He
) de movimento rápido e é parado por uma folha de papel. A radiação Beta (β), constituída por electrões, é interrompida por uma placa de alumínio. A radiação gama (γ), constituída por fótons energéticos, é eventualmente absorvida à medida que penetra num material denso. A radiação de neutrões (n) consiste em neutrões livres que são bloqueados por elementos leves, como o hidrogénio, que os retardam e/ou capturam. Não mostrado: raios cósmicos galácticos que consistem em núcleos energéticos carregados, tais como prótons, núcleos de hélio, e núcleos altamente carregados chamados iões HZE.
câmaras de nuvens são uma das poucas formas de visualizar a radiação ionizante. Foram empregadas principalmente na investigação nos primeiros tempos da física das partículas, mas continuam a ser um importante instrumento de educação nos dias de hoje.
A radiação ionizante é categorizada pela natureza das partículas ou ondas electromagnéticas que criam o efeito ionizante. Estas têm diferentes mecanismos de ionização, e podem ser agrupadas como directa ou indirectamente ionizantes.
Directly ionizingEdit
Any charged particle with mass can ionize atoms directly by fundamental interaction through the Coulomb force if it carries sufficient kinetic energy. Isto inclui núcleos atómicos, electrões, muões, piões carregados, prótons, e núcleos com carga energética despojados dos seus electrões. Quando se movem a velocidades relativistas, estas partículas têm energia cinética suficiente para serem ionizantes, mas não são necessárias velocidades relativistas. Por exemplo, uma partícula alfa típica é ionizante, mas move-se a cerca de 5% c, e um electrão com 33 eV (suficiente para ionizar) move-se a cerca de 1% c.
As duas primeiras fontes ionizantes a serem reconhecidas receberam nomes especiais utilizados hoje em dia: Os núcleos de hélio ejectados dos núcleos atómicos são chamados partículas alfa, e os electrões ejectados normalmente (mas nem sempre) a velocidades relativistas, são chamados partículas beta.
Raios cósmicos naturais são compostos principalmente de prótons relativistas, mas também incluem núcleos atómicos mais pesados como os iões de hélio e os iões HZE. Na atmosfera, tais partículas são frequentemente detidas por moléculas de ar, e isto produz piões carregadas de curta duração, que logo se decompõem em muões, um tipo primário de radiação de raios cósmicos que atinge o solo (e também penetra nele até certo ponto). As piões também podem ser produzidas em grandes quantidades em aceleradores de partículas.
Partículas AlfaEditar
Partículas Alfa consistem em dois prótons e dois neutrões ligados entre si numa partícula idêntica a um núcleo de hélio. As emissões de partículas alfa são geralmente produzidas no processo de decomposição alfa, mas também podem ser produzidas de outras formas. As partículas alfa têm o nome da primeira letra do alfabeto grego, α. O símbolo da partícula alfa é α ou α2+. Por serem idênticas aos núcleos de hélio, também são por vezes escritas como He2+
ou 4
2He2+
indicando um ião hélio com uma carga +2 (faltando os seus dois electrões). Se o ião ganhar electrões do seu ambiente, a partícula alfa pode ser escrita como um átomo de hélio normal (electricamente neutro) 4
2He.
partículas alfa são uma forma extremamente ionizante de radiação de partículas. Quando resultam de decomposição alfa radioactiva, têm baixa profundidade de penetração. Neste caso, podem ser absorvidas por alguns centímetros de ar, ou pela pele. As partículas alfa mais potentes e de longo alcance da fissão ternária são três vezes mais enérgicas, e penetram proporcionalmente mais longe no ar. Os núcleos de hélio que formam 10-12% dos raios cósmicos, são também geralmente de energia muito mais elevada do que os produzidos pelos processos de decadência nuclear, e quando encontrados no espaço, são assim capazes de atravessar o corpo humano e a densa blindagem. Contudo, este tipo de radiação é significativamente atenuado pela atmosfera terrestre, que é um escudo de radiação equivalente a cerca de 10 metros de água.
Partículas BetaEdit
As partículas Beta são electrões de alta energia, de alta velocidade ou pósitrons emitidos por certos tipos de núcleos radioactivos, como o potássio-40. A produção de partículas beta é denominada decadência beta. São designadas pela letra grega beta (β). Existem duas formas de decaimento beta, β- e β+, que respectivamente dão origem ao electrão e ao positron.
Quando se diz que algo tem contaminação radioactiva, significa muitas vezes que há partículas beta a serem emitidas a partir da sua superfície, detectáveis com um contador Geiger ou outro detector de radiação. Quando trazido para a proximidade do emissor beta, o detector indicará um aumento dramático da radioactividade. Quando a sonda do detector é coberta com um escudo para bloquear os raios beta, a indicação será reduzida drasticamente.
Partes beta de alta energia podem produzir raios X conhecidos como bremsstrahlung (“radiação de travagem”) ou electrões secundários (raios delta) à medida que passam através da matéria. Ambos podem causar um efeito de ionização indirecta.
Bremsstrahlung é preocupante quando se protegem os emissores beta, pois a interacção das partículas beta com o material de protecção produz Bremsstrahlung. Este efeito é maior com material de números atómicos elevados, pelo que o material com números atómicos baixos é utilizado para protecção da fonte beta.
Positrões e outros tipos de antimatériaEdit
O positron ou anti-electrão é a antipartícula ou a contraparte de antimatéria do electrão. Quando um positron de baixa energia colide com um electrão de baixa energia, ocorre a aniquilação, resultando na sua conversão em energia de dois ou mais fotões de raios gama (ver aniquilação electrão-positrão).
Positrões podem ser gerados por decaimento nuclear de emissão de positrões (através de interacções fracas), ou por produção de pares a partir de um fotão suficientemente energético. Os pósitrons são fontes artificiais comuns de radiação ionizante utilizadas em tomografias médicas de emissão de pósitrons (PET).
As positrons são partículas positivamente carregadas que também podem ionizar directamente um átomo através de interacções Coulomb.
Nucleos carregadosEdit
Núcleos carregados são característicos dos raios cósmicos galácticos e dos eventos das partículas solares e, à excepção das partículas alfa (núcleos carregados de hélio) não têm fontes naturais na terra. No espaço, contudo, protões de energia muito elevada, núcleos de hélio e iões HZE podem ser inicialmente parados por camadas relativamente finas de protecção, roupa, ou pele. No entanto, a interacção resultante irá gerar radiação secundária e causar efeitos biológicos em cascata. Se apenas um átomo de tecido for deslocado por um protão energético, por exemplo, a colisão causará interacções adicionais no corpo. A isto chama-se “transferência linear de energia” (LET), que utiliza dispersão elástica.
LET pode ser visualizada como uma bola de bilhar a bater noutra da forma de conservação do momento, enviando ambas com a energia da primeira bola dividida entre as duas de forma desigual. Quando um núcleo carregado atinge um núcleo relativamente lento de um objecto no espaço, ocorre LET e os neutrões, partículas alfa, prótons de baixa energia, e outros núcleos serão libertados pelas colisões e contribuirão para a dose total absorvida de tecido.
Indirectly ionizingEdit
Indirect ionizing radiation is electrically neutral and therefore does not interact strong with matter. A maior parte dos efeitos de ionização deve-se a ionizações secundárias.
Um exemplo de radiação indirectamente ionizante é a radiação de neutrões.
Radiação fotónicaEditar
Diferentes tipos de radiação electromagnética
O coeficiente de absorção total de chumbo (número atómico 82) para os raios gama, traçada versus energia gama, e as contribuições dos três efeitos. Aqui, o efeito fotoeléctrico domina a baixa energia. Acima de 5 MeV, a produção de pares começa a dominar.
P>Even embora os fotões sejam electricamente neutros, podem ionizar átomos directamente através do efeito fotoeléctrico e do efeito Compton. Qualquer destas interacções provocará a ejecção de um electrão de um átomo a velocidades relativistas, transformando esse electrão numa partícula beta (partícula beta secundária) que irá ionizar muitos outros átomos. Como a maioria dos átomos afectados são ionizados directamente pelas partículas beta secundárias, os fotões são chamados radiação indirectamente ionizante.
A radiação fotónica é chamada raios gama se produzida por uma reacção nuclear, decaimento de partículas subatómicas, ou decaimento radioactivo dentro do núcleo. Chamam-se raios-x, se produzidos fora do núcleo. O termo genérico fóton é portanto usado para descrever ambos.
raios X normalmente têm uma energia mais baixa do que os raios gama, e uma convenção mais antiga era definir o limite como um comprimento de onda de 10-11 m ou uma energia de fóton de 100 keV. Esse limite era impulsionado por limitações de tubos de raios X mais antigos e baixa consciência das transições isoméricas. As tecnologias e descobertas modernas resultaram numa sobreposição entre as energias de raios X e gama. Em muitos campos são funcionalmente idênticos, diferindo para estudos terrestres apenas na origem da radiação. Na astronomia, contudo, onde a origem da radiação muitas vezes não pode ser determinada de forma fiável, a antiga divisão de energia foi preservada, sendo os raios X definidos como estando entre cerca de 120 eV e 120 keV, e os raios gama como sendo de qualquer energia acima de 100 a 120 keV, independentemente da fonte. Sabe-se que a maioria das “astronomia de raios gama” astronómicas não têm origem em processos radioactivos nucleares, mas resultam de processos como os que produzem raios X astronómicos, excepto movidos por electrões muito mais energéticos.
A absorção fotoeléctrica é o mecanismo dominante nos materiais orgânicos para energias fotónicas inferiores a 100 keV, típico dos clássicos tubos de raios X originados por raios X. Em energias acima de 100 keV, os fotões ionizam a matéria cada vez mais através do efeito Compton, e depois indirectamente através da produção de pares em energias acima de 5 MeV. O diagrama de interacção que o acompanha mostra duas dispersão de Compton a acontecer sequencialmente. Em cada evento de dispersão, o raio gama transfere energia para um electrão, e continua no seu caminho numa direcção diferente e com energia reduzida.
Limite de definição para fotões de baixa energiaEditar
A energia de ionização mais baixa de qualquer elemento é 3,89 eV, para o césio. No entanto, o material da US Federal Communications Commission define radiação ionizante como aquela com uma energia de fotões superior a 10 eV (equivalente a um comprimento de onda ultravioleta distante de 124 nanómetros). Grosso modo, isto corresponde tanto à primeira energia de ionização do oxigénio, como à energia de ionização do hidrogénio, ambas com cerca de 14 eV. Em algumas referências da Agência de Protecção Ambiental, a ionização de uma típica molécula de água com uma energia de 33 eV é referida como o limiar biológico adequado para a radiação ionizante: este valor representa o chamado valor W, o nome coloquial para a energia média da ICRU gasta num gás por par de iões formado, que combina a energia de ionização mais a energia perdida para outros processos, tais como a excitação. A 38 nanómetros de comprimento de onda para radiação electromagnética, 33 eV estão próximos da energia na transição convencional de 10 nm de comprimento de onda entre radiação ultravioleta extrema e radiação de raios X, que ocorre a cerca de 125 eV. Assim, a radiação de raios X é sempre ionizante, mas apenas a radiação ultravioleta extrema pode ser considerada ionizante sob todas as definições.
O efeito biológico da radiação ionizante nas células assemelha-se um pouco ao de um espectro mais amplo de radiação molecularmente prejudicial, que se sobrepõe à radiação ionizante e se estende para além desta, para energias um pouco mais baixas em todas as regiões de UV e por vezes de luz visível em alguns sistemas (tais como os sistemas fotossintéticos em folhas). Embora o ADN seja sempre susceptível a danos por radiação ionizante, a molécula de ADN também pode ser danificada por radiação com energia suficiente para excitar certas ligações moleculares para formar dímeros de pirimidina. Esta energia pode ser menos do que ionizante, mas perto dela. Um bom exemplo é a energia do espectro ultravioleta que começa a cerca de 3,1 eV (400 nm) a um nível de energia próximo do mesmo que pode causar queimaduras solares na pele desprotegida, como resultado de fotorreacções no colagénio e (na gama UV-B) também danos no ADN (por exemplo, dímeros de pirimidina). Assim, o espectro electromagnético ultravioleta médio e inferior é prejudicial aos tecidos biológicos em resultado da excitação electrónica em moléculas que ficam aquém da ionização, mas produzem efeitos não térmicos semelhantes. Em certa medida, a luz visível e também o ultravioleta A (UVA), que está mais próximo das energias visíveis, provou resultar na formação de espécies reactivas de oxigénio na pele, que causam danos indirectos, uma vez que estas são moléculas excitadas electronicamente que podem infligir danos reactivos, embora não causem queimaduras solares (eritema). Tal como os danos por ionização, todos estes efeitos na pele estão para além daqueles produzidos por simples efeitos térmicos.
Interacção por radiação: os raios gama são representados por linhas onduladas, partículas carregadas e neutrões por linhas rectas. Os pequenos círculos mostram onde ocorre a ionização.
NeutronsEdit
Neutrons têm uma carga eléctrica neutra muitas vezes mal compreendida como carga eléctrica zero e, portanto, muitas vezes não causam directamente ionização num único passo ou interacção com a matéria. Contudo, os neutrões rápidos irão interagir com os protões em hidrogénio via LET, e este mecanismo dispersa os núcleos dos materiais na área alvo, causando a ionização directa dos átomos de hidrogénio. Quando os neutrões atingem os núcleos de hidrogénio, resulta uma radiação de prótons (prótons rápidos). Estes prótons são eles próprios ionizantes porque são de alta energia, são carregados, e interagem com os electrões na matéria.
Neutrons que atingem outros núcleos para além do hidrogénio irão transferir menos energia para a outra partícula se a LET ocorrer. Mas, para muitos núcleos atingidos por neutrões, ocorre uma dispersão inelástica. A ocorrência de dispersão elástica ou inelástica depende da velocidade do neutron, seja rápida ou térmica ou algures no meio. Também depende dos núcleos que atinge e da sua secção transversal de neutrões.
Na dispersão inelástica, os neutrões são prontamente absorvidos num tipo de reacção nuclear chamada captura de neutrões e atribui à activação dos neutrões do núcleo. As interacções de neutrões com a maioria dos tipos de matéria desta forma produzem geralmente núcleos radioactivos. O abundante núcleo de oxigénio-16, por exemplo, sofre uma activação de neutrões, decaindo rapidamente através de uma emissão de protões formando o nitrogénio-16, que decai para o oxigénio-16. O decaimento do azoto-16 de curta duração emite um poderoso raio beta. Este processo pode ser escrito como:
16O (n,p) 16N (captura rápida de neutrões possível com >11 MeV neutron)
16N → 16O + β- (Decaimento t1/2 = 7.13 s)
Esta alta energia β- interage rapidamente com outros núcleos, emitindo alta energia γ via Bremsstrahlung
p>Embora não seja uma reacção favorável, a reacção 16O (n,p) 16N é uma importante fonte de raios X emitida a partir da água de arrefecimento de um reactor de água pressurizada e contribui enormemente para a radiação gerada por um reactor nuclear arrefecido a água enquanto em funcionamento.
Para a melhor protecção dos neutrões, são utilizados hidrocarbonetos que têm uma abundância de hidrogénio.
Nos materiais cindíveis, os neutrões secundários podem produzir reacções em cadeia nuclear, causando uma maior quantidade de ionização a partir dos produtos filhos da fissão.
Fora do núcleo, os neutrões livres são instáveis e têm uma vida média de 14 minutos, 42 segundos. Os neutrões livres decompõem-se por emissão de um electrão e de um antineutrino de electrões para se tornarem um protão, um processo conhecido como decaimento beta:
No diagrama adjacente, um neutão colide com um protão do material alvo, e depois transforma-se num protão de recuo rápido que, por sua vez, se torna num protão de recuo. No final do seu trajecto, o neutão é capturado por um núcleo numa reacção (n,γ) que leva à emissão de um fotão de captura de neutrões. Tais fotões têm sempre energia suficiente para se qualificarem como radiação ionizante.