Raios gama e nêutrons e suas aplicações em Física do Solo

Osny BacchiCENA/USP

2008

1) As radiações2) Interações com a matéria3) Sistemas de detecção

CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos

elétron

Núcleo

Z prótons

N nêutrons

A = Z+N Número de massa

CXAZ126 A=12

Z = 6 prótonsN=A-Z=12-6=6 nêutrons

Unidade de massa atômica = uma

1 uma = 1/12 átomo grama do C126

guma 2423

10.66,112

10.02,6

12

1

p (próton) = 1,0073 uma = 1,6721.10-24 gn (neutron = 1,0087 uma = 1,6744.10-24 ge (elétron) = 0,0006 uma = 0,00091.10-24 g

O Átomo

Instabilidade nuclear e as radiações

Z (prótons)

N (

nêu

tron

s )

Linha de estabilidade

3/2.015,098,1 A

AZ

“Relação empírica”

Isótonos (mesmo n. nêutrons)

isót

opos

Forças entre partículasnucleares

repulsiva aCoulombian 2

21.

d

qqFc

trativaalravitaciond

mmFg a G

2

21.

(nêutrons) atrativa nuclear" força" Fn

Z=N

Fc (força Coulombiana repulsiva) = 2.102 Newton Prótons (Z)

Fg (força Gravitacional atrativa) = 2.10-34 Newton (desprezível)

Fn (força Nuclear atrativa) = 2.103 Newton Nêutrons (N)

Relação N/Z Estabilidade

Núçleo instável (radioativo)

excesso de prótons N/Z

excesso de nêutrons N/Z

)60(][ 4

2

237

93

241 kevNpAm 95

a) excesso de prótons

3/2)( .015,098,1 A

AZ Am

94

3/2)241.(015,098,1

241

3/2)( .015,098,1 A

AZ Np

93

3/2)237.(015,098,1

237Z/N= 0,651

Z/N= 0,646

prótons

prótons

EnCBe 10

126

42

94

b) excesso de nêutrons

N (Be) = A –Z = 9-4 = 5nêutrons

)6,661(][ 13756

13756

13755 keVBaBaCs

N = 137 –55 = 82

Z/N= 0,8

N (C) = A –Z = 12-6 = 6nêutrons Z/N= 1

Z/N= 0,671

N = 137 –56 = 81 Z/N= 0,691

Diminuiçãorelativa nonúmero de nêutrons

Diminuiçãorelativa nonúmero de nêutrons

Fonte de nêutrons

)60(][ 4

2

237

93

241 kevNpAm 95

EnCBe 10

126

42

94

Am241

95 Be9

4Cápsula

Energia cinética dos nêutrons

Nêutrons rápidos E(média) = 2Mev

1eV = 1,6 10-19 J

Radiação gama: onda eletromagnética produzida pelos núcleos excitados dos átomos após uma reação nuclear = emissão de energiapara atingir um nível de energia mínimo mais estável.

/segundo vibraçõesfrequencia

.6,624.10Planckdeconstante

)(. 27-

segergh

erghE

)(

/10.3 10

cm

segcmc

ondadeoCompriment

luzdavelocidade

)(

4,12

.

ΑngstronE(keV)

ch

E

Luz vizível =104A E = 0,00124 keV =1,24eV

Radiação gama =10-2A E = 1240 keV =1,24Mev

1eV= 1,602.10-19 j = 1,602. 10-12 erg

Rái

os c

ósm

icos

Rái

os g

ama

Rái

os X

Rái

os u

ltra

viol

eta

Lu

z vi

síve

l

Ult

ravi

olet

a –c

alor

mic

roon

das

On

das

de r

ádio

Cor

rent

e al

tern

ada

Altas frequênciasPequenos comprimentos de ondaAltas energias

Baixas frequênciasGrandes comprimentos de ondaBaixas energias

Definições e Unidades de Radiação

Atividade: número de transformações nucleares, ou desintegrações que ocorrem por segundo – Becquerel (Bq)

1Bq = 1dps

antigamente Curie (Ci)= 3,7. 1010 Bq

Meia vida: Meia-vida, é o tempo necessário para a atividade de um elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade inicial.

N = N0 exp(−λt)

A = A0 exp(−λt)

= constante de decaimento do elemento

)2/1(

00

2

teA

A

6931,0

)2/1( t

241Am T(1/2) = 458 anos

137Cs T(1/2) = 30 anos

Vida média: tempo médio de duração do elemento na forma radioativa

2/144,11

t

Número de átomos radioativos na amostra

Número de desintegrações na amostra

λ =0,0015

λ =0,0231

241Am

137Cs

=659 anos

=43 anos

Dose absorvidade radiação: joule por kilograma = gray (Gy)

Dose equivalente de radiação absorvida: dose absorvida corrigidapor um fator (RBE) que expressa o grau de dano biológico relativo da radiação:

Nome/Simbolo Massa Carga RBE*

alcance

Alfa () 4 +2 20 2.5 cm no ar (atenuação por uma folha de papel)

Beta () 0,0006 -1 1 Alguns cm no ar (atenuação por 2.5 cm de madeira)

Neutron (n) 1 0 5-10 30 m no ar (atenuação por alguns cm de água)

Gama () 0 0 1 30 m no ar (atenuação por alguns cm de chumbo)

1Gy (1 joule por kilograma) de radiação alfa (RBE=20) absorvida pelo organismo causa o mesmo efeito que 20 Gy de radiação beta ou gama (RBE=1)

Limites de doses efetivas

Dose efetiva: sievert (Sv) : leva em conta a sensibilidade de cada orgão à radiação absorvida – cada orgão exposto tem um fator de sensibilidade. Outra unidade ainda em uso é o rem// 1 Sv = 100 rem.

Efeitos biológicos das radiações

Efeitos determinísticos: ocorrem sempre quando a dose passa de um certo limite – nausea, avermelhamento de pele, e outros

Efeitos estocásticos: podem ocorrer para qualquer dose absorvida- alterações cromossômicas, câncer

International Basis Safety Standards for Protection Against IonizingRadiation and for the Safety of Radiation Sources:

•20 mSv /ano = 2 rem /ano

Fonte Atividade Taxa de dose a 1 m da fonte*

Cs-137 10 mCi 3.3 mrem.hr-1

Am-241/Be 50 mCi 0.11 mrem.hr-1

Both sources 60 mCi 3.41 mrem.hr-1

Taxas de doses de fontes de uma sonda de nêutrons/gama

Dose efetiva anual = 0,2 mSv/ano = 0,02rem/ano

Principais interações dos raios gama com a matéria:

Fóton incidente

.hE

Átomo

Fotoelétron

A) Efeito fotoelétrico ou absorção fotoelétrica (gamas de baixa energia e alto número atômico Z do alvo)

B) Efeito Çompton ou espalhamento Compton (gamas de energias mais altas)

Fóton incidente

.hE

Átomo

Fóton espalhado

Elétron de recuo

.' hE

Quando 180o Backscattering (retroespalhamento)= máxima energia transferida ao elétron

C) Produção de par (gamas de energias E 1,02 MeV) (fóton é absorvido pelo núcleo e produz um par de elétrons )

Rái

o ga

ma

de a

niqu

ilaçã

o

e-

e+ +e-

Aniquilação

Rái

o ga

ma

de a

niqu

ilaçã

o

E=h.moc2 = 1,02MeV0,51Mev

0,51Mev

Detectores de radiação gama

1) Cintilador sólido NaI (Tl) acoplado a uma válvula fotomultiplicadora

2) Detectores semi-condutores de Ge

Principais interações dos nêutrons com a matéria:

Número de colisões elásticas necessárias para reduzir a energia de um nêutron de 2MeV (rápido) para 0,025 eV (lento ou “térmico”)

Átomo alvo Número de colisões

1H 18

2H 25

4He 43

7Li 68

12C 115

16O 152

238U 2172

Detetor de nêutrons lentos - Câmara de gás 3He

1- reação nuclear (n + 3He)

n + 3He -> p (próton) + 3H (tritium) + (764 keV)

n + 3He -> p (573 KeV) + 3H (191 KeV)

2- ionização do gás 3He pelo próton resultante

p (573 KeV) + 3He -> p + e- + 3He+

Outros detectores de nêutrons

1) Sistema de feixe colimado de raios gama

Computador

Fonte

DetetorNaI(Tl)

Pré-amplificador

Fonte de alimentaçãoAmplificadore analisador Contador

TemporizadorAmostra

• Descrição de cada componente:•Fonte de raios gama•colimação•sistema de detecção•fotomultiplicadora•analisador de pulsos •espectro

Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo

)60(][ 42

23793

24195 keVNpAm

T1/2 = 458 anos

T1/2 = 30 anos

keV)(661,6γβBaBa][Cs 137

56

137

56

137

55

Aplicações da radiação gama em Física do Solo

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

Eγ ~ ( voltagem)

Inte

nsi

dade

(cp

s)

Espectro do 137Csganho =100x

E 662Kev

0

1000

2000

3000

4000

5000

2 3 4 5 6 7

Eγ ~ ( voltagem)

Inte

nsi

dade

(cp

s)

Espectro do 241Amganho=800x

E 60Kev

Espectrometria gama

3) Explicar o princípio de funcionamento de detectores semi-condutores de Ge para radiação gama

Prática 1

1) Fazer um diagrama de blocos e descrever a função de cada componente do sistema (cadeia nuclear) de feixe colimado de raios gama do CENA(consultar aos manuais dos componentes eletrônicos)

2) Discorrer sobre a lei de Beer –Lambert sobre atenuação defeixe monocromático de raios gama pela matéria.

OBS: Dividir a classe em dois grupos de alunos que farãoapresentação oral sobre os itens 1 e 2 no início da próximaaula

Cada aluno apresentará até o último dia de aulaum relatório individual sobre os 3 ítens

Formar 2 grupos de alunos que deverão preparar e fazer uma apresentaçãosobre os seguintes temas nos dias 2/05 e 9/05, respectivamente:

Tomografia computadorizada de raios gama – descrição do equipamento,princípios da geração de imagens, analisar e discutir algum trabalhopublicado com aplicação da técnica em física do solo.

Técnica de análise da redistribuição do “fallout” do 137Cs no estudo da erosão e deposição de sedimentos – princípios da técnica, espectrometria gama e análise do Cs no solo, analisar e discutir algumtrabalho publicado.