Tipos de Radiação Ionizante

Partículas alfa

Uma partícula alfa é uma coleção fortemente ligada de dois prótons e dois nêutrons. É idêntico a um hélio-4 (⁴Ele) núcleo. De fato, seu destino final após perder a maior parte de sua energia cinética é capturar dois elétrons e se tornar um átomo de hélio.

Os radionuclídeos emissores de alfa são geralmente núcleos relativamente massivos. Quase todos os emissores alfa têm números atômicos maiores ou iguais aos do chumbo (⁸²Pb). Quando um núcleo decai emitindo uma partícula alfa, tanto seu número atômico (número de prótons) quanto seu número de nêutrons são reduzidos em dois e seu número de massa atômica é reduzido em quatro. Por exemplo, o decaimento alfa do urânio-238 (²³⁸U) para tório-234 (²³⁴Th) é representado por:

O sobrescrito à esquerda é o número de massa atômica (número de prótons mais nêutrons), o subscrito à esquerda é o número atômico (número de prótons) e o subscrito à direita é o número de nêutrons.

Emissores alfa comuns emitem partículas alfa com energias cinéticas entre cerca de 4 e 5.5 MeV. Essas partículas alfa têm um alcance no ar de não mais que cerca de 5 cm (veja a figura 1). Partículas alfa com uma energia de pelo menos 7.5 MeV são necessárias para penetrar na epiderme (a camada protetora da pele, com 0.07 mm de espessura). Os emissores alfa geralmente não representam um risco de radiação externa. Eles são perigosos apenas se tomados dentro do corpo. Por depositarem sua energia em uma curta distância, as partículas alfa são radiações de alta transferência linear de energia (LET) e possuem um grande fator de ponderação de radiação; tipicamente, w _R= 20.

Figura 1. Faixa de radiação de energia de partículas alfa lentas no ar a 15 e 760 m

partículas beta

Uma partícula beta é um elétron ou pósitron altamente energético. (Um pósitron é a antipartícula do elétron. Ele tem a mesma massa e a maioria das outras propriedades de um elétron, exceto por sua carga, que é exatamente a mesma magnitude que a de um elétron, mas é positiva.) Os radionuclídeos emissores beta podem ser de alto ou baixo peso atômico.

Radionuclídeos que têm um excesso de prótons em comparação com nuclídeos estáveis ​​de aproximadamente o mesmo número de massa atômica podem decair quando um próton no núcleo se converte em um nêutron. Quando isso ocorre, o núcleo emite um pósitron e uma partícula extremamente leve e sem interação chamada neutrino. (O neutrino e sua antipartícula não têm interesse na proteção contra radiação.) Quando ele perde a maior parte de sua energia cinética, o pósitron finalmente colide com um elétron e ambos são aniquilados. A radiação de aniquilação produzida é quase sempre dois fótons de 0.511 keV (kiloelétron-volt) viajando em direções separadas por 180 graus. Um típico decaimento de pósitrons é representado por:

onde o pósitron é representado por β⁺ e o neutrino por n. Observe que o nuclídeo resultante tem o mesmo número de massa atômica que o nuclídeo pai e um número atômico (próton) maior em um e um número de nêutrons menor em um do que o nuclídeo original.

A captura de elétrons compete com o decaimento de pósitrons. No decaimento por captura eletrônica, o núcleo absorve um elétron orbital e emite um neutrino. Um típico decaimento por captura de elétrons é dado por:

A captura de elétrons é sempre possível quando o núcleo resultante tem uma energia total menor que o núcleo inicial. No entanto, o decaimento do pósitron requer que a energia total do átomo é maior que o resultado átomo por mais de 1.02 MeV (duas vezes a energia de massa restante do pósitron).

Semelhante ao decaimento da captura de elétrons e pósitrons, o negatron (β^-) o decaimento ocorre para núcleos que têm um excesso de nêutrons em comparação com núcleos estáveis ​​com aproximadamente o mesmo número de massa atômica. Nesse caso, o núcleo emite um negatron (elétron energético) e um antineutrino. Um típico decaimento do negatron é representado por:

onde o negatron é representado por β^- e o anti-neutrino por`n Aqui o núcleo resultante ganha um nêutron à custa de um próton, mas novamente não muda seu número de massa atômica.

O decaimento alfa é uma reação de dois corpos, de modo que as partículas alfa são emitidas com energias cinéticas discretas. No entanto, o decaimento beta é uma reação de três corpos, de modo que as partículas beta são emitidas em um espectro de energias. A energia máxima no espectro depende do radionuclídeo em decomposição. A energia beta média no espectro é aproximadamente um terço da energia máxima (veja a figura 2).

Figura 2. Espectro de energia de negatrons emitidos de ³²P

As energias beta máximas típicas variam de 18.6 keV para trítio (³H) a 1.71 MeV para fósforo-32 (³²P).

O alcance das partículas beta no ar é de aproximadamente 3.65 m por MeV de energia cinética. Partículas beta com pelo menos 70 keV de energia são necessárias para penetrar na epiderme. Partículas beta são radiação de baixo LET.

Radiação gama

A radiação gama é a radiação eletromagnética emitida por um núcleo quando ele passa por uma transição de um estado de energia superior para um inferior. O número de prótons e nêutrons no núcleo não muda em tal transição. O núcleo pode ter sido deixado no estado de maior energia após um decaimento alfa ou beta anterior. Ou seja, os raios gama são frequentemente emitidos imediatamente após os decaimentos alfa ou beta. Os raios gama também podem resultar da captura de nêutrons e espalhamento inelástico de partículas subatômicas por núcleos. Os raios gama mais energéticos foram observados nos raios cósmicos.

A Figura 3 é uma imagem do esquema de decaimento do cobalto-60 (⁶⁰Co). Ele mostra uma cascata de dois raios gama emitidos em níquel-60 (⁶⁰Ni) com energias de 1.17 MeV e 1.33 MeV seguindo o decaimento beta de ⁶⁰Co.

Figura 3. Esquema de decaimento radioativo para ⁶⁰Co

A Figura 4 é uma imagem do esquema de decaimento do molibdênio-99 (⁹⁹Mo). Observe que o tecnécio-99 resultante (⁹⁹O núcleo Tc) tem um estado excitado que dura um tempo excepcionalmente longo (t_½ = 6h). Tal núcleo excitado é chamado de isômero. A maioria dos estados nucleares excitados tem meias-vidas entre alguns picossegundos (ps) e 1 microssegundo (μs).

Figura 4. Esquema de decaimento radioativo para ⁹⁹Mo

A Figura 5 é uma imagem do esquema de decaimento do arsênico-74 (⁷⁴Como). Isso ilustra que alguns radionuclídeos decaem em mais de uma maneira.

Figura 5. Esquema de decaimento radioativo para ⁷⁴Como, ilustrando processos concorrentes de emissão de negatrons, emissão de pósitrons e captura de elétrons (m₀ é a massa restante do elétron)

Enquanto as partículas alfa e beta têm intervalos definidos na matéria, os raios gama são atenuados exponencialmente (ignorando o acúmulo que resulta da dispersão dentro de um material) à medida que passam pela matéria. Quando o acúmulo pode ser ignorado, a atenuação dos raios gama é dada por:

onde eu(x) é a intensidade do raio gama em função da distância x no material e μ é o coeficiente de atenuação de massa. O coeficiente de atenuação de massa depende da energia dos raios gama e do material com o qual os raios gama estão interagindo. Os valores do coeficiente de atenuação de massa são tabulados em muitas referências. A Figura 6 mostra a absorção de raios gama na matéria em condições de boa geometria (o acúmulo pode ser ignorado).

Figura 6. Atenuação de raios gama de 667 keV em Al e Pb em condições de boa geometria (a linha tracejada representa a atenuação de um feixe de fótons polienergético)

O acúmulo ocorre quando um amplo feixe de raios gama interage com a matéria. A intensidade medida em pontos dentro do material é aumentada em relação ao valor esperado de “boa geometria” (feixe estreito) devido aos raios gama espalhados pelos lados do feixe direto no dispositivo de medição. O grau de acúmulo depende da geometria do feixe, do material e da energia dos raios gama.

A conversão interna compete com a emissão gama quando um núcleo se transforma de um estado de energia mais alto para um mais baixo. Na conversão interna, um elétron orbital interno é ejetado do átomo em vez do núcleo emitir um raio gama. O elétron ejetado é diretamente ionizante. À medida que os elétrons orbitais externos caem para níveis de energia eletrônicos mais baixos para preencher a lacuna deixada pelo elétron ejetado, o átomo emite raios x. A probabilidade de conversão interna em relação à probabilidade de emissão gama aumenta com o aumento do número atômico.

Raios X

Os raios X são radiações eletromagnéticas e, como tal, são idênticos aos raios gama. A distinção entre os raios x e os raios gama é a sua origem. Enquanto os raios gama se originam no núcleo atômico, os raios x resultam de interações eletrônicas. Embora os raios x geralmente tenham energias mais baixas que os raios gama, isso não é um critério para diferenciá-los. É possível produzir raios X com energias muito superiores aos raios gama resultantes do decaimento radioativo.

A conversão interna, discutida acima, é um método de produção de raios X. Nesse caso, os raios x resultantes têm energias discretas iguais à diferença dos níveis de energia entre os quais transitam os elétrons orbitais.

Partículas carregadas emitem radiação eletromagnética sempre que são aceleradas ou desaceleradas. A quantidade de radiação emitida é inversamente proporcional à quarta potência da massa da partícula. Como resultado, os elétrons emitem muito mais radiação x do que partículas mais pesadas, como prótons, todas as outras condições sendo iguais. Os sistemas de raios X produzem raios X acelerando elétrons através de uma grande diferença de potencial elétrico de muitos kV ou MV. Os elétrons são então desacelerados rapidamente em um material denso e resistente ao calor, como o tungstênio (W).

Os raios x emitidos por tais sistemas têm energias espalhadas por um espectro que varia de cerca de zero até a energia cinética máxima possuída pelos elétrons antes da desaceleração. Frequentemente sobrepostos a este espectro contínuo estão os raios x de energia discreta. Eles são produzidos quando os elétrons em desaceleração ionizam o material alvo. À medida que outros elétrons orbitais se movem para preencher as lacunas deixadas após a ionização, eles emitem raios X de energias discretas semelhantes à forma como os raios X são emitidos após a conversão interna. Eles são chamados característica raios x porque são característicos do material alvo (anodo). Veja a figura 7 para um espectro típico de raios x. A Figura 8 representa um tubo de raios x típico.

Figura 7. Espectro de raios X ilustrando a contribuição dos raios X característicos produzidos quando os elétrons preenchem buracos na camada K de W (o comprimento de onda dos raios X é inversamente proporcional à sua energia)

Os raios X interagem com a matéria da mesma forma que os raios gama, mas uma simples equação de atenuação exponencial não descreve adequadamente a atenuação dos raios x com uma faixa contínua de energias (veja a figura 6). No entanto, como os raios X de baixa energia são removidos mais rapidamente do feixe do que os raios X de alta energia à medida que passam pelo material, a descrição da atenuação se aproxima de uma função exponencial.

Figura 8. Um tubo de raios X simplificado com um ânodo estacionário e um filamento aquecido

nêutrons

Geralmente, os nêutrons não são emitidos como resultado direto do decaimento radioativo natural. Eles são produzidos durante reações nucleares. Reatores nucleares produzem nêutrons em maior abundância, mas aceleradores de partículas e fontes especiais de nêutrons, chamadas fontes (α, n), também podem produzir nêutrons.

Os reatores nucleares produzem nêutrons quando os núcleos de urânio (U) no combustível nuclear se dividem, ou fissão. De fato, a produção de nêutrons é essencial para manter a fissão nuclear em um reator.

Os aceleradores de partículas produzem nêutrons acelerando partículas carregadas, como prótons ou elétrons, a altas energias para bombardear núcleos estáveis ​​em um alvo. Os nêutrons são apenas uma das partículas que podem resultar dessas reações nucleares. Por exemplo, a reação a seguir produz nêutrons em um ciclotron que está acelerando íons de deutério para bombardear um alvo de berílio:

Emissores alfa misturados com berílio são fontes portáteis de nêutrons. Essas fontes (α, n) produzem nêutrons por meio da reação:

A fonte das partículas alfa pode ser isótopos como polônio-210 (²¹⁰Po),
plutônio-239 (²³⁹Pu) e amerício-241 (²⁴¹Sou).

Os nêutrons são geralmente classificados de acordo com sua energia, conforme ilustrado na tabela 1. Essa classificação é um tanto arbitrária e pode variar em diferentes contextos.

Tabela 1. Classificação dos nêutrons de acordo com a energia cinética

Existem vários modos possíveis de interação de nêutrons com a matéria, mas os dois modos principais para fins de segurança contra radiação são espalhamento elástico e captura de nêutrons.

O espalhamento elástico é o meio pelo qual os nêutrons de alta energia são reduzidos a energias térmicas. Nêutrons de alta energia interagem principalmente por espalhamento elástico e geralmente não causam fissão ou produzem material radioativo por captura de nêutrons. São os nêutrons térmicos os principais responsáveis ​​pelos últimos tipos de interação.

O espalhamento elástico ocorre quando um nêutron interage com um núcleo e ricocheteia com energia reduzida. O núcleo em interação absorve a energia cinética que o nêutron perde. Depois de ser excitado dessa maneira, o núcleo logo cede essa energia como radiação gama.

Quando o nêutron finalmente atinge energias térmicas (assim chamadas porque o nêutron está em equilíbrio térmico com seu ambiente), ele é facilmente capturado pela maioria dos núcleos. Os nêutrons, sem carga, não são repelidos pelo núcleo carregado positivamente como os prótons. Quando um nêutron térmico se aproxima de um núcleo e fica dentro do alcance da força nuclear forte, da ordem de alguns fm (fm = 10^-15 metros), o núcleo captura o nêutron. O resultado pode então ser um núcleo radioativo que emite um fóton ou outra partícula ou, no caso de núcleos fissionáveis, como ²³⁵U e ²³⁹Pu, o núcleo de captura pode fissão em dois núcleos menores e mais nêutrons.

As leis da cinemática indicam que os nêutrons atingirão as energias térmicas mais rapidamente se o meio de espalhamento elástico incluir um grande número de núcleos leves. Um nêutron ricocheteando em um núcleo leve perde uma porcentagem muito maior de sua energia cinética do que quando ricocheteia em um núcleo pesado. Por esta razão, a água e os materiais hidrogenados são os melhores materiais de blindagem para desacelerar os nêutrons.

Um feixe monoenergético de nêutrons atenuará exponencialmente no material, obedecendo a uma equação semelhante à dada acima para os fótons. A probabilidade de um nêutron interagir com um dado núcleo é descrita em termos da quantidade corte transversal. A seção transversal tem unidades de área. A unidade especial para seção transversal é o celeiro (b), definido por:

É extremamente difícil produzir nêutrons sem raios gama e x. Pode ser geralmente assumido que, se os nêutrons estão presentes, também estão os fótons de alta energia.

Fontes de Radiação Ionizante

radionuclídeos primordiais

Radionuclídeos primordiais ocorrem na natureza porque suas meias-vidas são comparáveis ​​com a idade da Terra. A Tabela 2 lista os radionuclídeos primordiais mais importantes.

Tabela 2. Radionuclídeos primordiais

Os isótopos de urânio e tório encabeçam uma longa cadeia de radioisótopos descendentes que, como resultado, também ocorrem naturalmente. A Figura 9, AC, ilustra as cadeias de decaimento para ²³²º, ²³⁸U e ²³⁵U, respectivamente. Como o decaimento alfa é comum acima do número de massa atômica 205 e o número de massa atômica de uma partícula alfa é 4, existem quatro cadeias de decaimento distintas para núcleos pesados. Uma dessas cadeias (ver figura 9, D), que por ²³⁷Np, não ocorre na natureza. Isso ocorre porque ele não contém um radionuclídeo primordial (ou seja, nenhum radionuclídeo nesta cadeia tem uma meia-vida comparável à idade da Terra).

Figura 9. Série de decaimento (Z = número atômico; N = número de massa atômica)    

 Observe que os isótopos de radônio (Rn) ocorrem em cada cadeia (²¹⁹Rn, ²²⁰Rn e ²²²Rn). Como o Rn é um gás, uma vez que o Rn é produzido, ele tem a chance de escapar para a atmosfera da matriz em que foi formado. No entanto, a meia-vida de ²¹⁹Rn é muito curto para permitir que quantidades significativas dele alcancem uma zona de respiração. A relativamente curta meia-vida de ²²⁰Rn geralmente faz com que seja uma preocupação menor para a saúde do que ²²²Rn.

Sem incluir o Rn, os radionuclídeos primordiais externos ao corpo fornecem em média cerca de 0.3 mSv de dose efetiva anual para a população humana. A dose efetiva anual real varia amplamente e é determinada principalmente pela concentração de urânio e tório no solo local. Em algumas partes do mundo onde as areias monazíticas são comuns, a dose efetiva anual para um membro da população chega a cerca de 20 mSv. Em outros locais, como em atóis de coral e perto do litoral, o valor pode ser tão baixo quanto 0.03 mSv (consulte a figura 9).

O radônio é geralmente considerado separadamente de outros radionuclídeos terrestres de ocorrência natural. Ele se infiltra no ar a partir do solo. Uma vez no ar, o Rn decai ainda mais em isótopos radioativos de Po, bismuto (Bi) e Pb. Esses radionuclídeos descendentes ligam-se a partículas de poeira que podem ser inaladas e aprisionadas nos pulmões. Sendo emissores alfa, eles entregam quase toda a sua energia de radiação para os pulmões. Estima-se que a dose equivalente pulmonar média anual dessa exposição seja de cerca de 20 mSv. Esta dose equivalente no pulmão é comparável a uma dose eficaz de corpo inteiro de cerca de 2 mSv. Claramente, o Rn e seus radionuclídeos descendentes são os contribuintes mais significativos para a dose efetiva de radiação de fundo (ver figura 9).

Raios cósmicos

A radiação cósmica inclui partículas energéticas de origem extraterrestre que atingem a atmosfera da Terra (principalmente partículas e principalmente prótons). Também inclui partículas secundárias; principalmente fótons, nêutrons e múons, gerados por interações de partículas primárias com gases na atmosfera.

Em virtude dessas interações, a atmosfera serve como um escudo contra a radiação cósmica, e quanto mais fino esse escudo, maior a taxa de dose efetiva. Assim, a taxa de dose efetiva de raios cósmicos aumenta com a altitude. Por exemplo, a taxa de dose a uma altitude de 1,800 metros é quase o dobro da do nível do mar.

Como a radiação cósmica primária consiste principalmente de partículas carregadas, ela é influenciada pelo campo magnético da Terra. As pessoas que vivem em latitudes mais altas recebem maiores doses efetivas de radiação cósmica do que aquelas mais próximas do equador da Terra. A variação devida a este efeito é da ordem
De 10%.

Finalmente, a taxa de dose efetiva de raios cósmicos varia de acordo com a modulação da saída de raios cósmicos do sol. Em média, os raios cósmicos contribuem com cerca de 0.3 mSv para a dose efetiva de radiação de fundo em todo o corpo.

radionuclídeos cosmogênicos

Os raios cósmicos produzem radionuclídeos cosmogênicos na atmosfera. O mais proeminente deles é o trítio (³H), berílio-7 (⁷Be), carbono-14 (¹⁴C) e sódio-22 (²²N / D). Eles são produzidos por raios cósmicos interagindo com gases atmosféricos. Os radionuclídeos cosmogênicos liberam cerca de 0.01 mSv de dose efetiva anual. A maior parte disso vem ¹⁴C.

precipitação nuclear

Da década de 1940 até a década de 1960, ocorreram testes extensivos de armas nucleares acima do solo. Este teste produziu grandes quantidades de materiais radioativos e os distribuiu para o meio ambiente em todo o mundo como fallout. Embora grande parte desses detritos tenha decaído em isótopos estáveis, pequenas quantidades remanescentes serão uma fonte de exposição por muitos anos. Além disso, as nações que continuam a testar ocasionalmente armas nucleares na atmosfera aumentam o inventário mundial.

Os principais contribuintes de precipitação para a dose efetiva atualmente são estrôncio-90 (⁹⁰Sr) e césio-137 (¹³⁷Cs), ambos com meia-vida em torno de 30 anos. A dose efetiva anual média de precipitação é de cerca de 0.05 mSv.

Material radioativo no corpo

A deposição de radionuclídeos naturais no corpo humano resulta principalmente da inalação e ingestão desses materiais no ar, alimentos e água. Esses nuclídeos incluem radioisótopos de Pb, Po, Bi, Ra, K (potássio), C, H, U e Th. Destes, ⁴⁰K é o maior contribuinte. Os radionuclídeos de ocorrência natural depositados no corpo contribuem com cerca de 0.3 mSv para a dose efetiva anual.

Radiação produzida por máquina

O uso de raios X nas artes de cura é a maior fonte de exposição à radiação produzida por máquinas. Milhões de sistemas médicos de raios X estão em uso em todo o mundo. A exposição média a esses sistemas médicos de raios X depende muito do acesso da população aos cuidados. Nos países desenvolvidos, a dose efetiva anual média de radiação medicamente prescrita de raios x e material radioativo para diagnóstico e terapia é da ordem de 1 mSv.

Os raios X são um subproduto da maioria dos aceleradores de partículas da física de alta energia, especialmente aqueles que aceleram elétrons e pósitrons. No entanto, proteção adequada e precauções de segurança, além da população limitada em risco, tornam essa fonte de exposição à radiação menos significativa do que as fontes acima.

Radionuclídeos produzidos por máquinas

Aceleradores de partículas podem produzir uma grande variedade de radionuclídeos em quantidades variadas por meio de reações nucleares. Partículas aceleradas incluem prótons, dêuterons (²núcleos H), partículas alfa, mésons carregados, íons pesados ​​e assim por diante. Os materiais-alvo podem ser feitos de quase qualquer isótopo.

Os aceleradores de partículas são praticamente a única fonte de radioisótopos emissores de pósitrons. (Os reatores nucleares tendem a produzir radioisótopos ricos em nêutrons que decaem por emissão de negatron.) Eles também estão sendo cada vez mais usados ​​para produzir isótopos de vida curta para uso médico, especialmente para tomografia por emissão de pósitrons (PET).

Materiais e produtos de consumo tecnologicamente aprimorados

Raios X e materiais radioativos aparecem, desejados e indesejados, em grande número de operações modernas. A Tabela 3 lista essas fontes de radiação.

Tabela 3. Fontes e estimativas de doses efetivas associadas à população de materiais e produtos de consumo aprimorados tecnologicamente

Fonte: NCRP 1987.

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