequenos cristais do s6Iido aderem nasvarias superficies, como, por exemplo, na pele de pes-soas que, porventura, fiquem em contato direto com 0s6Iido.Os haletos de cesio, tambem, sao cintiladores" ou se-

ja, quando expostos a radiacao gam a ou a outra radia-~ao ionizante, absorvem energia e emitem f6tons ener-geticos visiveis, parecendo luminescentes.Os cristais de 137CsCIpodem ser excitados pel as pro-

prias desintegracoes que emitem particulas beta e raiosgama. Como resultado, 0 mcsCI emite uma lumines-cencia azul intensa, como a observada por varias pes-soas que tiveram contato com os cristais Iiberados emGoiania,

Comportamento do Cesio-137 no AmbienteExistem muitos estudos sobre as interacoes e 0 trans-

porte de materiais radioativos na atmosfera, agua e ter-ra, que apresentam informacoes sobre as formas quimi-cas e as distribuicoes dos radionuclideos, tal como docesio-H", bern como os mecanismos fisicos e quimicosque determinam os seus movimentos4.9,1J-15.Varies anos atras, 0 cesio-l S? entrou na atmosfera

atraves dos testes de armas nucleares realizados ao ar li-vre. Outro caminho, mais recente, foi a explosao quimi-ca e as cham as que ocorreram na usina nuclear deTchernobil. Em ambos, as altissimas temperaturas vola-tilizaram grandes quantidades dos materiais, incluindoos radioativos. Logo ap6s, iniciou-se a formacao departiculas, primeiro com os materiais menos volateis.Desde que a concentracao inicial dos materiais era alta elocalizada, estas particulas cresceram rapidamente atechegarem a urn tamanho tal que provocou a sua deposi-cao sob a forma de uma chuva radio at iva ("fall-out") apoucos kilometros da sua origem 14.Os materiais maisvolateis, incluindo 0 cesio-H", se condensaram depoisde uma queda significativa de temperatura. A concen-tracao global dos materiais ficou reduzida por disper-sao e, como resultado, as particulas eventualmente for-

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madas eram de menor tamanho e diametro (~ IJ-1m),compouca probabilidade de deposicao rapida na ausencia deurn agente carregador, como a chuva. Sendo assim, asquantidades de cesio-H", e outros radionuclideos vola-teis, que penetraram acima da troposfera ate a estratos-fera, como resultado destas explosoes, poderao ser dis-tribuidas mundialmente pelos ventos e correntes, en-trando na bioesfera lentamente atraves de difusao e de-posicao na terra, por meio da chuva+'".Desde que 0 intercambio troposferico entre os hemis-

ferios norte e sui e moroso'", pouco cesio-LJ? oriundodo acidente de Tchernobil chegara ao Brasil. 0 ce-sio-137 encontrado, em pouquissimas quantidades, emterra brasileira, resultou dos testes nucleares atmosferi-cos realizados em ambos os hemisferios desde 1950.Vindo com a chuva, 0 cesio-l J? entra nas aguas natu-

rais (rios, lagos e oceanos) e nos solos, onde as quanti-dades sao pequenas e dificeis de serem quantificadas.Por outro lado, liberacoes acidentais ou intencionais deestoques de solucoes oriundas de reprocessamento po-deriam introduzir quantidades maiores em areas maisrestritas 13-17.A forma quimica predominante em agua e 0 ion hi-

dratado, 137Cs(H20)~. Assim, esta especie permanece emsolucao ate a sua sedimentacao, principalmente atraves

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de contaminacao, Portanto, pode-se concluir que, se asdevidas precaucoes foram tomadas para descontamina-cao das areas atingidas pelo cesio-H? emGoiania, 0seuperigo para a populacao nao mais existe.

Cesio-137eo Corpo BumanoA desintegracao do cesio-B? pode afetar 0corpo hu-mana atraves de varies caminhos. Os raios gama, comenergia de 0,662 MeV, emitidos como consequencia dadesintegracao (Fig. 1) interagem com os componentesdo corpo, produzindo excitacao e ionizacao das suasmoleculas. Quando a exposicao do corpo e "unifor-me", isto e, quando todo 0corpo esta sendo exposto, adose absorvida e sempre maior no lado perto da fonteque no outro lado, uma vez que a deposicao de energia eregida pelo decrescimo na intensidade dos raios gamadurante 0 seu percurso pelo corpo. Assim sendo, apenasaproximadamente metade dos raios gama sairao do ou-

tro lado do corpo (Apendice II).A quantidade dos raios gama que penetram no corpodepende da quantidade da radioatividade da fonte e daespessura da blindagem ao redor da mesma. Fontes bernblindados nao oferecern perigo, sendo que quase todosos raios gama sao atenuados pela blindagem (Ap. II). Aexposicao, por exemplo, no tratamento de tecidos can-cerosos, e controlada e direcionada a uma parte especi-fica do corpo pelo sistema de colimadores.As particulas beta, os eletrons atomic os e os raios-Xemitidos como consequencia da desintegracao do cesio-137{Ap. I) sao facilmente absorvidos pela blindagem oupelo ar entre a fonte colocada a uma distancia de 2-3metros ou mais. Por outro lado, em contato direto coma pele, as particulas beta efetuam excitacao e ionizacaoem regioes localizadas, a uma profundidade de 2 a 3mmda superficie da pele. A dose de radiacao absorvida po-de ser centenas de vezes maior, nesta camada superfi-cial, que a dose relacionada aos raios gama que pene-tram no corpo e depositam a sua energia em caminhosbern maiores. 0 resultado de uma alta dose localizadafrequentemente e a destruicao dos tecidos da regiao on-;de houve contato, aparentemente similar a causada porqueimaduras.Nos casos em que 0material contendo cesio-l J? e in-gerido, por exemplo, em comidas ou bebidas, 0 ce-sio-137, na forma ionica, fica distribuido quase unifor-memente nos fluidos que se encontram dentro do corpo

inteiro", semelhante a distribuicao dos ions de s6dio oupotassic. Na ausencia de tratamento medico, a meia-vi-da biol6gica de cesio-H", isto e, 0 tempo necessario pa-ra que metade do cesio-H? seja eliminado do corpo pormeios biol6gicos, e de cerca de 70 dias".As desintegracoes que ocorrem quando 0 cesio-LJ?esta dentro do corpo produzem uma dose de radiacao,distribuida quase uniformemente e composta de excita-coes e ionizacoes resultantes das interacoes com as parti-culas betas, eletrons atomicos, raios-j e raios-X,Se 0 cesio-l J? entrou no corpo pela inalacao de p6174 QufMICA NOVA 11(2) (1988)

nao soluvel, a sua distribuicao e restrita aos pulmoes e adose absorvida sera relativamente alta nas camadas su-perficiais dos pulmoes, de maneira analoga a que ocorrequando uma fonte de cesio-D? fica em contato diretocom a pele externa.A gravidade da exposicao do corpo humano as radia-coes do cesio-l J? depende da energia absorvida por uni-dade de massa e da(s) parte(s) do corpo diretamente afe-tada(s). Sendo assim, as primeiras questoes que devemser consideradas sao: qual foi a dose absorvida pelo cor-po (total) e quais foram os orgaos que receberam dosesmais elevadas? Estes dados permitem uma avaliacaopreliminar da condicao em que a pessoa se encontra etambem possibilita programar 0 tratamento medico quea mesma sera submetida, caso haja necessidade.

Aplica~oesdo Cesio-137Ha cerca de quatro decadas, desde quando quantida-

des significativas de cesio-B? tornaram disponiveis, 0mesmo esta sendo utilizado em varias aplicacoes em pes-quisa, em industria e emmedicina. Estas aplicacoes, taiscomo fonte de raios gama de energia moderada, se de-vern principalmente as propriedades fisicas favoraveisdeste radionuclideo, que possui uma meia-vida razoa-velmente longa, bern como as suas propriedades quimi-cas de ser urn radiois6topo de metal alcalino, cujos ionsmonovalentes nao formam complexos ou col6ides.o cesio-H", bern como 0 cobalto-6O, sao muito usa-dos, individualmente, como fontes de raios gama para ainativacao, por radiacao, do cancer em ser humano, es-terilizacao em escala industrial, preservacao de certosalimentos e para permitir a conversao de borra de esgo-to em fertiIiante e/ou racao de gado. Nestas aplicacoes,o cesio-l J", frequentemente presente a nivel de milharesde curies, se encontra em varias formas quimicas, taiscomo 131CsCI,131CSZS04u na forma de ceramico, e eusado sempre encapsulado, isto e, selado dentro de urntuba de aco inoxidavel ou de outro material nao sujeitoa corrosao. As vantagens de se usar 0 cesio-IS? nestasfontes estao relacionadas com a sua disponibilidade co-mo produto de reprocessamento de combustivel de usi-nas nucleares, onde se produz ate 1010 curies anuais;com a sua meia-vida de 30 anos, que permite 0 uso dafonte sem a necessidade de reposicao por periodos detempo cerca de seis vezes maiores que quando se utilizao cobalto-60, que tern meia-vida de 5,27 anos, e com aenergia de seu raio gama de 0,662 MeV, que requer me-nor blindagem de protecao, comparada com a do cobal-to-6O, que emite dois raios gama muito mais energeti-cos, 1,17 e 1,33 MeV. Por outro lado, as energias maisaltas dos raios gama do cobalto-60 tern certas vantagensem poder de penetracao, especialmente para fins de es-terilizacao e preservacao de alimentos.Fontes seladgs contendo menos de urn curie (3,7xI01OBq) decesio-l J? tambern tem aplicacoes industriais, co-mo, por exemplo, indicadoras da densidade de fluidosou da altura de Iiquidos em latas. Fontes menos poten-

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tes, a niveis de 1 /-lCi (3,7x1()4 Bq) a 1 mCi (3,7x107 Bq)sao usadas para a calibracao de detectores e monitoresde radiacao e para a descarga de eletricidade estatica emmuitos aparelhos.Como tracador, 0 cesio-IS? e usado principalmente

em estudos de trans porte de particulas no ar ou emaguas naturais, que podem levar anos para completar,dando vantagem a sua meia-vida de 30 anos, bern comoa sua forma quimica simples. Por exemplo, a partir deestudos do movimento das aguas nos oceanos, utilizan-do '37CS+,foi estabelecido que 0movimento da agua nascorrentes oceanicas e essencialmente restrito as camadashorizontais e que levaria milhoes de anos para particulasnas camadas superiores chegarem as camadas mais pro-fundas'".Atraves destas aplicacoes, pode-se notar que, se 0 ce-

sio-137 for utilizado adequadamente, ele e muito util aohomem e the proporciona muitos beneficios.

APENDICE Io nucleo do cesio-LJ? sofre desintegracao pela emis-

sao de particulas betas W , ou f J 2 ) . A esta sao adicionadasas radiacoes oriundas da desintegracao do bario-l S'Zm(Fig. 1). Mais especificamente, 94,6"70 das des integra-coes do cesio-l J? resultam em emissoes fJ , com energiamedia de 0,175 MeV, enquanto 5,4"70 produzem emis-soes fJ 2 com energia media de 0,427 MeV3 As desinte-gracoes do bario-137m resultam em raios gama de0,661660 MeV (90,0"70) ou emissao de eletrons atomicos(10,0"70), bem como raios-X. Sendo que a fracao de(0,946) (0,900) = 0,851 das desintegracoes produzemurn raio gama de 0,661660 MeV, a energia media dispo-nivel neste caminho e (0,851) (0,662) = 0,564 MeV. Naproducao do fJ " a energia e (0,946) (0,175) = 0,166MeV e do f J 2 , (0,054) (0,427) = 0,023 MeV. Os eletronsde conversao e os associados com 0 processo Auger ecom a emissao de raios-X, devido a emissao de eletronsatomicos, contribuem com (0,946) (0,10) (0,662) =0,063 MeV. A energia total e de 0,816 MeV, das quais69"70originam os raios gama e 31"70as particulas beta,os eletrons atomicos e os raios-X.o espectro total de eletrons saindo de uma fontedecesio-H? consiste nas distribuicoes largas das particulasfJ , e f J 2 , e tam bern nos eletrons atomicos, resultantes doprocesso de conversao de eletrons, Cada urn dos ele-trons atomicos tern urn unico valor de energia.A Tabela 1 mostra os dados sobre os grupos das ener-

gias unicas (coletadas em "bins" para simplificar aapresentacao) para os eletrons de conversao e os ele-trons Auger (resultantes do processo Auger que geram aformacao de buracos no atomo)'. Estes grupos de ele-trons contribuem com "picos" estreitos, na distribuicaode energia, posicionados acima do pico largo, que repre-.6 Mais informacoes sobre os calculos com "bins" encontram-se dis-

poniveis na referencia' e sobre decaimento beta, utilizando cesio--137 como exemplo, na referencia".

senta a distribuicao das energias das particulas b , OU f J 2 ,que saem do nucleo'", A Fig. 2 indica a forma qualitati-va da distribuicao das energias dos varies eletrons ob-servados na desintegracao do cesio-l J".

TABELAIE ne tg ia s e o s N 1 im e ro s R ela tiv os d o s E le tro ns E m it id o s

na D esinte~j[o d o cesio-1 37lTipo de Energia Numero de EletronsEletron (ebin,keV) por 100 DesintegracoesAuger 5 3,84

6 2,6325 0,26226 0,17327 0,28330 0,055631 0,15232 0,032335 0,014536 0,00768

Conversao 624 7,91256 1,44660 0,241661 0,139662 0,00423

A Tabela 2 apresenta os dados sobre os mimeros rela-. tivos dos varies f6tons (raios-y e -X) emitidos quando 0cesio-B? sofre desintegracao.

TABELA2E ne rg ias e o s N 1 im ero s R ela tiv os d os F 6t on s E m itid os

na Des in t~ j[o de

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convenientemente indicada pela sua radioatividade, istoe, pela sua velocidade de desintegracao, Este valor e ob-tide atraves da Lei de Decaimento:dN/dt = ANonde N e 0 numero de nucleos radioativos e Aa constan-te de desintegracao. Para cesio-I37:A = In2/t1/2 = 7,32xlO-'o s-'Assim, uma grama de cesio-B? (11137 mol ou 4,40x102'atom os) apresenta uma radioatividade de (7,32xlO-'O )(4,40xl021) = 3,22xlO'2 desintegracoes por segundo(dps) ou 3,22xlO12 Bq7.Quando uma substancia e exposta as radiacoes ioni-

zantes emitidas por uma fonte, estas radiacoes intera-gem com os constituintes da substancia, depositandonelas uma fracao de suas energias, medida como doseabsorvida" (energia por unidade de massa). A dose ab-sorvida varia, dependendo do tipo de radiacao, da suaenergia, da disposicao geometrica da fonte e do tempode exposicao.A intensidade da radiacao depende inversamente da

distancia da fonte:

onde dx indica a distancia da fonte ao objeto em ques-tao e dref a distancia onde foi medida a intensidade dadose absorvida de referencia, Iref.A urn metro de uma fonte contendo uma grama decesio-137'9 a dose absorvida por uma substancia comdensidade de I g/ml (agua, tecido humano, etc.) e2,9 J kg " por hora de exposicao"". Pela equacao 3 po-de calcular as doses absorvidas de 290 J kg " h-' a lOcm;2,9x104 J kg'" h-' a Icm e 0,029 J kg-' h-, a 10m da fonte.Estes valores indicam que urn contato intima com37CsCI pode resultar em danos series nas partes em con-tato direto (por ex., as maos) e que doses menores po-dem ser recebidas por outras partes do mesmo corpo.Outro fator importante e a presenca, ou nao, de blin-

dagem. Qualquer material colocado entre a fonte e a

.7 0bequerel e a unidade do Sistema Internacional de Unidades e eigual a 1 desintegracao por segundo. Outra unidade de radioativi-dade e 0Curie, definido como sendo igual a 3,7xlO'o Bq. Uma gra-rna de cesio-l J? puro corresponde a 87,0 Ci.

Outro termo encontrado em estudos de quimica e biologia das ra-diacoes e a kerma, usado nos casos de radiacao por raios-r ouraios-X e cujo calculo e identico ao da dose absorvida.

.9 Uma grama de cesio-l J? puro, com 3,22xlO12Bq, e uma quantida-de muitas vezes maior que a quantidade normalmente usada empesquisas de laboratorio (10' a 10"Bq por experimento). Entretan-to, e da mesma ordem de grandeza da quantidade diretamente to-cada pelas pessoas mais afetadas pela irradiacao do cesio-B? emGoiania.

176 QUIMICA NOVA 11(21 (19881

substancia que esta sen do irradiada reduz a intensidadede radiacao segundo a equacao 4:

(4)(I)

(2)

onde x e a espessura da blindagem, lA x 0 coeficiente deabsorcao e xl/2 a espessura, que diminui a intensidadeinicial, 10, por urn fator de 2. Para os raios gam a de0,662 MeV do cesio-l J", os valores de Xl/2 sao 8,7; 4,0 e0,62cm para agua, concreto e chumbo, respectivamen-te". Assim, 100cm de cad a material decresce a intensi-dade dos raios gam a do cesio-l J? por fatores de 3000,3,4x107 e 3,6xI048, respectivamente. Vma blindagem delOcm de chumbo, similar a usada em fontes para radio-terapia, reduz a intensidade por urn fator de 7x104.A velocidade de absorcao da dose a urn metro de uma

fonte de 1200 Ci, blindada com lOcm de chumbo e5,6xl0-7 J kg" h-'. Aumentando a espessura da blinda-gem ate 15cm diminui para 2xlo-9 J kg " h ", cercade I% do nivel de radiacao naturalmente absorvida porqualquer pessoa. Aumentando a distancia da fonte tam-bern diminui ainda mais a velocidade da dose absorvida.A blindagem necessaria para eliminar os efeitos das

particulas beta e bern menor. Particulas beta nao conse-guem atravessar as camadas de metal usadas para en-capsular fontes radioterapeuticas. Livre, sem blindagemde protecao, as profundidades de penetracao maximadas particulas (3,e (32do cesio-l J? (Fig. 1) em agua ou te-cido humano sao 1,8 e 4mm, respectivamente", com amaior parte das suas energias sendo deposit ad as na pri-meira camada de lmm.Como ja indicado, as particulas beta produzem danos

localizados na regiao do contato. Para os raios gama, osefeitos podem ser localizados, como e 0 caso do trata-mento terapeutico dos orgaos cancerosos, ou generali-zados, como acontece quando se tern uma exposicaouniforme do corpo. Neste caso, uma dose absorvida me-nor que 11 kg:" normalmente nao produz sintomas namaioria das pessoas". Vma dose absorvida de 2 J kg-',administrada em period os de tempo curto, produz sin-tomas de nauseas e vomitos, bern como gera uma peque-na queda do numero de leucocitos no sangue. Doses de4 J kg " resultam em 50"70de probabilidade de morte,enquanto que doses de 6 J kg " em todo 0 corpo saoquase sempre letais'.

(3)

APENDICE IIIComo uma aproximacao, a migracao do cesio-l S? no

solo e similar ao seu comportamento dentro de uma co-luna contendo uma resina de troca cationica. 0 movi-mento dos ions 37Cs+ esta diretamente relacionado comas concentracoes de outras especies cationicas e ocorrena direcao do fluxo de eluente (fase movel liquida). Co-mo ocorre em todas as modalidades de cromatografia, 0ion 37Cs+, quando presente na fase movel, apresentauma velocidade de movimento igual a da fase movel, en-quanto que quando adsorvido na fase estacionaria, nao

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tern movimento algum. Este movimento pode ser repre-sentado pelo coeficiente de distribuicao, Ko:

onde ns e 0 numero de ions do cesio-l J? na fase estacio-naria, nM 0 numero de ions de cesio-l J? na fase m6vel,Cs e CM as concentracoes do cesio-l J? nas fases estacio-naria e m6vel, respectivamente, Vs e VMos respectivosvolumes, (3 a razao das fases (VM/V s)' tR 0 tempo de re-tencao do cesio-H? e tM 0 tempo de retencao da fasem6vel (ou 0 tempo em que urn componente nao retidopassa pela coluna). Quanto maior 0 valor de Ko' maissoluto sera retido e maior sera 0 tempo necessario parao soluto percorrer uma dada distancia, Valores de Koentre 160 e 750 sao encontrados para solos diferen-tes" ,Uma outra descricao, igualmente pertinente, e a deconsiderar 0 movimento de 137CS+no solo similar ao seumovimento em cromatografia planar. Neste caso, a de-finicao fundamental e a do fator de retencao, RF, defi-nido como:RF = vw/vronde Vw e Vr sao as respectivas velocidades medias demovimento no solo da fase m6vel (agua) e do radionu-clideo de interesse. A velocidade do radionuclideo, Vr,depende do tempo que a especie tern movimento livre,dissolvido na fase m6vel, e do tempo que ele e retido pe-10 solo:

onde tm e 0 tempo no qual 0 radionuclideo esta em mo-vimento, tp e 0 tempo no qual 0 radionuclideo se encon-tra em repouso e tm + tp representa 0 tempo total daexperiencia. Rearranjado:RF = 1 + (tp/tm)Quanto tptm,o valor de tp torna-se proporcional aarea superficial do solo que, por sua vez, e proporcionala sua massa:tp = ks V d (1-)onde V e 0 volume total do solo, d a sua densidade, (1-)a fracao de volume do solo que e composto de particulass6lidas e ks e urn coeficiente de proporcinalidade. Ana-logamente:tm = km V (10)onde representa a porosidade do solo, isto e, a fracaonao s6lida. Fazendo estas substituicoes, obtem-se:

RF = 1 + [ks V d (1-)/km V ](11)

= 1 + kd d (1-)/(5) o coeficiente kd indica a afinidade do radionuclideo pa-

ra a superficie do solo e as suas unidades sao em mZkgquando d e dado em kg/m '.Apesar de existirem muitos tipos diferentes de solos,

os valores de d e nao variam muito, sendo tipicamentecerca de 1500 kg/rn" e 0,5, respectivamente", 0 valor dekd depende do radionuclideo em estudo; para I37CS+,60C02+, 90Sr2+ e 239pu(IV) os valores de kd sao0,3; 0,04; 0,02 e 1, respectivamente", Para 137CS+,entao,RF = 451.o valor de Vw pode ser determinado diretamente ouestimado a partir da relacao:Vw = kp i/c (12)

(6)

onde i e o gradiente hidr6lico e kp 0 coeficiente de per-meabilidade do solo. Em casos tipicos, as grandezas dekp, i e e sao 10-5 m/s; 0,05 e 0,5, respectivamente", cor-respondendo a uma velocidade de movimento da aguade 10-6 m/s (8,6 em por dia).Substituindo estes valores na equacao 6 e rearran-

jando:V137CS= vw/RF 10-6 m.s-'/451 (13)= 2,2xl0-9 m/s

(7)

onde 2,2xlO-9 m/s corresponde a 7cm por ano demovimento no solo.Este valor calculado e bern semelhante aos valores de-terminados experimentalmente em tres solos diferentes:

tufo, basalto e calcario':"'. Sendo que 0 valor Vwe bernmenor em solo argiloso, devido as suas particulas den-sas e finas, 0 V137CSeste tipo de solo sera menor. Para aargila bentonita, urn valor tipico determinado paraVl37cse O,lcm por ano".Com estas velocidades de movimento do cesio-H", e

dificil ocorrer contaminacao de lencois freaticos a maisde 50m da fonte de radiacao antes da desintegracaocompleta do cesio-l J? (600 anos). Deve-se lembrar po-rem, que outros radionuclideos que tern meias-vidasainda mais long as e coeficientes de afinidade (kd) meno-res, devido principalmente as suas tendencias em formarcomplexos com outras especies presentes, sao mais mo-veis, causando portanto maiores riscos de contami-nacao.

(8)

(9)

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aUIMICA NOVA 1112) 11988) 177

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CORRELAC;OES EMPiRICAS DE DESLOCAMENTOS QUiMICOS. PROTONS a-METILENICOSDE COMPOSTOS CARBONiLICOS

Marcos A. P. Martins*, Helio G. Bonacorso e Miguel S.B. CaroDepartamento de Quimica - Universidade Federal de Santa Maria, 97.119 - Santa Maria (RS)

Recebido em 21/10/87

ABSTRACTa-Methylene proton chemical shifts of carbonyl com-

pounds have been studied using multiple linear regres-sion analysis, and additive chemical parameters havebeen determined. Using a data set of 78 chemical shifts,involving 22 diferent substituents, a standard error of es-timate of 0.08 ppm, and a coefficient of multiple corre-lation (R2) of 0.991, were found for protons spread bet-ween 1.8 and 5.0 ppm. Autor a que se deve dirigir a correspondencia

178 QUiMICA NOVA 11(2) (1988)

RESUMOOs deslocamentos quimicos de protons o-metilenicos

de compostos carbonilicos foram estudados usandoanalises de correlacao multipla, tam bern foram determi-nadas constantes de aditividade de deslocamento quimi-co de substituintes. Usando dados de 78 deslocamentosquimicos, envolvendo 22 diferentes substituintes, foiobservado, para protons em uma faixa de deslocamen-tos de 1,8 a 5,0 ppm, urn erro padrao de estimativa de0,08 ppm e urn coeficiente de correlacao multipla (R2) de0,991.