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FSICA APLICADA A RADIOLOGIA I 2/2009

Prof. Jorge Alan

8 Atribuio / Uso no-comercial / No a obras derivadas [email protected] - http://www.centrocapnext.com.br

Aplicao da radiao solar.

UNIDADE I FSICA DAS RADIAES

Na natureza, nada se perde, nada se cria, tudo se transforma. (Lavoisier)

Vamos tentar responder as seguintes questes:

O que radiao? De onde vm? Como interagem com o meio em que se encontram? Como fazemos para detect-las? Como podemos utiliza-las? Como se proteger de seus efeitos?

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

1.1- RADIAO O que a Radiao? possvel que o termo RADIAO, a princpio, parea um pouco estranho. Com certeza, voc j

deve t-la visto associada a acidentes nucleares, usinas nucleares ou mesmo em filmes de guerra. O que ocorre uma confuso de conceitos, ou ainda, tratar-se de um mesmo termo aplicado a coisas diferentes.

O termo IRRADIAR significa lanar de si, emitir, espalhar, projetar. Pode ser aplicado a diversas situaes ou fenmenos diferentes. O Sol irradia luz, calor e ultravioleta.

J RADIAO aquilo que IRRADIADO por alguma coisa. Pode ser aplicado s vrias formas de luz visveis e invisveis ou a feixes de partculas

ATMICAS. Radiao o processo pelo qual uma fonte emite energia que se propaga no espao. Segundo o dicionrio Aurlio: Qualquer dos processos fsicos de emisso e propagao de energia, seja por intermdio de

fenmenos ondulatrios, seja por meio de partculas dotadas de energia cintica ou Energia que se propaga de um ponto a outro no espao vazio ou atravs de um meio material.

O termo radiao se usa tambm para designar a prpria energia emitida. Portanto: Radiao energia em

movimento. Este conceito geral e inclui as

ondas mecnicas (como o ultra-som ou as oscilaes de um maremoto), ondas eletromagnticas ou radiaes nucleares com massa, como veremos mais adiante.


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1.2- ENERGIA O que Energia? O conceito de Energia muitas vezes considerado intuitivo e s pode ser medido (ou

quantificado) quando temos a transformao de um tipo de energia em outro tipo (trabalho). Em fsica, ENERGIA tudo aquilo capaz de realizar trabalho. Como por exemplo, a eletricidade capaz de fazer um motor eltrico funcionar e, portanto

realizar trabalho. Da mesma forma, a energia eletromagntica do Sol pode ser convertida em eletricidade por

meio de uma clula solar ou em calor por meio de aquecedores solares. Uma forma importante de converso da energia do Sol a fotossntese. Neste processo a luz solar

transformada em energia qumica, que por sua vez responsvel pelo crescimento das plantas e de quebra libera oxignio para o ar.

Portanto: Energia a capacidade que possui um corpo de realizar trabalho.

1.3- ONDAS O conceito de onda de fundamental importncia para a compreenso de uma srie de

fenmenos fsicos. Em termos formais, onda o resultado de algum tipo de perturbao que se propaga.

Por exemplo, no mar, as ondas se formam basicamente devido perturbao da gua pela atrao da Lua e da ao dos ventos. Se voc estiver boiando um pouco alm da rebentao, deve ter percebido que seu corpo alternadamente sobe e desce, mas na mdia permanece praticamente no mesmo lugar. O fato de seu corpo subir e descer significa que existe uma energia associada onda (realiza trabalho). Esta energia transportada pela onda, sem, entretanto causar um deslocamento lquido final do meio, no caso, a gua. J no caso da rebentao, outros fatores interferem com a onda, acarretando um movimento efetivo da gua ou de algum objeto flutuante. A brusca frenagem da onda pelo fundo de areia da praia, faz com que parte de cima da onda se projete para frente, literalmente despejando a gua.

Quanto forma, existem basicamente dois tipos de onda: Ondas Mecnicas e Ondas Eletromagnticas.

As ondas mecnicas dependem de um meio material para se propagarem, como as ondas do mar e as ondas sonoras, por exemplo.

As ondas eletromagnticas no dependem de um meio material, pois correspondem propagao de uma perturbao nos campos eltricos e magnticos. Estes campos podem existir independentemente de um meio material.

Os elementos fundamentais de uma onda so: A distncia entre dois picos ou dois vales, ou ainda, dois pontos quaisquer equivalentes da

onda, define o que se chama comprimento de onda, representado normalmente pela letra grega LAMBDA ().

O nmero de ciclos de sobe e desce, por unidade de tempo define a freqncia da onda, medida normalmente em Hertz ou ciclos por segundo e representada normalmente pela letra f. O produto do comprimento de onda pela freqncia da onda fornece a velocidade de propagao da

Comprimento de Onda

Crista

Depresso ou Vale


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onda no meio em questo, isto , a velocidade com que a perturbao se propaga. No caso das ondas eletromagnticas no vcuo, este produto fornece a velocidade da luz, c = 299 793 km/s

Para as ondas eletromagnticas, a energia transportada depende unicamente de sua freqncia ou de seu comprimento de onda, j que ambos esto relacionados pela velocidade da luz que uma constante universal.

A luz se desloca no espao por meio de ondas eletromagnticas, que no necessitam de um meio fsico para serem transportadas, e, portanto diferem dos outros exemplos de ondas encontrados na natureza, como ondas na gua, ondas sonoras, ssmicas, etc.

1.4- O TOMO a menor poro de matria A idia de que a matria formada por partculas muito pequenas e

indivisveis, ou tomos, muito antiga. Demcrito, que viveu quase 400 anos antes de Cristo, j pensava nessas coisas. Ele props um modelo atmico onde os tomos se encaixavam mais ou menos como as peas de um Lego. Mas, a verdadeira estrutura do tomo s foi revelada no incio do sculo XX com o trabalho de Ernest Rutherford.

Obviamente os resultados de Rutherford foram debatidos exaustivamente at que se chegasse a um quadro de consenso. A idia que temos de tomo hoje em dia o resultado dessas discusses. Um tomo possui um ncleo que concentra praticamente toda a sua massa, e retm a carga positiva. O dimetro de um tomo cerca de 100 000 vezes o dimetro do seu ncleo. O ncleo circundado por eltrons (na eletrosfera), que so os portadores de carga negativa. A massa do eltron igual a 9, 10939 1031 kg.

O ncleo composto por dois tipos de partculas: Os prtons, e os nutrons. Os nutrons no possuem carga eltrica e

portanto no interagem eletricamente com os prtons do ncleo, mas exercem um papel fundamental na sua estabilidade. Um prton possui uma carga igual do eltron, mas de sinal contrrio: +1, 6021019 C; sua massa de 1, 672621027 kg, cerca de 1836 vezes maior do que o eltron. A massa do nutron, por sua vez, muito prxima do prton:1, 674821027 kg. O nmero total de prtons no ncleo chamado de nmero atmico, em geral representado pela letra Z.


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ORGANIZAO DOS SERES VIVOS

TOMOS (Carbono, Oxignio, Nitrognio, Hidrognio)

MOLCULAS

(gua, oxignio, carbono, acares, lipdeos, protenas, cidos nuclicos, nucleotdeos, cidos graxos, etc.)

SUBSTNCIAS

ESTRUTURAS SUB-CELULARES (sistemas de membranas, hialoplasma, retculo endoplasmtico, complexo de Golgi,

lisossomos, mitocndrias, cromossomos, ncleo, nuclolo, etc.)

CLULAS (epiteliais, conjuntivas, musculares, nervosas, hepticas, linhagem sangnea, gametas, etc).

TECIDOS

Tecido epitelial (epiderme, derme, tecido glandular); Tecido conjuntivo (cartilaginoso e sseo); Tecido muscular (liso, estriado, cardaco); tecido nervoso , etc.

ORGOS

(crebro, estmago, intestino, pulmo, corao, fgado, rim, pncreas, ovrio, testculo, supra-renais, tireide, etc. )

SISTEMAS

(nervoso, digestivo, respiratrio, circulatrio, excretor, reprodutor)

INDIVDUOS


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1.5- CARGA ELTRICA uma propriedade intrnseca da matria onde se observam os fenmenos de atrao e repulso

entre corpos carregados A carga eltrica de um prton chamada de carga eltrica elementar, sendo representada por e;

no Sistema Internacional, seu valor : e = 1,6 . 10-19 coulomb = 1,6 . 10-19 C

A carga de um eltron negativa mas, em mdulo, igual carga do prton:

Carga do eltron = - e = - 1,6 . 10-19 C

Os nutrons no possuem carga eltrica. Como num tomo o nmero de prtons igual ao nmero de eltrons, a carga eltrica total do tomo nula.

De modo geral os corpos so formados por um grande nmero de tomos. Como a carga de cada tomo nula, a carga eltrica total do corpo tambm ser nula e diremos que o corpo est neutro. No entanto possvel retirar ou acrescentar eltrons de um corpo. Desse modo o corpo estar com um excesso de prtons ou de eltrons; dizemos que o corpo est eletrizado ou ionizado.

1.5.1. Princpio da atrao e repulso Dados dois corpos eletrizados, sendo Q1 e Q2 suas cargas eltricas, observamos que:

1. Se Q1 e Q2 tem o mesmo sinal (Figura 1 e Figura 2), existe entre os corpos um par de foras de repulso.

2. Se Q1 e Q2 tm sinais opostos (Figura 3), existe entre os corpos um par de foras de atrao.

1.6- RADIOATIVIDADE Ncleos atmicos que espontaneamente emitem partculas

ou energia pura (radiao eletromagntica) so chamados radioativos.

A radioatividade um fenmeno natural, mas pode tambm ser produzida em laboratrio. O fenmeno foi descoberto em 1896 pelo francs Henri Becquerel e, em 1934, foi produzido pela primeira vez em laboratrio por Irene Curie e Pierre Joliot, que bombardearam alumnio com partculas alfa emitido pelo polnio, e produziram o istopo de fsforo 30P. Irene e Pierre levaram o Nobel de Qumica de 1935 pelo seu trabalho. Os pais de Irene, Pierre e Marie Curie, j haviam sido agraciados com o Nobel de Fsica de 1903 (com Becquerel), pelo seu trabalho com radioatividade natural.

A radioatividade a liberao de energia por um ncleo excitado.

Esse processo chamado de decaimento radioativo, e pode ocorrer basicamente de trs modos distintos: por emisso alfa, por emisso beta ou por emisso gama. Alfa, beta e gama so nomes dados a tipos de radiao cuja natureza era desconhecida na poca em que foram descobertas.


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Ncleo instvel

(alfa)

Ncleo instvel

- (ngatron)

+ (psitron)

1.7- CLASSIFICAO DAS RADIAES 4.6.1. Forma

A forma caracteriza a maneira como as radiaes se apresentam na Natureza. E podem ser:

a) RADIAES CORPUSCULARES Possuem massa e formam os tomos e os ncleos atmicos; Esta radiao pode ser descrita como energia em movimento a velocidades inferiores da luz. Sua energia depende da velocidade de maneira diretamente proporcional segundo a equao:

Onde: m de massa e v de velocidade; Ec chamada de energia cintica (de movimento); Ex: Eltrons, prtons, nutrons; ons leves e pesados (tomos sem eltrons); Pons, kons, mons; Psitrons, Ngatrons, alfa.

b) RADIAES ELETROMAGNTICAS Voc com certeza sabe ou mesmo ouvir falar que o controle remoto de sua TV ou DVD funcionam

por infravermelho. Tambm j no mais novidade um microcomputador operado por mouse e teclado sem fios, ou seja, por infravermelho.

- Mas afinal de contas o que vem a ser esse tal de infravermelho? - Alguma espcie de raio invisvel? - Exatamente! O Universo que nos rodeia banhado por um imenso "oceano" de luzes, das quais nossos olhos

conseguem captar apenas uma pequenssima frao. Essa pequena frao de radiaes que o olho humano v, chamada de luz visvel ou apenas luz.

Por esta razo, mais conveniente chamarmos ao conjunto de todas as luzes que no vemos de RADIAO ELETROMAGNTICA. O termo luz fica reservado pequena parcela de radiao eletromagntica que conseguimos enxergar.

A radiao eletromagntica uma forma de energia. Sem ela simplesmente no haveria vida na Terra.

Outro aspecto importante da radiao eletromagntica seu carter ondulatrio, isto , a radiao eletromagntica constituda de ondas com componentes eltricos e magnticos.

Portanto as Radiaes Eletromagnticas: No possuem massa;

2

2mvEc


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So ondas com componentes eltricos e magnticos; Nas figuras abaixo, temos uma representao grfica de uma radiao eletromagntica:

Sua velocidade igual da LUZ (c = 3x108m/s); Sua Energia depende do comprimento de onda e de maneira inversamente

proporcional, segundo a equao: Onde: h a constante universal chamada constante de Planck e cujo valor h = 6,63 X 10-34 J.s(Joule x

segundo); c a velocidade da LUZ e o comprimento da onda.

Ao conjunto de todas as radiaes eletromagnticas chamamos de: ESPECTRO ELETROMAGNTICO

Ex: Rdio e TV Microondas Infravermelho (calor) Luz visvel (vermelho ao violeta) Ultravioleta Raios X Raios gama

hcE


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Ncleo Instvel

(Gama)

4.6.2. Origem Representa onde as radiaes nascem. E podem ser:

a) ORIGEM NUCLEAR Possuem origem no NCLEO do tomo instvel. Ex: Radiaes alfas, betas, nutrons e gama. Obs: Estas radiaes so as chamadas RADIOATIVAS, pois so conseqncia do fenmeno da

RADIOATIVIDADE

b) ORIGEM ATMICA Possuem origem na ELETROSFERA atmica devido a transies eletrnicas e/ou colises entre

partculas carregadas Ex: Raios X, Ultravioleta, Luz visvel, calor,...

c) OUTRAS ORIGENS DAS RADIAES CORPUSCULARES Colises atmicas: eltrons, prtons, ons leves e pesados; Transies atmicas: eltrons; Transies nucleares (incluindo fisso):Prtons, nutrons, eltrons (beta), psitrons, alfa, ons leves e pesados

d) OUTRAS ORIGENS DAS RADIAES ELETROMAGNTICAS Acelerao de cargas (+/-); Transies atmicas:luz visvel, radiao ultravioleta, raios X; Transies nucleares (incluindo fisso): raios gama; Aniquilao partcula/anti-partcula: raios gama.


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Prof. Leoberto Lopes Brabo


4.6.3. Interao da Radiao com a matria Esta classificao caracteriza a maneira como as radiaes se relacionam com o meio. E podem ser:

a) RADIAES IONIZANTES So aquelas radiaes que produzem ons na matria com a qual interagem. Ex: Raios Gama, RAIOS X, Ultravioleta, Radiaes alfas, betas e de nutrons.

b) RADIAES NO-IONIZANTES Estas radiaes apenas depositam suas energias no meio, normalmente causando uma excitao

atmico-molecular. Ex: Todas as demais radiaes do espectro eletromagntico.

Radiaes em Celulares

Tem havido recentemente especulaes de que o uso de telefones celulares possa estimular o crescimento de tumores cerebrais na regio da cabea prxima antena.

(Fischetti, M., The Cellular Phone Scare, IEEE Spectrum, 43-47 June 1993) Comprovaes recentes atestam transformaes de clulas quando imersas em um intenso campo

eletromagntico. Essas transformaes podem evoluir a ponto de causar degeneraes, tornando-se possveis focos de leucemia e cncer.

Embora invisveis, as radiaes fazem parte do nosso cotidiano, estamos mergulhados num campo imenso, repleto de ondas vindas de todos os cantos, no s do planeta mas tambm do Universo. O problema, ou seja, o risco para o ser humano, justamente a intensidade dessas radiaes, e lembrando a lei que rege a relao entre energia e distncia, (energia proporcional ao inverso do quadrado da distncia), veremos que no celular, apesar da baixa potncia envolvida, a proximidade da antena faz com que um lado da cabea receba diretamente essas radiaes, expondo o usurio a um risco imprevisto. Basta lembrar que o processo de cozimento dos alimentos nos fornos de microondas se baseia nestas radiaes, se bem que de muito maior intensidade, mas ningum pode prever as conseqncias de uma prolongada exposio a esse campo eletromagntico. Est comprovado que, aps 10 minutos de uso do celular, a temperatura craniana sobe de 2 a 3 graus centgrados.

As termos-fotografia abaixo mostram a temperatura da cabea sem e com o uso de um telefone celular.

A maneira mais eficiente de se proteger dessas radiaes dos telefones celulares , sem dvida, a

instalao, quando possvel, de uma antena externa. Ao transferir toda a potncia de transmisso para

Interao




essa antena,estrategicamente localizada longe do aparelho, alm de propiciar uma comunicao de muito melhor qualidade, estaremos poupando o usurio de radiaes que podem ser perigosas.

Alm dessa soluo, existe ainda a possibilidade de se usar protetores contra radiao fixa ao aparelho, que so dispositivos cermicos absorvedores de ondas eletromagnticas.

H um mtodo, desenvolvido pelo cientista japons Y. Omura e denominado "Bi-digital O-Ring test", que capaz de mostrar uma diminuio considervel (no mnimo 70 %) dos efeitos nocivos ao homem quando da instalao de uma antena externa no aparelho celular, e que tambm demonstra a proteo exercida pelos absorvedores.

Conhea o protetor WaveShield que bloqueia at 97% das radiaes. Links teis:

USA - FCC - Information on Human Exposure to Radiofrequency Fields from Cellular and PCS Radio Transmitters

Austrlia: Mobile Telephone Communication Antennas: Are They a Health Hazard? Nova Zelndia - The Electromagnetic Radiation Health Threat Medical College of Wisconsin - Cellular Phone Antennas and Human Health

Medio da taxa de transferncia de

energia e dose absorvida




1.8- APLICAES DAS RADIAES

Radiografia

Mamgrafo

Ultra-som

Medicina Nuclear

Densitmetro

Cintilgrafo




Angiografia

Radioterapia

Tomgrafo




Fonte radioativa

para rea industrial

Radiologia

industrial

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