Interação da radiação com a matéria
8a aula/9ª aula
i - INTRODUÇÃO
ii - IONIZAÇÃO, EXCITAÇÃO, ATIVAÇÃO E
RADIAÇÃO DE FRENAGEM
iii – RADIAÇÕES DIRETAMENTE IONIZANTES
iv – RADIAÇOES INDIRETAMENTE IONIZANTES
i - INTRODUÇÃO
Para que possamos entender as bases da proteção
radiológica, dosimetria e teoria de blindagem das
radiações, é necessário entendemos os mecanismos
pelos quais a radiação interage com a matéria
Sob o ponto de vista físico, as radiações ao interagir
com um material, podem nele provocar excitação
atômica ou molecular, ionização ou ativação do núcleo
ii-IONIZAÇÃO, EXCITAÇÃO, ATIVAÇÃO E
RADIAÇÃO DE FRENAGEM
Excitação Atômica ou molecular:
Interação na qual elétrons são deslocados de seus orbitais de equilíbrio e,ao
retornarem emitem a energia excedente na forma de luz ou raios X
característicos
Ionização:
Interação na qual elétrons são removidos de seus orbitais, resultando
em elétrons livres de alta energia, íons positivos ou radicais livres
quando ocorrem quebras de ligações químicas
Ativação Nuclear:
A interação de radiações com energia superior à a energia de ligação
dos nucleons com um material, pode provocar reações nucleares,
resultando num núcleo residual e emissão de radiação
Radiação de frenagem
As radiações constituídas por partículas carregadas, ao interagir com a
matéria, pode converter parte de sua energia de movimento (5%), em
radiação EM – Raios X
iii – RADIAÇÕES DIRETAMENTE IONIZANTES
Por definição, são aquelas que incluem todas as partículas
carregadas, emitidas durante as transformações nucleares,
transferindo sua energia ao interagir com elétrons orbitais, ou
eventualmente com os núcleos dos átomos do material
A ionização absorve para cada tipo
de material
determinada
quantidadea interação com
Existem 2 processos
importantes
envolvendo
de energia para a formação de um
os elétrons orbitais:
par elétron-ion No ar necessita
gastar (33,85+-0,15)eV na formação
—
excitação atômica ou molecular, com a emissão
deste par
de luz resultante da desexcitação;
—
ionização, que envolve a ejeção de um elétron
orbital, resultando na criação de um par iônico.
As ionizações são a origem dos efeitos que se produzem no meio
atravessado pela radiação:
Stoping Power S:
É a medida da taxa média pela qual as partículas perdem energia em um
dado meio S = dE/dx
dE 4e 4 z 2
S 

NB
dx
m0 v 2
 2m0 v 2

B  Z ln
 ln(1   2 )   2 
I


Alcance, R,de uma partícula no material (range)
O alcance R de uma partícula em um meio absorvedor é definido coma a
penetração neste meio até que sua energia cinética entre em equilíbrio
térmico com as partículas do meio, após um percurso direto ou em zig-zag
Este alcance pode ser: Alcance médio, Rm, quando I/I0 =1/2
Alcance extrapolado, Re, tomado no eixo x, quando a
posição final da partícula não é bem definida
Alcance máximo Rmax corresponde ao maior valor
penetrado dentro de um material
iii.1 PARTÍCULAS α
•Têm energias bem definidas
•são duplamente carregadas
•movem-se com velocidades da
ordem de 0,1 c
•possuem ionização específica
bem alta
•poder de penetração limitado
O alcance pode ser expresso semi-empiricamente:
<R>= 0,318 E3/2
3<E< 7
O alcance ar ou em outro material depende da natureza
da fonte, ja que dela depende a energia das partículas:
Elemento
Meia-vida
Th232
U235
U233
Pu239
1,39 x 1010
7,13 x 108
1,62 x 105
2,41 x 104
Energia (MeV) Alcance no ar
(cm)
4,0
2,5
4,4 e 4,6
2,9 e 3,1
4,8
3,3
5,1
3,6
iii.2 Elétrons
Perdem energia principalmente pelas ionizações que causam no
meio material e em segunda instância, pela radiação de frenagem.
São partículas leves, cuja trajetória é irregular
podendo sofrer retroespalhamento
Alcance para elétrons
iii.3 PARTÍCULAS β
Mecanismo
Interação com
Consequência
Colisão elétrons
ionização
Efeitos sobre o
excitação
meio
transf. térmicas
Bremsstralung núcleos
Raios X
Atenuação de partículas β
I
x
e
I0
A relação entre o alcance (em mg/cm ) e a energia
( MeV), pode ser expressa:
R = 0,54E - 0,133
R = 0,407E1,38
R = 530E - 106
Energia (MeV)
0,1
0,5
1,0
2,0
3,0
E > 0,8 MeV
0,15 MeV < E < 0,8 MeV
1,0 MeV < E < 20 MeV
Alcance no ar
Alcance (m)
0,11
1,5
3,7
8,5
13
Alcance:
iii.4 FRAGMENTOS DE FISSÃO
Fragmentos de fissão são íons carregados de átomos de
número de massa médio, com alta energia cinética,
oriundos da fissão nuclear
• Baixa velocidade (α de 4 MeV)
•Devido à alta carga iônica, a ionização específica dos
fragmentos é alta
• Por terem baixas velocidades, a ionização decresce ao
longo da o trajetória
Alcances dos fragmentos leves de fissão.
Substância
Densidade (103 Kg/m3 )
Alumínio
2,7
Ferro
7,86
Zircônio
6,4
Urânio
18,9
U02 (dióxido de
10,0
Urânio)
Alcance (μim)
13,7
6,6
9,1
6,7
10,0
iv - RADIAÇÕES INDIRETAMENTE
IONIZANTES
Interação de Neutrons
RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS: γ,X
•ABSORÇÃO FOTOELÉTRICA
•ESPALHAMENTO COMPTON
•PRODUÇÃO DE PARES
PROCESSOS INTEGRADOS DE INTERAÇÃO:
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA
Interação com nêutrons
Interagem por colisão direta com o núcleo
Classificação segundo a energia
lentos
0,03 eV < n < 100 eV
intermediários
100 eV < n < 10 eV
rápidos
10 keV < n < 10 keV
alta energia
n > 10 MeV
ou
térmicos
n  0,025 eV
epitérmicos
1 eV <n < 100 keV
rápidos
n > 100 keV
a- ABSORÇÃO FOTOELÉTRICA
•Acontece quando a radiação X, ou γ
transfere sua energia total para um único
elétron orbital ejetando-o do átomo com
velocidade (processo de ionização).
•O processo de troca de energia pela
equação: Ec = h.f - Elig , sendo Ec a energia
cinética, h.f a energia do raio X ou γ
incidente e Elig a energia de ligação do
elétron ao seu orbital Este elétron expelido
do átomo é denominado fotoelétron e
poderá perder a energia recebida do fóton,
produzindo ionização em outros átomos
•A direção de saída do fotoelétron com
relação à de incidência do fóton, varia com a
energia deste.
b- ESPALHAMENTO COMPTON
•Quando a energia da Radiação X ou γ
aumenta, o espalhamento Compton
torna-se mais freqüente que o efeito
fotoelétrico.
•O efeito Compton é a interação de
um raio X ou γ com um elétron
orbital onde parte da energia do raio
X ou γ incidente é transferida como
energia cinética para o elétron e o
restante é cedida para o fóton
espalhado,
levando-se
em
consideração também a energia de
ligação do elétron.
•O fóton espalhado terá uma energia
menor e uma direção diferente da
incidente.
b- PRODUÇÃO DE PARES
•A produção de pares ocorre
somente quando fótons de
energia igual ou superior a 1,02
MeV passam próximos a
núcleos de elevado número
atômico.
h   E  E
h   2  m0  c  K  K
2
•Nesse caso, a radiação X ou γ
interage com o núcleo e
desaparece, dando origem a um
par
elétron-pósitron
com
energia cinética em diferente
proporção.
•O pósitron e o elétron
perderão sua energia cinética
pela ionização e excitação.
A Determinação da Existência do Pósitron
Carl David Anderson, Prêmio Nobel de
1936, “pela descoberta do pósitron”.
Carl David Anderson 1905- 1991
O Fenômeno da Aniquilação de Pares
Um elétron e um pósitron, estando próximos um do
outro, se unem e são aniquilados.
A matéria desaparece e em seu lugar obtemos energia
na forma de radiação (fótons de Raios-).
Quando elétron e pósitron estão em repouso, a conservação
do momento linear prediz que os fótons de Raios- criados devem
sair do processo na mesma direção e em sentidos opostos.
Isto mostra que neste processo são criados sempre, ao
menos dois fótons de Raios-.
Energia do fóton nos processos competitivos
120
100
Produção de
pares
dominante
Efeito fotoelétrico
dominante
80
60
Efeito Compton
dominante
40
20
0,01
0,05 0,1
0,5
1
5
10
Energia do fóton, MeV
50 100
•PROCESSOS INTEGRADOS DE INTERAÇÃO:
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA