A radiação ionizante está em toda parte. Chega do espaço exterior como raios cósmicos. Está no ar como emissões de radônio radioativo e sua progênie. Os isótopos radioativos que ocorrem naturalmente entram e permanecem em todos os seres vivos. É inevitável. De fato, todas as espécies deste planeta evoluíram na presença de radiação ionizante. Embora os humanos expostos a pequenas doses de radiação possam não mostrar imediatamente quaisquer efeitos biológicos aparentes, não há dúvida de que a radiação ionizante, quando administrada em quantidades suficientes, pode causar danos. Esses efeitos são bem conhecidos tanto em espécie quanto em grau.

Embora a radiação ionizante possa causar danos, ela também tem muitos usos benéficos. O urânio radioativo gera eletricidade em usinas nucleares em muitos países. Na medicina, os raios x produzem radiografias para diagnóstico de lesões e doenças internas. Os médicos de medicina nuclear usam material radioativo como traçadores para formar imagens detalhadas de estruturas internas e para estudar o metabolismo. Radiofármacos terapêuticos estão disponíveis para tratar distúrbios como hipertireoidismo e câncer. Os médicos de radioterapia usam raios gama, feixes de píon, feixes de elétrons, nêutrons e outros tipos de radiação para tratar o câncer. Os engenheiros usam material radioativo em operações de exploração de poços de petróleo e em medidores de densidade de umidade do solo. Os radiologistas industriais usam raios X no controle de qualidade para examinar as estruturas internas dos dispositivos fabricados. Sinais de saída em edifícios e aeronaves contêm trítio radioativo para fazê-los brilhar no escuro em caso de falha de energia. Muitos detectores de fumaça em residências e prédios comerciais contêm amerício radioativo.

Esses muitos usos de radiação ionizante e materiais radioativos melhoram a qualidade de vida e ajudam a sociedade de várias maneiras. Os benefícios de cada uso devem sempre ser comparados com os riscos. Os riscos podem ser para os trabalhadores diretamente envolvidos na aplicação da radiação ou material radioativo, para o público, para as gerações futuras e para o meio ambiente ou para qualquer combinação destes. Além das considerações políticas e econômicas, os benefícios devem sempre superar os riscos quando a radiação ionizante está envolvida.

Radiação ionizante

A radiação ionizante consiste em partículas, incluindo fótons, que causam a separação de elétrons de átomos e moléculas. No entanto, alguns tipos de radiação de energia relativamente baixa, como a luz ultravioleta, também podem causar ionização em determinadas circunstâncias. Para distinguir esses tipos de radiação da radiação que sempre causa ionização, um limite arbitrário de energia inferior para radiação ionizante geralmente é definido em torno de 10 kiloelétrons volts (keV).

A radiação diretamente ionizante consiste em partículas carregadas. Tais partículas incluem elétrons energéticos (às vezes chamados de negatrons), pósitrons, prótons, partículas alfa, mésons carregados, múons e íons pesados ​​(átomos ionizados). Esse tipo de radiação ionizante interage com a matéria principalmente por meio da força de Coulomb, repelindo ou atraindo elétrons de átomos e moléculas em virtude de suas cargas.

A radiação indiretamente ionizante consiste em partículas não carregadas. Os tipos mais comuns de radiação indiretamente ionizante são os fótons acima de 10 keV (raios x e raios gama) e todos os nêutrons.

Os fótons de raios X e raios gama interagem com a matéria e causam ionização de pelo menos três maneiras diferentes:

1. Os fótons de baixa energia interagem principalmente por meio do efeito fotoelétrico, no qual o fóton dá toda a sua energia a um elétron, que então deixa o átomo ou a molécula. O fóton desaparece.
2. Os fótons de energia intermediária interagem principalmente por meio do efeito Compton, no qual o fóton e um elétron colidem essencialmente como partículas. O fóton continua em uma nova direção com energia reduzida, enquanto o elétron liberado sai com o restante da energia recebida (menos a energia de ligação do elétron ao átomo ou molécula).
3. A produção de pares só é possível para fótons com energia superior a 1.02 MeV. (No entanto, perto de 1.02 MeV, o efeito Compton ainda domina. A produção de pares domina em energias mais altas.) O fóton desaparece e um par elétron-pósitron aparece em seu lugar (isso ocorre apenas nas proximidades de um núcleo por causa da conservação do momento e considerações energéticas). A energia cinética total do par elétron-pósitron é igual à energia do fóton menos a soma das energias da massa de repouso do elétron e do pósitron (1.02 MeV). Esses elétrons e pósitrons energéticos procedem então como radiação diretamente ionizante. À medida que perde energia cinética, um pósitron acabará encontrando um elétron e as partículas se aniquilarão. Dois (geralmente) fótons de 0.511 MeV são então emitidos do local de aniquilação a 180 graus um do outro.

para um determinado fóton qualquer um desses pode ocorrer, exceto que a produção de pares só é possível para fótons com energia maior que 1.022 MeV. A energia do fóton e o material com o qual ele interage determinam qual interação é mais provável de ocorrer.

A Figura 1 mostra as regiões em que cada tipo de interação de fótons domina em função da energia do fóton e do número atômico do absorvedor.

Figura 1. Importância relativa das três principais interações dos fótons na matéria

As interações de nêutrons mais comuns com a matéria são colisões inelásticas, captura de nêutrons (ou ativação) e fissão. Tudo isso são interações com núcleos. Um núcleo colidindo inelasticamente com um nêutron é deixado em um nível de energia mais alto. Ele pode liberar essa energia na forma de um raio gama ou emitindo uma partícula beta, ou ambos. Na captura de nêutrons, um núcleo afetado pode absorver o nêutron e ejetar energia como raios gama ou x ou partículas beta, ou ambos. As partículas secundárias então causam ionização conforme discutido acima. Na fissão, um núcleo pesado absorve o nêutron e se divide em dois núcleos mais leves, quase sempre radioativos.

Quantidades, Unidades e Definições Relacionadas

A Comissão Internacional de Unidades e Medidas de Radiação (ICRU) desenvolve definições formais internacionalmente aceitas de quantidades e unidades de radiação e radioatividade. A Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) também estabelece padrões para definição e uso de várias grandezas e unidades usadas na segurança contra radiação. Segue uma descrição de algumas grandezas, unidades e definições comumente usadas em segurança contra radiação.

Dose absorvida. Esta é a grandeza dosimétrica fundamental para a radiação ionizante. Basicamente, é a energia que a radiação ionizante transmite à matéria por unidade de massa. Formalmente,

onde D é a dose absorvida, de é a energia média transmitida à matéria de massa dm. A dose absorvida tem unidades de joules por quilograma (J kg^-1). O nome especial para a unidade de dose absorvida é gray (Gy).

Atividade. Essa quantidade representa o número de transformações nucleares de um determinado estado de energia nuclear por unidade de tempo. Formalmente,

onde A é a atividade, dN é o valor esperado do número de transições nucleares espontâneas do estado de energia dado no intervalo de tempo dt. Está relacionado com o número de núcleos radioativos N por:

onde l é a constante de decaimento. A atividade tem unidades de segundos inversos (s^-1). O nome especial para a unidade de atividade é o becquerel (Bq).

Constante de decaimento (eu). Essa quantidade representa a probabilidade por unidade de tempo de ocorrer uma transformação nuclear para um determinado radionuclídeo. A constante de decaimento tem unidades de segundos inversos (s^-1). Está relacionado com a meia-vida t_½ de um radionuclídeo por:

A constante de decaimento l está relacionada com o tempo de vida médio, t, de um radionuclídeo por:

A dependência temporal da atividade A(t) e do número de núcleos radioativos N(t) pode ser expressa por e  respectivamente.

Efeito biológico determinístico. Este é um efeito biológico causado pela radiação ionizante e cuja probabilidade de ocorrência é zero em pequenas doses absorvidas, mas aumentará abruptamente até a unidade (100%) acima de algum nível de dose absorvida (o limiar). A indução de catarata é um exemplo de efeito biológico estocástico.

Dose efetiva. A dose eficaz E é a soma das doses equivalentes ponderadas em todos os tecidos e órgãos do corpo. É uma quantidade de segurança de radiação, portanto seu uso não é apropriado para grandes doses absorvidas entregues em um período de tempo relativamente curto. É dado por:

onde w _T é o fator de ponderação do tecido e H_T é a dose equivalente para o tecido T. A dose efetiva tem unidades de J kg^-1. O nome especial para a unidade de dose efetiva é o sievert (Sv).

Dose equivalente. A dose equivalente H_T é a dose absorvida média sobre um tecido ou órgão (ao invés de um ponto) e ponderada para a qualidade da radiação que é de interesse. É uma quantidade de segurança de radiação, portanto seu uso não é apropriado para grandes doses absorvidas entregues em um período de tempo relativamente curto. A dose equivalente é dada por:

onde D_{T, R} é a dose absorvida média sobre o tecido ou órgão T devido à radiação R e w _R
é o fator de ponderação da radiação. A dose equivalente tem unidades de J kg^-1. O nome especial para a unidade de dose equivalente é o sievert (Sv).

Meia-vida. Essa quantidade é a quantidade de tempo necessária para que a atividade de uma amostra de radionuclídeo seja reduzida pela metade. Equivalentemente, é a quantidade de tempo necessária para que um determinado número de núcleos em um determinado estado radioativo reduza pela metade. Possui unidades fundamentais de segundos (s), mas também é comumente expresso em horas, dias e anos. Para um determinado radionuclídeo, a meia-vida t_½ está relacionado com a constante de decaimento l por:

Transferência linear de energia. Essa quantidade é a energia que uma partícula carregada transmite à matéria por unidade de comprimento à medida que atravessa a matéria. Formalmente,

onde L é a transferência linear de energia (também chamada potência de parada de colisão linear) e de é a energia média perdida pela partícula ao percorrer uma distância dl. A transferência linear de energia (LET) tem unidades de J m^-1.

Tempo de vida médio. Essa quantidade é o tempo médio que um estado nuclear sobreviverá antes de sofrer uma transformação para um estado de energia mais baixo, emitindo radiação ionizante. Tem unidades fundamentais de segundos (s), mas também pode ser expresso em horas, dias ou anos. Está relacionado com a constante de decaimento por:

onde t é o tempo de vida médio e l é a constante de decaimento para um determinado nuclídeo em um determinado estado de energia.

Fator de ponderação de radiação. Este é um número w _R que, para um determinado tipo e energia de radiação R, é representativo de valores da eficácia biológica relativa dessa radiação na indução de efeitos estocásticos em baixas doses. os valores de w _R estão relacionados à transferência linear de energia (LET) e são apresentados na tabela 1. A Figura 2 (no verso) mostra a relação entre w _R e LET para nêutrons.

Tabela 1. Fatores de ponderação da radiação w_R

¹ Todos os valores referem-se à radiação incidente no corpo ou, para fontes internas, emitidas pela fonte.

² Excluindo elétrons Auger emitidos de núcleos ligados ao DNA.

Eficácia biológica relativa (RBE). O RBE de um tipo de radiação comparado com outro é a razão inversa das doses absorvidas produzindo o mesmo grau de um ponto final biológico definido.

Figura 2. Fatores de ponderação de radiação para nêutrons (a curva suave deve ser tratada como uma aproximação)

Efeito biológico estocástico. Trata-se de um efeito biológico causado pela radiação ionizante cuja probabilidade de ocorrência aumenta com o aumento da dose absorvida, provavelmente sem limiar, mas cuja gravidade independe da dose absorvida. O câncer é um exemplo de efeito biológico estocástico.

Fator de ponderação tecidual w _T. Isso representa a contribuição do tecido ou órgão T em detrimento total devido a todos os efeitos estocásticos resultantes da irradiação uniforme de todo o corpo. É usado porque a probabilidade de efeitos estocásticos devido a uma dose equivalente depende do tecido ou órgão irradiado. Uma dose equivalente uniforme em todo o corpo deve fornecer uma dose efetiva numericamente igual à soma das doses efetivas para todos os tecidos e órgãos do corpo. Portanto, a soma de todos os fatores de peso do tecido é normalizada para a unidade. A Tabela 2 fornece valores para fatores de ponderação de tecido.

Tabela 2. Fatores de ponderação tecidual w_T

¹ Os valores foram desenvolvidos a partir de uma população de referência de números iguais de ambos os sexos e uma ampla gama de idades. Na definição de dose efetiva, eles se aplicam a trabalhadores, a toda a população e a ambos os sexos.

² Para fins de cálculo, o restante é composto pelos seguintes tecidos e órgãos adicionais: adrenais, cérebro, intestino grosso superior, intestino delgado, rins, músculos, pâncreas, baço, timo e útero. A lista inclui órgãos que provavelmente serão irradiados seletivamente. Alguns órgãos da lista são conhecidos por serem suscetíveis à indução de câncer.

³ Nos casos excepcionais em que um único dos tecidos ou órgãos restantes recebe uma dose equivalente em excesso à dose mais alta em qualquer um dos doze órgãos para os quais um fator de ponderação é especificado, um fator de ponderação de 0.025 deve ser aplicado a esse tecido ou órgão e um fator de ponderação de 0.025 para a dose média no restante do restante conforme definido acima.

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