O que é blindagem de radiação ionizante – Definição

Bloquear radiação ionizante significa simplesmente ter algum material entre a fonte de radiação e você (ou algum dispositivo) que absorverá a radiação. Dosimetria de Radiação
A proteção contra radiação é a ciência e prática de proteger as pessoas e o meio ambiente dos efeitos nocivos da radiação ionizante. É um tópico sério, não apenas nas usinas nucleares , mas também na indústria ou nos centros médicos. Na proteção contra radiação, existem três maneiras de proteger as pessoas das fontes de radiação identificadas:

  • Limitando o tempo. A quantidade de exposição à radiação depende diretamente (linearmente) do tempo que as pessoas passam perto da fonte de radiação. A dose pode ser reduzida limitando o tempo de exposição .
  • Distância. A quantidade de exposição à radiação depende da distância da fonte de radiação. Da mesma forma que o calor do fogo, se você estiver muito próximo, a intensidade da radiação térmica é alta e você pode se queimar. Se você estiver na distância certa, você pode suportar sem problemas e, além disso, é confortável. Se você estiver muito longe da fonte de calor, a insuficiência de calor também poderá prejudicá-lo. Essa analogia, em certo sentido, pode ser aplicada à radiação também de fontes de radiação.
  • Blindagem. Finalmente, se a fonte for muito intensa e o tempo ou a distância não fornecerem proteção suficiente contra radiação, a blindagem deve ser usada. A proteção contra radiação geralmente consiste em barreiras de chumbo, concreto ou água. Existem muitos materiais que podem ser usados ​​para proteção contra radiação, mas existem muitas situações na proteção contra radiação. Depende muito do tipo de radiação a ser protegida, de sua energia e de muitos outros parâmetros. Por exemplo, até o urânio empobrecido pode ser usado como uma boa proteção contra a radiação gama, mas, por outro lado, o urânio é uma blindagem absolutamente inadequada da radiação de nêutrons .
pronciples de proteção contra radiação - tempo, distância, blindagem
Princípios de proteção contra radiação – tempo, distância e blindagem
A proteção contra radiação significa simplesmente ter algum material entre a fonte de radiação e você (ou algum dispositivo) que absorverá a radiação . A quantidade de blindagem necessária, o tipo ou material de blindagem depende fortemente de vários fatores. Não estamos falando de nenhuma otimização.De fato, em alguns casos, uma blindagem inadequada pode até piorar a situação da radiação em vez de proteger as pessoas da radiação ionizante. Os fatores básicos que devem ser considerados durante a proposta de proteção contra radiação são:

  • Tipo de radiação ionizante a ser protegida
  • Espectro de energia da radiação ionizante
  • Duração da exposição
  • Distância da fonte da radiação ionizante
  • Requisitos de atenuação da radiação ionizante – princípios ALARA ou ALARP
  • Grau de liberdade do projeto
  • Outros requisitos físicos (por exemplo, transparência no caso de telas de vidro com chumbo)

Veja também: Interação da radiação com a matéria

Veja também: Calculadora Rad Pro

Blindagem de radiação ionizante

Blindagem de radiação em usinas nucleares

Geralmente na indústria nuclear, a proteção contra radiação tem muitos propósitos. Nas usinas nucleares, o principal objetivo é reduzir a exposição à radiação para pessoas e funcionários nas proximidades de fontes de radiação. Nas centrais nucleares, a principal fonte de radiação é conclusivamente o reator nuclear e seu núcleo . Os reatores nucleares são geralmente fontes poderosas de todo o espectro de tipos de radiação ionizante . A blindagem usada para esse fim é chamada de blindagem biológica .

Mas esse não é o único objetivo da proteção contra radiação. Os escudos também são usados ​​em alguns reatores para reduzir a intensidade dos raios gama ou nêutrons incidentes no vaso do reator. Essa blindagem contra radiação protege o vaso do reator e suas partes internas (por exemplo, o barril de suporte do núcleo ) do aquecimento excessivo devido à rápida absorção de raios gama pela moderação de nêutrons . Tais escudos são geralmente chamados de  escudos térmicos .

Veja também: Refletor de nêutrons

Um pouco de proteção de radiação estranha é geralmente usado para proteger o material do vaso de pressão do reator (especialmente em  usinas de energia PWR ). Os materiais estruturais dos vasos de pressão e internos do reator são danificados especialmente por nêutrons rápidos . Nêutrons rápidos criam defeitos estruturais, que resultam em fragilização do material do vaso de pressão . Para minimizar o fluxo de nêutrons na parede do vaso, também é possível modificar a estratégia de carregamento do núcleo. Na estratégia de carregamento de entrada de combustível, novos conjuntos de combustível são colocados na periferia do núcleo. Essa configuração causa alta fluência de nêutrons na parede do vaso. Portanto, a estratégia de carregamento de combustível “in-out” (com padrões de carregamento de baixo vazamento – L3P) foi adotado em muitas usinas nucleares. Ao contrário da estratégia de saída, os núcleos de baixo vazamento têm conjuntos de combustível novo na segunda linha, não na periferia do núcleo. A periferia contém combustível com maior consumo de combustível e menor poder relativo e serve como um escudo de radiação muito sofisticado.

Nas usinas nucleares, o problema central é se proteger contra raios gama e nêutrons , porque os intervalos de partículas carregadas (como partículas beta e partículas alfa) na matéria são muito curtos. Por outro lado, devemos lidar com a proteção de todos os tipos de radiação, porque cada reator nuclear é uma fonte significativa de todos os tipos de radiação ionizante.

Blindagem da radiação alfa
Blindagem de radiação beta
Blindagem de pósitrons
Blindagem de radiação gama
Blindagem da radiação de nêutrons

Cálculo da taxa de dose protegida em sieverts a partir de superfície contaminada

Suponha uma superfície que esteja contaminada por 1,0 Ci de 137 Cs Suponha que esse contaminante possa ser aproximado pela fonte isotrópica pontual que contém 1,0 Ci de 137 Cs , que tem uma meia-vida de 30,2 anos . Observe que a relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada abaixo. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ, que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

Curie - Unidade de Atividade

Cerca de 94,6% decai por emissão beta em um isômero nuclear metaestável de bário: bário-137m. O pico principal de fótons de Ba-137m é 662 keV . Para esse cálculo, suponha que todos os decaimentos passem por esse canal.

Calcule a taxa de dose primária do fóton , em sieverts por hora (Sv.h -1 ), na superfície externa de uma blindagem de chumbo com 5 cm de espessura. Em seguida, calcule as taxas de dose equivalentes e efetivas para dois casos.

  1. Suponha que esse campo de radiação externa penetre uniformemente por todo o corpo. Isso significa: Calcule a taxa efetiva de dose para todo o corpo .
  2. Suponha que esse campo de radiação externa penetre apenas os pulmões e os outros órgãos estejam completamente protegidos. Isso significa: Calcule a taxa de dose efetiva .

Observe que a taxa de dose primária de fótons negligencia todas as partículas secundárias. Suponha que a distância efetiva da fonte do ponto de dose seja 10 cm . Também devemos assumir que o ponto de dose é um tecido mole, que pode ser razoavelmente simulado pela água e usamos o coeficiente de absorção de energia em massa da água.

Veja também: Atenuação de raios gama

Veja também: Blindagem de raios gama

Solução:

A taxa de dose primária de fótons é atenuada exponencialmente , e a taxa de dose de fótons primários, levando em consideração o escudo, é dada por:

cálculo da taxa de dose

Como pode ser visto, não consideramos o acúmulo de radiação secundária. Se partículas secundárias forem produzidas ou se a radiação primária mudar sua energia ou direção, a atenuação efetiva será muito menor. Essa suposição geralmente subestima a taxa de dose verdadeira, especialmente para blindagens espessas e quando o ponto de dose está próximo à superfície da blindagem, mas essa suposição simplifica todos os cálculos. Nesse caso, a taxa real de dose (com o acúmulo de radiação secundária) será mais de duas vezes maior.

Para calcular a taxa de dose absorvida , precisamos usar a fórmula:

  • k = 5,76 x 10 -7
  • S = 3,7 x 10 10 s -1
  • E = 0,662 MeV
  • μ t / ρ = 0,0326 cm 2 / g (os valores estão disponíveis no NIST)
  • μ = 1,289 cm -1 (os valores estão disponíveis no NIST)
  • D = 5 cm
  • r = 10 cm

Resultado:

A taxa de dose absorvida resultante em cinza por hora é então:

taxa de dose absorvida - cinza - cálculo

1) irradiação uniforme

Como o fator de ponderação da radiação para raios gama é igual a um e assumimos o campo de radiação uniforme (o fator de ponderação do tecido também é igual à unidade), podemos calcular diretamente a taxa de dose equivalente e a taxa de dose efetiva (E = H T ) a partir da taxa de dose absorvida, como:

cálculo - dose efetiva - uniforme

2) irradiação parcial

Neste caso, assumimos uma irradiação parcial apenas dos pulmões. Assim, temos que utilizar o factor de ponderação de tecido , o que é igual a T = 0,12 . O fator de ponderação da radiação para raios gama é igual a um. Como resultado, podemos calcular a taxa de dose efetiva como:

cálculo - dose efetiva - não uniforme

Observe que, se uma parte do corpo (por exemplo, os pulmões) recebe uma dose de radiação, isso representa um risco para um efeito particularmente prejudicial (por exemplo, câncer de pulmão). Se a mesma dose é administrada a outro órgão, isso representa um fator de risco diferente.

Se queremos dar conta do acúmulo de radiação secundária, precisamos incluir o fator de acúmulo. A fórmula estendida para a taxa de dose é então:

taxa de dose absorvida - cinza

Fatores de acúmulo para blindagem de raios gama

fator de acumulação é um fator de correção que considera a influência da radiação dispersa mais quaisquer partículas secundárias no meio durante os cálculos de blindagem. Se queremos dar conta do acúmulo de radiação secundária, precisamos incluir o fator de acúmulo . O fator de acumulação é então um fator multiplicativo que responde pela resposta aos fótons não colididos, de modo a incluir a contribuição dos fótons dispersos. Assim, o fator de acumulação pode ser obtido como uma razão entre a dose total e a resposta para a dose não coletada.

fórmula estendida para o cálculo da taxa de dose é:

Fator de Acúmulo

O padrão ANSI / ANS-6.4.3-1991 de coeficientes de atenuação de raios gama e fatores de acúmulo para materiais de engenharia contém coeficientes de atenuação de raios gama derivados e fatores de acúmulo para materiais e elementos de engenharia selecionados para uso em cálculos de blindagem (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é Antineutrino – Definição

Antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos. O antineutrino é uma partícula subatômica elementar com massa infinitesimal e sem carga elétrica. Dosimetria de Radiação
Antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos . O antineutrino é uma partícula subatômica elementar com massa infinitesimal (menor que 0,3eV ..?) E sem carga elétrica. Neutrinos e antineutrinos pertencem à família dos leptões , o que significa que eles não interagem por força nuclear forte. Os neutrinos são partículas subatômicas gravitacionais e com fraca interação com ½ unidade de rotação. Também os antineutrinos (como neutrinos) são partículas subatômicas muito penetrantes, capazes de passar pela Terra sem nenhuma interação. Atualmente (2015), não está resolvido se o neutrino e sua antipartícula não são partículas idênticas.Os antineutrinos são produzidos no decaimento beta negativo . Em um reator nuclear ocorre especialmente o β  decadência, porque a característica comum dos produtos de fissão é um excesso de nêutrons (veja Estabilidade Nuclear ). Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β  decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino . Portanto, cada reator nuclear é uma fonte muito poderosa de antineutrinos e pesquisadores de todo o mundo investigam as possibilidades de uso de antineutrinos para o monitoramento de reatores.

Por outro lado, a fonte mais poderosa de neutrinos no sistema solar é sem dúvida o próprio Sol. Bilhões de neutrinos solares por segundo passam (principalmente sem interação) por cada centímetro quadrado (~ 6 x 10 10 cm -2 s -1 ) na superfície da Terra. No Sol, os neutrinos são produzidos após a reação de fusão de dois prótons durante o decaimento beta positivo do núcleo de hélio-2.

_ {2} ^ {2} textrm {Ele} alinha para a direita _ {1} ^ {2} textrm {H} + beta ^ {+} + nu _ {{e}}

Detecção de antineutrinos

Como os neutrinos não ionizam a  matéria, eles não podem ser detectados diretamente. A detecção de antineutrinos (Prêmio Nobel de 1995 por Frederick Reines e Clyde Cowan) é baseada na reação:

Essa interação é simétrica ao decaimento beta do nêutron livre ; portanto, às vezes é chamada de decaimento beta inverso . Todos os métodos de detecção exigem que os neutrinos transportem um limiar mínimo de energia de 1,8 MeV . Somente antineutrinos com energia acima do limiar de 1,8 MeV podem causar interações com os prótons na água, produzindo pósitrons e nêutrons .

Reator nuclear como fonte de antineutrinos

Os reatores nucleares são a principal fonte de antineutrinos gerados pelo homem. Isso se deve ao fato de que os antineutrinos são produzidos em uma deterioração beta negativa . Num reactor nuclear ocorre especialmente o β  decaimento, porque a característica comum dos fragmentos de fissão é um excesso de neutrões (ver Estabilidade Nuclear ). Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β  decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino . A existência de emissão de antineutrinos e sua seção transversal muito baixa para qualquer interação leva a um fenômeno muito interessante. Aproximadamentecerca de 5% (ou cerca de 12 MeV de 207 MeV) da energia liberada por uma fissão é irradiada para longe do reator na forma de antineutrinos. Para um reator nuclear típico com uma potência térmica de 3000 MW th (~ 1000MW e de energia elétrica), a potência total produzida é de fato maior, aproximadamente 3150 MW, dos quais 150 MW são irradiados para o espaço como radiação antineutrina. Essa quantidade de energia é perdida para sempre, pois os antineutrinos são capazes de penetrar em todos os materiais do reator sem nenhuma interação. De fato, uma afirmação comum nos textos de física é que o caminho livre médio de um neutrino é aproximadamente um ano-luz de chumbo. Além disso, um neutrino de energia moderada pode penetrar facilmente mil anos-luz de chumbo (de acordo com JB Griffiths ).

Observe que bilhões de neutrinos solares por segundo passam (principalmente sem interação) por cada centímetro quadrado (~ 6 × 10 10 ) na superfície da Terra e a radiação antineutrina não é de modo algum perigosa.

Exemplo – Quantidade de antineutrinos produzidos:

Núcleos estáveis com o número de massa mais provável A da fissão U-235 são_ {40} ^ {94} textrm {Zr} e _ {58} ^ {140} textrm {Ce}. Esses núcleos possuem juntos 98 prótons e 136 nêutrons , enquanto os fragmentos de fissão ( núcleos pais ) possuem juntos 92 prótons e 142 nêutrons . Isto significa que após cada fissão U-235, os fragmentos de fissão devem sofrer, em média, 6 decaimentos beta negativos ( 6 nêutrons devem decair para 6 prótons ) e, portanto, 6 antineutrinos devem ser produzidos por cada fissão . Portanto, o reator nuclear típico produz aproximadamente 6 x 10 20 antineutrinos por segundo (~ 200 MeV / fissão; ~ 6 antineutrinos / fissão; 3000 MW th ; 9.375 x 10 19 fissões / s).

Referência: Griffiths, David, Introdução às Partículas Elementares, Wiley, 1987.

decaimento beta
Decaimento beta do núcleo C-14.
Evento Neutrino
Fonte: wikipedia.org
Detector de antineutrinos
O interior de um detector de antineutrino cilíndrico antes de ser preenchido com um cintilador líquido claro, que revela interações antineutrino pelos muito fracos lampejos de luz que emitem. Tubos fotomultiplicadores sensíveis revestem as paredes do detector, prontos para amplificar e registrar os flashes indicadores.
Foto: Roy Kaltschmidt, LBNL
Fonte: Experiência de neutrinos do reator Daya Bay
detecção de antineutrinos
Fonte: Slides – Dr. Blucher, Instituto Enrico Fermi
Energia da fissão de urânio
Energia da fissão de urânio
Rendimento do fragmento de fissão
Rendimento do fragmento de fissão para diferentes núcleos. As massas de fragmentos mais prováveis ​​são em torno das massas 95 (Krypton) e 137 (Bário).

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O que é constante de decaimento – Definição

A constante de decaimento determina a taxa de decaimento. A constante de decaimento é indicada por λ, “lambda”. Essa probabilidade constante pode variar muito entre os diferentes tipos de núcleos, levando a muitas taxas diferentes de decaimento observadas.

curva de decaimento radioativo - plot

lei de decaimento radioativo afirma que a probabilidade por unidade de tempo que um núcleo decairá é uma constante, independente do tempo. Essa constante é chamada constante de decaimento e é denotada por λ, “lambda”. Essa probabilidade constante pode variar muito entre os diferentes tipos de núcleos, levando a muitas taxas diferentes de decaimento observadas. O decaimento radioativo de certo número de átomos (massa) é exponencial no tempo.

Lei de decaimento radioativo: N = Ne- λt

A taxa de decaimento nuclear também é medida em termos de meia-vida . A meia-vida é a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante. As meias-vidas variam de milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos a bilhões de anos para materiais de longa duração (como o urânio que ocorre naturalmente). Notar quemeia-vida curta acompanha grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo (no momento da produção), mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente. Não importa quanto tempo a meia-vida seja curta ou curta, depois que sete meias-vidas tiverem passado, resta menos de 1% da atividade inicial.

A lei de decaimento radioativo também pode ser derivada para cálculos de atividade ou massa de cálculos de material radioativo:

(Número de núcleos) N = Ne -λt     (Atividade) A = Ae -λt      (Massa) m = me -λt

, onde N (número de partículas) é o número total de partículas na amostra, A (atividade total) é o número de decaimentos por unidade de tempo de uma amostra radioativa, m é a massa do material radioativo restante.

Tabela de exemplos de meias-vidas e constantes de deterioração.
Tabela de exemplos de meias-vidas e constantes de deterioração. Observe que as meias-vidas curtas seguem grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo, mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente.

Decaimento constante e meia-vida

Nos cálculos de radioatividade, um dos dois parâmetros ( constante de decaimento ou meia-vida ), que caracterizam a taxa de decaimento, deve ser conhecido. Existe uma relação entre a meia-vida (t 1/2 ) e a constante de decaimento λ. O relacionamento pode ser derivado da lei de decaimento, definindo N = ½ N o . Isto dá:

onde ln 2 (o logaritmo natural de 2) é igual a 0,693. Se a constante de decaimento (λ) for dada, é fácil calcular a meia-vida e vice-versa.

Constante de decaimento e radioatividade

A relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada na figura. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ , que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

Curie - Unidade de Atividade

Radioatividade - CurieA figura a seguir ilustra a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade. É óbvio que quanto maior a meia-vida, maior a quantidade de radionuclídeo necessária para produzir a mesma atividade. Evidentemente, a substância de vida mais longa permanecerá radioativa por muito mais tempo. Como pode ser visto, a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade pode variar de uma quantidade muito pequena para ser vista (0,00088 grama de cobalto-60), através de 1 grama de rádio-226, a quase três toneladas de urânio-238 .

radioatividade - meias-vidas - constantes de deterioração

Exemplo – Cálculo de Radioatividade

Iodo 131 - esquema de decaimentoUma amostra de material contém 1 micrograma de iodo-131. Observe que o iodo-131 desempenha um papel importante como isótopo radioativo presente nos produtos de fissão nuclear e é um dos principais contribuintes para os riscos à saúde quando liberado na atmosfera durante um acidente. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias.

Calcular:

  1. O número de átomos de iodo-131 inicialmente presentes.
  2. A atividade do iodo-131 nos curies.
  3. O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias.
  4. O tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi.

Solução:

  1. O número de átomos de iodo-131 pode ser determinado usando a massa isotópica como abaixo.

-131 = m I-131 . N A / H I-131

NI -131 = (1 μg) x (6,02 × 10 23 núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

NI -131 = 4,6 x 10 15 núcleos

  1. A atividade do iodo-131 em curies pode ser determinada usando sua constante de decaimento :

O iodo-131 tem meia-vida de 8,02 dias (692928 seg) e, portanto, sua constante de decaimento é:

Usando esse valor para a constante de decaimento, podemos determinar a atividade da amostra:

3) e 4) O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias (N 50d ) e o tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi podem ser calculados usando a lei de decaimento:

Como pode ser visto, após 50 dias o número de átomos de iodo-131 e, portanto, a atividade será cerca de 75 vezes menor. Após 82 dias, a atividade será aproximadamente 1200 vezes menor. Portanto, o tempo de dez meias-vidas (fator 2 10 = 1024) é amplamente utilizado para definir a atividade residual.

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O que é blindagem de radiação gama – Definição

A blindagem eficaz da radiação gama é baseada no uso de materiais de alta densidade e alto Z. Também água e urânio empobrecido podem ser usados ​​como proteção contra raios gama. Dosimetria de Radiação

Princípios básicos de proteção contra radiação

Na proteção contra radiação, existem três maneiras de proteger as pessoas das fontes de radiação identificadas:

  • Limitando o tempo. A quantidade de exposição à radiação depende diretamente (linearmente) do tempo que as pessoas passam perto da fonte de radiação. A dose pode ser reduzida limitando o tempo de exposição .
  • Distância. A quantidade de exposição à radiação depende da distância da fonte de radiação. Da mesma forma que o calor do fogo, se você estiver muito próximo, a intensidade da radiação térmica é alta e você pode se queimar. Se você estiver na distância certa, você pode suportar sem problemas e, além disso, é confortável. Se você estiver muito longe da fonte de calor, a insuficiência de calor também poderá prejudicá-lo. Essa analogia, em certo sentido, pode ser aplicada à radiação também de fontes de radiação.
  • Blindagem. Finalmente, se a fonte for muito intensa e o tempo ou a distância não fornecerem proteção suficiente contra radiação, a blindagem deve ser usada. A proteção contra radiação geralmente consiste em barreiras de chumbo, concreto ou água. Existem muitos materiais que podem ser usados ​​para proteção contra radiação, mas existem muitas situações na proteção contra radiação. Depende muito do tipo de radiação a ser protegida, de sua energia e de muitos outros parâmetros. Por exemplo, até o urânio empobrecido pode ser usado como uma boa proteção contra a radiação gama, mas, por outro lado, o urânio é uma blindagem absolutamente inadequada da radiação de nêutrons .
pronciples de proteção contra radiação - tempo, distância, blindagem
Princípios de proteção contra radiação – tempo, distância e blindagem

Características dos Raios Gama / Radiação

Os principais recursos dos raios gama estão resumidos nos seguintes pontos:

  • Os raios gama são fótons de alta energia (cerca de 10.000 vezes mais energia que os fótons visíveis), os mesmos fótons que os fótons que formam a faixa visível do espectro eletromagnético – a luz.
  • Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
  • Os raios gama ionizam a matéria principalmente via ionização indireta .
  • Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
  • Os raios gama viajam na velocidade da luz e podem viajar milhares de metros no ar antes de gastar sua energia.
  • Como a radiação gama é uma matéria muito penetrante, ela deve ser protegida por materiais muito densos, como chumbo ou urânio.
  • A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .
  • Os raios gama frequentemente acompanham a emissão de radiação alfa e beta .
Comparação de partículas em uma câmara de nuvens.  Fonte: wikipedia.org
Comparação de partículas em uma câmara de nuvens. Fonte: wikipedia.org
Coeficientes de atenuação.
Total de seções transversais de fótons.
Fonte: Wikimedia Commons

Blindagem de radiação gama

Em resumo, a blindagem eficaz da radiação gama baseia-se na maioria dos casos no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

  • alta densidade de material.
  • alto número atômico de material (materiais com alto Z)

No entanto, materiais de baixa densidade e materiais de baixo Z podem ser compensados ​​com espessura aumentada, o que é tão significativo quanto a densidade e o número atômico em aplicações de blindagem.

Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo gama. A principal vantagem da blindagem de chumbo está na sua compacidade devido à sua maior densidade. Por outro lado, o  urânio empobrecido é muito mais eficaz devido ao seu maior Z. O urânio empobrecido é usado para blindagem em fontes portáteis de raios gama.

Em usinas nucleares, a  blindagem de um núcleo de reator pode ser fornecida por materiais do vaso de pressão do reator, internos do reator ( refletor de nêutrons ). Também o concreto pesado é geralmente usado para proteger os nêutrons e a radiação gama.

Embora a água não seja de alta densidade nem de material com alto teor de Z, é comumente usada como escudos gama. A água fornece uma proteção contra radiação dos conjuntos de combustível em um pool de combustível irradiado durante o armazenamento ou durante o transporte de e para o núcleo do reator .

Em geral, a proteção contra radiação gama é mais complexa e difícil do que a proteção contra radiação alfa ou beta . Para entender de maneira abrangente como um raio gama perde sua energia inicial, como pode ser atenuado e como pode ser protegido, precisamos ter um conhecimento detalhado dos mecanismos de interação.

Veja também mais teoria: Interação da radiação gama com a matéria

Veja também calculadora: Atividade gama para taxa de dose (com / sem proteção)

Consulte também XCOM – seção transversal do fóton DB: XCOM: banco de dados de seções transversais do fóton

Atenuação de raios gama

A seção transversal total da interação de raios gama com um átomo é igual à soma das três seções parciais mencionadas: σ = σ f + σ C + σ 

  • σ f – Efeito fotoelétrico
  • σ C – espalhamento de Compton
  • σ p – Produção em pares

Dependendo da energia dos raios gama e do material absorvedor, uma das três seções parciais pode se tornar muito maior que as outras duas. Em pequenos valores de energia de raios gama, o efeito fotoelétrico domina. A dispersão de Compton domina em energias intermediárias. A dispersão de comptons também aumenta com a diminuição do número atômico de matéria; portanto, o intervalo de dominação é maior para os núcleos leves. Finalmente, a produção de pares elétron-pósitron domina com altas energias.

Com base na definição de seção transversal de interação, pode-se derivar a dependência da intensidade dos raios gama na espessura do material absorvente. Se os raios gama monoenergéticos forem colimados em um feixe estreito e se o detector atrás do material detectar apenas os raios gama que passaram por esse material sem nenhum tipo de interação com esse material, a dependência deverá ser uma atenuação exponencial simples dos raios gama . Cada uma dessas interações remove o fóton do feixe por absorção ou dispersão na direção do detector. Portanto, as interações podem ser caracterizadas por uma probabilidade fixa de ocorrência por unidade de comprimento do caminho no absorvedor. A soma dessas probabilidades é chamada decoeficiente de atenuação linear :

μ = τ (fotoelétrico) + σ (Compton) + κ (par)

Atenuação de raios gama
A importância relativa de vários processos de interação da radiação gama com a matéria.

Coeficiente de atenuação linear

A atenuação da radiação gama pode ser descrita pela seguinte equação.

I = I 0 .e -μx

, onde I é a intensidade após a atenuação, I o é a intensidade do incidente, μ é o coeficiente de atenuação linear (cm -1 ) e a espessura física do absorvedor (cm).

Atenuação
Dependência da intensidade da radiação gama na espessura do absorvedor

Os materiais listados na tabela ao lado são ar, água e elementos diferentes do carbono ( Z = 6) ao chumbo ( Z = 82) e seus coeficientes de atenuação linear são dados para três energias de raios gama. Existem duas características principais do coeficiente de atenuação linear:

  • O coeficiente de atenuação linear aumenta à medida que o número atômico do absorvedor aumenta.
  • O coeficiente de atenuação linear para todos os materiais diminui com a energia dos raios gama.

Camada de metade do valor

A camada de meio valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois . Existem duas características principais da camada de meio valor:

  • camada de metade do valor diminui à medida que o número atômico do absorvedor aumenta. Por exemplo, são necessários 35 m de ar para reduzir a intensidade de um feixe de raios gama de 100 keV por um fator de dois, enquanto apenas 0,12 mm de chumbo podem fazer a mesma coisa.
  • camada de metade do valor para todos os materiais aumenta com a energia dos raios gama. Por exemplo, de 0,26 cm para ferro a 100 keV a cerca de 1,06 cm a 500 keV.

Exemplo:

De quanto água você precisa, se você deseja reduzir a intensidade de um feixe de raios gama monoenergético de 500 keV ( feixe estreito ) para 1% de sua intensidade incidente? A camada de meio valor para raios gama de 500 keV na água é de 7,15 cm e o coeficiente de atenuação linear para raios gama de 500 keV na água é de 0,097 cm -1 . A questão é bastante simples e pode ser descrita pela seguinte equação:I (x) = frac {I_ {0}} {100}, ;;  quando;  x =?Se a camada de meio valor para a água for 7,15 cm, o coeficiente de atenuação linear é:mu = frac {ln2} {7,15} = 0,097cm ^ {- 1}Agora podemos usar a equação de atenuação exponencial:I (x) = I_0; exp; (- mu x)frac {I_0} {100} = I_0; exp; (- 0,097 x)Portantofrac {1} {100} =; exp; (- 0,097 x)lnfrac {1} {100} = - ln; 100 = -0,097 xx = frac {ln100} {{0,097}} = 47,47; cmPortanto, a espessura necessária da água é de cerca de 47,5 cm . Essa espessura é relativamente grande e é causada por um pequeno número atômico de hidrogênio e oxigênio. Se calcularmos o mesmo problema para o chumbo (Pb) , obteremos a espessura x = 2,8 cm .

Coeficientes de atenuação linear

Tabela de coeficientes de atenuação linear (em cm-1) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Absorvedor 100 keV 200 keV 500 keV
Ar   0.000195 / cm   0.000159 / cm   0.000112 / cm
Água 0,167 / cm 0,136 / cm 0,097 / cm
Carbono 0,335 / cm 0,274 / cm 0.196 / cm
Alumínio 0.435 / cm 0,324 / cm 0,227 / cm
Ferro 2,72 / cm 1.09 / cm 0.655 / cm
Cobre 3.8 / cm 1,309 / cm 0,73 / cm
Conduzir 59,7 / cm 10,15 / cm 1,64 / cm

Camadas de metade do valor

meia camada de valor

A camada de meio valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois. Com meia camada de valor, é fácil realizar cálculos simples.
Fonte: www.nde-ed.org

Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Absorvedor 100 keV 200 keV 500 keV
Ar 3555 cm 4359 cm 6189 cm
Água 4,15 cm 5.1 cm 7.15 cm
Carbono 2,07 cm 2,53 cm 3.54 cm
Alumínio 1,59 cm 2,14 cm 3.05 cm
Ferro 0,26 cm 0,64 cm 1.06 cm
Cobre 0,18 cm 0,53 cm 0,95 cm
Conduzir  0.012 cm  0.068 cm  0,42 cm

Coeficiente de atenuação de massa

Ao caracterizar um material absorvente, às vezes podemos usar o coeficiente de atenuação da massa.  O coeficiente de atenuação da massa é definido como a razão entre o coeficiente de atenuação linear e a densidade do absorvedor (μ / ρ) . A atenuação da radiação gama pode ser descrita pela seguinte equação:

I = I 0 .e – (μ / ρ) .ρl

, onde ρ é a densidade do material, (μ / ρ) é o coeficiente de atenuação da massa e ρ.l é a espessura da massa. A unidade de medida usada para o coeficiente de atenuação da massa cm 2 g -1 .

Para energias intermediárias, o espalhamento de Compton domina e diferentes absorvedores têm coeficientes de atenuação de massa aproximadamente iguais. Isso se deve ao fato de que a seção transversal da dispersão de Compton é proporcional ao Z (número atômico) e, portanto, o coeficiente é proporcional à densidade do material ρ. Em pequenos valores de energia de raios gama ou em altos valores de energia de raios gama, em que o coeficiente é proporcional a potências mais altas do número atômico Z (para efeito fotoelétrico σ f ~ Z 5 ; para produção de pares σ p ~ Z 2 ), o o coeficiente de atenuação μ não é uma constante.

Validade da lei exponencial

A lei exponencial sempre descreverá a atenuação da radiação primária pela matéria. Se partículas secundárias forem produzidas ou se a radiação primária mudar sua energia ou direção, a atenuação efetiva será muito menor. A radiação penetrará mais profundamente na matéria do que a prevista pela lei exponencial. O processo deve ser levado em consideração ao avaliar o efeito da proteção contra radiação.

Exemplo de acumulação de partículas secundárias.  Depende fortemente do caráter e dos parâmetros das partículas primárias.
Exemplo de acumulação de partículas secundárias. Depende fortemente do caráter e dos parâmetros das partículas primárias.

 

Fatores de acúmulo para blindagem de raios gama

fator de acumulação é um fator de correção que considera a influência da radiação dispersa mais quaisquer partículas secundárias no meio durante os cálculos de blindagem. Se queremos dar conta do acúmulo de radiação secundária, precisamos incluir o fator de acúmulo . O fator de acumulação é então um fator multiplicativo que responde pela resposta aos fótons não colididos, de modo a incluir a contribuição dos fótons dispersos. Assim, o fator de acumulação pode ser obtido como uma razão entre a dose total e a resposta para a dose não coletada.

fórmula estendida para o cálculo da taxa de dose é:

Fator de Acúmulo

O padrão ANSI / ANS-6.4.3-1991 de coeficientes de atenuação de raios gama e fatores de acúmulo para materiais de engenharia contém coeficientes de atenuação de raios gama derivados e fatores de acúmulo para materiais e elementos de engenharia selecionados para uso em cálculos de blindagem (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).

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O que é Meia-Vida – Cálculo – Exemplo – Definição

Meia-vida – Cálculo – Exemplo. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias. Calcular a atividade do iodo-131 em curies. Dosimetria de Radiação

meias-vidas de mesaUm dos termos mais úteis para estimar a rapidez com que um nuclídeo se deteriora é a meia-vida radioativa ( 1/2 ). A meia-vida é definida como a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. Como foi escrito, o decaimento radioativo é um processo aleatório no nível de átomos únicos, pois, segundo a teoria quântica, é impossível prever quando um átomo em particular decairá. Em outras palavras, um núcleo de um radionuclídeo não tem “memória”. Um núcleo não “envelhece” com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de quebra não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa quanto tempo o núcleo exista.

Portanto, a taxa de decaimento nuclear também pode ser medida em termos de meia-vida . Cada radionuclídeo tem sua meia-vida particular que nunca muda, independentemente da quantidade ou forma do material (isto é, sólido, líquido, gás, elemento ou composto) ou seu histórico passado. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante.

As meias-vidas variam de milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos a bilhões de anos para materiais de longa duração (como o urânio que ocorre naturalmente). Após cinco meia-vidas, apenas 1/32, ou 3,1%, do número original de átomos permanece. Após sete meias-vidas, apenas 1/128, ou 0,78%, dos átomos permanecem. O número de átomos existentes após 5 a 7 meias-vidas pode geralmente ser considerado insignificante.

Meia-vida e radioatividade – exemplo

A relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada na figura. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ , que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

Curie - Unidade de Atividade

Radioatividade - CurieA figura a seguir ilustra a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade. É óbvio que quanto maior a meia-vida, maior a quantidade de radionuclídeo necessária para produzir a mesma atividade. Evidentemente, a substância de maior duração permanecerá radioativa por muito mais tempo. Como pode ser visto, a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade pode variar de uma quantidade muito pequena para ser vista (0,00088 grama de cobalto-60), através de 1 grama de rádio-226, e quase três toneladas de urânio-238 .

radioatividade - meias-vidas - constantes de deterioração

Exemplo – Lei de Decaimento Radioativo

Iodo 131 - esquema de decaimentoUma amostra de material contém 1 micrograma de iodo-131. Observe que o iodo-131 desempenha um papel importante como isótopo radioativo presente nos produtos de fissão nuclear e é um dos principais contribuintes para os riscos à saúde quando liberado na atmosfera durante um acidente. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias.

Calcular:

  1. O número de átomos de iodo-131 inicialmente presentes.
  2. A atividade do iodo-131 nos curies.
  3. O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias.
  4. O tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi.

Solução:

  1. O número de átomos de iodo-131 pode ser determinado usando a massa isotópica como abaixo.

-131 = m I-131 . N A / H I-131

NI -131 = (1 μg) x (6,02 × 10 23 núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

NI -131 = 4,6 x 10 15 núcleos

  1. A atividade do iodo-131 em curies pode ser determinada usando sua constante de decaimento :

Nos cálculos de radioatividade, um dos dois parâmetros ( constante de decaimento  ou  meia-vida ), que caracterizam a taxa de decaimento, deve ser conhecido. Existe uma relação entre a meia-vida (t 1/2 ) e a constante de decaimento λ. O relacionamento pode ser derivado da lei de decaimento, definindo N = ½ N o . Isto dá:

onde  ln 2  (o logaritmo natural de 2) é igual a 0,693. Se a constante de decaimento (λ) for dada, é fácil calcular a meia-vida e vice-versa.

O iodo-131 tem meia-vida de 8,02 dias (692928 seg) e, portanto, sua constante de decaimento é:

Usando esse valor para a constante de decaimento, podemos determinar a atividade da amostra:

3) e 4) O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias (N 50d ) e o tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi podem ser calculados usando a lei de decaimento:

Como pode ser visto, após 50 dias o número de átomos de iodo-131 e, portanto, a atividade será cerca de 75 vezes menor. Após 82 dias, a atividade será aproximadamente 1200 vezes menor. Portanto, o tempo de dez meias-vidas (fator 2 10 = 1024) é amplamente utilizado para definir a atividade residual.

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O que é Alpha Decay – Alpha Radioactivity – Definição

Decaimento alfa ou decaimento α representa a desintegração de um núcleo pai para uma filha através da emissão do núcleo de um átomo de hélio. Decaimento alfa é um processo de tunelamento quântico. Para ser emitida, a partícula alfa deve penetrar em uma barreira potencial. Dosimetria de Radiação

Decaimento alfa  (ou decaimento α e também radioatividade alfa ) representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão do núcleo de um átomo de hélio. Essa transição pode ser caracterizada como:

Decaimento Alfa - Radioatividade Alfa

Como pode ser visto na figura, a partícula alfa é emitida em decaimento alfa. Partículas alfa são núcleos energéticos de hélio . As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. Eles viajam apenas alguns centímetros, mas depositam todas as suas energias por seus caminhos curtos.

Deterioração de urânio 238.Na prática, esse modo de decaimento só foi observado em nuclídeos consideravelmente mais pesados ​​que o níquel, com os emissores alfa mais leves conhecidos sendo os isótopos mais leves (números de massa 106–110) de telúrio (elemento 52). Nos reatores nucleares, o decaimento alfa ocorre, por exemplo, no combustível (decaimento alfa de núcleos pesados). As partículas alfa são comumente emitidas por todos os núcleos radioativos pesados ​​que ocorrem na natureza ( urânio , tório ou rádio), bem como pelos elementos transurânicos (neptúnio, plutônio ou amerício).

Teoria do Decaimento Alfa – Tunelamento Quântico

Entre a variedade de canais em que um núcleo decai, o decaimento alfa tem sido um dos mais estudados. O canal de decaimento alfa nos núcleos pesados ​​e super pesados ​​forneceu informações sobre as propriedades fundamentais dos núcleos distantes da estabilidade, como suas energias no estado fundamental e a estrutura de seus níveis nucleares.

Decaimento alfa é um processo de tunelamento quântico . Para ser emitida, a partícula alfa deve penetrar em uma barreira potencial. Isso é semelhante ao decaimento de aglomerados , no qual um núcleo atômico emite um pequeno “aglomerado” de nêutrons e prótons (por exemplo, 12 ° C).

A altura da barreira de Coulomb para os núcleos de A «200 é de cerca de 20-25 MeV . As partículas alfa emitidas no decaimento nuclear têm energias típicas de cerca de 5 MeV. Por um lado, uma partícula alfa de 5 MeV recebida é espalhada de um núcleo pesado e não pode penetrar na barreira de Coulomb e chegar suficientemente perto do núcleo para interagir através da força forte. Por outro lado, uma partícula alfa de 5 MeV ligada a um poço de potencial nuclear é capaz de encapsular a mesma barreira de Coulomb.

decaimento alfa - tunelamento quânticoEm 1928, George Gamow (e independentemente por Ronald Gurney e Edward Condon ) havia resolvido a teoria do decaimento alfa via tunelamento quântico. Eles assumiram que a partícula alfa e o núcleo filha existiam dentro do núcleo pai antes de sua dissociação, ou seja, o decaimento dos estados quasistacionários (QS). Um estado quase-estacionário é definido como um estado de vida longa que eventualmente se deteriora. Inicialmente, o cluster alfa oscila no potencial do núcleo filha, com o potencial de Coulomb impedindo sua separação. A partícula alfa está presa em um poço potencial pelo núcleo. Classicamente, é proibido escapar, mas, de acordo com os (então) princípios recém-descobertos da mecânica quântica, há uma pequena (mas não nula) probabilidade de “tunelar” a barreira e aparecer do outro lado para escapar do núcleo. . Usando o mecanismo de tunelamento, Gamow, Condon e Gurney calcularam a penetrabilidade da partícula α do tunelamento através da barreira de Coulomb, encontrar a vida útil de alguns núcleos emissores de α. O principal sucesso desse modelo foi a reprodução da lei semi-empírica de Geiger-Nuttall, que expressa a vida útil dos emissores α em termos de energia das partículas α liberadas. Deve-se notar que outras formas comuns de decaimento (por exemplo, decaimento beta) são governadas pela interação entre a força nuclear e a força eletromagnética.

Referência especial: WSC Williams. Física Nuclear e de Partículas. Clarendon Press; 1 edição, 1991, ISBN: 978-0198520467.

Lei Geiger-Nuttall

A lei de Geiger-Nuttall é uma lei semi-empírica que expressa a vida útil (meia-vida) do emissor alfa em termos de energia da partícula alfa liberada. Em outras palavras, afirma que os isótopos de vida curta emitem mais partículas alfa energéticas do que as de vida longa. Esta regra foi formulada por Hans Geiger e John Mitchell Nuttall em 1911 antes do desenvolvimento da formulação teórica. A lei Geiger-Nuttall pode ser matematicamente expressa como:

Lei de Geiger-Nuttall - equação

onde um e b são constantes empíricas que são encontrados a partir de gráficos logarítmicas de dados experimentais. R α representa a faixa linear da partícula alfa, portanto é uma medida direta da energia cinética da partícula alfa. A largura da ressonância (Γ) está geralmente relacionada ao tempo médio de vida (τ) do núcleo excitado pela relação: Γ = ℏ / τ

Leis de Conservação em Decaimento Alfa

Ao analisar as reações nucleares , aplicamos as muitas leis de conservação . As reações nucleares estão sujeitas às leis clássicas de conservação de carga, momento, momento angular e energia (incluindo energias de repouso). Leis de conservação adicionais, não previstas pela física clássica, são:

Certas leis são obedecidas em todas as circunstâncias, outras não. Aceitamos a conservação de energia e momento. Em todos os exemplos dados, assumimos que o número de prótons e o número de nêutrons são conservados separadamente. Encontraremos circunstâncias e condições nas quais essa regra não é verdadeira. Onde estamos considerando reações nucleares não relativísticas, é essencialmente verdade. No entanto, quando estivermos considerando energias nucleares relativísticas ou aquelas que envolvem interações fracas, descobriremos que esses princípios devem ser estendidos.

Alguns princípios de conservação surgiram de considerações teóricas, outros são apenas relações empíricas. Não obstante, qualquer reação que não seja expressamente proibida pelas leis de conservação geralmente ocorrerá, se talvez a um ritmo lento. Essa expectativa é baseada na mecânica quântica. A menos que a barreira entre os estados inicial e final seja infinitamente alta, sempre há uma probabilidade diferente de zero de que um sistema faça a transição entre eles.

Para fins de análise de reações não relativísticas, basta observar quatro das leis fundamentais que governam essas reações.

  1. Conservação de núcleons . O número total de núcleons antes e depois de uma reação é o mesmo.
  2. Conservação de carga . A soma das cargas em todas as partículas antes e depois de uma reação é a mesma
  3. Conservação do momento . O momento total das partículas que interagem antes e depois de uma reação é o mesmo.
  4. Conservação de energia . A energia, incluindo a energia restante da massa, é conservada em reações nucleares.

Referência: Lamarsh, John R. Introdução à engenharia nuclear 2ª edição

Decaimento alfa – valor Q

Na física nuclear e de partículas, a energia das reações nucleares é determinada pelo valor Q dessa reação. O valor Q da reação é definido como a diferença entre a soma das massas em repouso dos reagentes iniciais e a soma das massas dos produtos finais , em unidades de energia (geralmente em MeV).

Considere uma reação típica, na qual o projétil ae o alvo A dão lugar a dois produtos, B e b. Isto também pode ser expresso na notação que foi utilizado até agora, a + A → B + b , ou mesmo em uma notação mais compacta, A (a, b) B .

Veja também: E = mc2

valor Q desta reação é dado por:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Ao descrever o decaimento alfa (uma reação sem projétil), o núcleo desintegrante é geralmente chamado de núcleo pai e o núcleo remanescente após o evento como núcleo filha. A massa total de repouso do núcleo filha e da radiação nuclear liberada em uma desintegração alfa, m Filha + m Radiação , é sempre menor que a do núcleo pai, m pai . A diferença massa-energia,

Q = [m pai – (m Filha + m Radiação )] c 2

aparece como a energia de desintegração liberada no processo. Por exemplo, o valor Q do decaimento alfa típico é:

decaimento alfa - valor q - exemplo

A energia de desintegração de cerca de 5 MeV é a energia cinética típica da partícula alfa. Para cumprir a lei de conservação do momento, a maior parte da energia de desintegração deve aparecer como energia cinética da partícula alfa. Após uma deterioração alfa ou beta, o núcleo da filha geralmente fica em um estado de energia excitado. Para se estabilizar, emite subseqüentemente fótons de alta energia, raios γ.

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O que é o Decaimento Beta – Beta Radioatividade – Definição

Decaimento beta ou decaimento β representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão da partícula beta. O decaimento beta é governado pela interação fraca. Dosimetria de Radiação

Decaimento beta ou decaimento β representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão da partícula beta. Essa transição ( β  decaimento ) pode ser caracterizada como:

Deterioração beta - radioatividade beta - definição

Se um núcleo emite uma partícula beta, perde um elétron (ou pósitron). Nesse caso, o número de massa do núcleo filha permanece o mesmo, mas o núcleo filha formará um elemento diferente.

As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos tipos de núcleos radioativos, como o potássio-40. As partículas beta têm maior alcance de penetração do que as partículas alfa, mas ainda muito menos que os raios gama . As partículas beta emitidas são uma forma de radiação ionizante, também conhecida como raios beta. Existem as seguintes formas de decaimento beta:

  • Decaimento beta negativo – Decaimento de elétrons. No decaimento de elétrons, um núcleo rico em nêutrons emite um elétron de alta energia (β  partícula). Os elétrons são carregados negativamente com partículas quase sem massa. Devido à lei de conservação da carga elétrica, a carga nuclear deve aumentar em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por: 
  • Decaimento beta positivo – Decaimento de pósitrons. No decaimento de pósitrons, um núcleo rico em prótons emite um pósitron (os pósitrons são antipartículas de elétrons e têm a mesma massa que os elétrons, mas com carga elétrica positiva) e, assim, reduzem a carga nuclear em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por: Uma aniquilação ocorre quando um pósitron de baixa energia colide com um elétron de baixa energia.
  • Decaimento Beta Inverso – Captura de Elétrons . A captura de elétrons , também conhecida como decaimento beta inverso, às vezes é incluída como um tipo de decaimento beta, porque o processo nuclear básico, mediado pela interação fraca, é o mesmo. Nesse processo, um núcleo rico em prótons também pode reduzir sua carga nuclear em uma unidade absorvendo um elétron atômico. 

A emissão de elétrons foi um dos primeiros fenômenos de decaimento observados. O processo inverso, captura de elétrons , foi observado pela primeira vez por Luis Alvarez, em vanádio 48. Ele o relatou em um artigo de 1937 na Physical Review.

Deterioração de urânio 238.
A cadeia de decaimento de urânio 238 compreende decaimentos alfa e beta.

Em um reator nuclear, ocorre especialmente o decaimento β, porque a característica comum dos produtos de fissão é um excesso de nêutrons (consulte Estabilidade nuclear ). Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β-decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino . Um nêutron livre também sofre esse tipo de decaimento. Um nêutron livre decairá com uma meia-vida de cerca de 611 segundos (10,3 minutos) em um próton, um elétron e um antineutrino (a contraparte do neutrino em antimatéria , uma partícula sem carga e com pouca ou nenhuma massa).

Teoria da deterioração beta – interação fraca

A deterioração beta é governada pela interação fraca . Durante um decaimento beta de dois para baixo quarks muda para um quark-se emitindo um W  Higgs (transporta para longe uma carga negativa). O W  Higgs depois decai para uma partícula beta e um antineutrino . Esse processo é equivalente ao processo no qual um neutrino interage com um nêutron.

teoria do decaimento beta - interação fraca

Como pode ser visto na figura, a interação fraca muda um sabor de quark para outro. Observe que, o Modelo Padrão conta seis sabores de quarks e seis sabores de leptons. A interação fraca é o único processo no qual um quark pode mudar para outro, ou um lepton para outro lepton (mudança de sabor). Nem a forte interação nem eletromagnéticapermitir mudança de sabor. Este fato é crucial em muitos decaimentos de partículas nucleares. No processo de fusão, que, por exemplo, alimenta o Sol, dois prótons interagem através da força fraca para formar um núcleo de deutério, que reage ainda mais para gerar hélio. Sem a interação fraca, o diproton decairia novamente em dois prótons não ligados a hidrogênio-1 através da emissão de prótons. Como resultado, o sol não queimaria sem ele, pois a interação fraca causa a transmutação p -> n.

Ao contrário do decaimento alfa , nem a partícula beta nem seu neutrino associado existem dentro do núcleo antes do decaimento beta, mas são criados no processo de decaimento. Por esse processo, átomos instáveis ​​obtêm uma proporção mais estável de prótons e nêutrons. A probabilidade de decaimento de um nuclídeo devido a beta e outras formas de decaimento é determinada por sua energia de ligação nuclear. Para que a emissão de elétrons ou pósitrons seja energeticamente possível, a liberação de energia (veja abaixo) ou o valor Q deve ser positivo.

Exemplo de Decaimento Beta

  • Nêutron grátis
  • Descoberta de Neutrino
  • Deterioração beta do trítio

Espectro de energia da deterioração beta

Tanto no  decaimento alfa  quanto no  gama , a partícula resultante (partícula alfa  ou  fóton ) tem uma  distribuição de energia estreita , uma vez que a partícula carrega a energia da diferença entre os estados nucleares inicial e final. Por exemplo, no caso de decaimento alfa, quando um núcleo pai se decompõe espontaneamente para produzir um núcleo filha e uma partícula alfa, a soma da massa dos dois produtos não é igual à massa do núcleo original (consulte  Defeito em massa ) . Como resultado da lei de conservação de energia, essa diferença aparece na forma da  energia cinética da partícula alfa. Como as mesmas partículas aparecem como produtos a cada quebra de um núcleo pai em particular, a diferença de massa deve  sempre ser a mesma e a energia cinética  das partículas alfa também deve sempre ser a mesma. Em outras palavras, o feixe de partículas alfa deve ser  monoenergético . 

Esperava-se que as mesmas considerações fossem válidas para um núcleo pai se decompor em um núcleo filha e  uma partícula beta . Como apenas o elétron e o núcleo da filha que recuava foram observados com decaimento beta, o processo foi inicialmente  assumido como sendo um processo de dois corpos , muito parecido com o decaimento alfa. Parece razoável supor que as partículas beta também formem um  feixe monoenergético .

Para demonstrar a energética do corpo de dois decaimento beta, considerar o decaimento beta no qual um electrão é emitido e o núcleo pai está em repouso,  onservation de energia  requer:

conservação de energia-decaimento beta

Como o elétron é uma partícula muito mais leve, esperava-se que ele levasse a maior parte da energia liberada, o que teria um valor único  e- .

Espectro de energia do decaimento beta
A forma dessa curva de energia depende de qual fração da energia da reação (valor Q – a quantidade de energia liberada pela reação) é transportada pelo elétron ou neutrino.

Mas a realidade era diferente . O espectro de partículas beta medido por Lise Meitner e Otto Hahn em 1911 e por Jean Danysz em 1913 mostrou várias linhas em um fundo difuso, no entanto. Além disso, virtualmente todas as partículas beta emitidas possuem energia abaixo da prevista pela conservação de energia em decaimentos de dois corpos. Os elétrons emitidos no  decaimento beta têm um  espectro contínuo, em vez de discreto, que parece contradizer a conservação de energia, sob a suposição atual de que o decaimento beta é a simples emissão de elétrons de um núcleo. Quando isso foi observado pela primeira vez,  parecia ameaçar a sobrevivência de uma das leis de conservação mais importantes da física !

Para explicar essa liberação de energia,  Pauli propôs  (em 1931) que no processo de decaimento fosse emitida  outra partícula , mais tarde nomeada por Fermi como  neutrino . Ficou claro que essa partícula deve ser altamente penetrante e que a conservação da carga elétrica exige que o neutrino seja eletricamente neutro. Isso explicaria por que era tão difícil detectar essa partícula. O termo neutrino vem do italiano que significa “pouco neutro” e os neutrinos são denotados pela letra grega  ν (nu) . No processo de decaimento beta, o neutrino carrega a energia que falta e também nesse processo a lei de  conservação de energia permanece válida .

Leis de Conservação em Decaimento Beta

Ao analisar as reações nucleares , aplicamos as muitas leis de conservação . As reações nucleares estão sujeitas às leis clássicas de conservação de carga, momento, momento angular e energia  (incluindo energias de repouso). Leis de conservação adicionais, não previstas pela física clássica, são:

Certas leis são obedecidas em todas as circunstâncias, outras não. Aceitamos a conservação de energia e momento. Em todos os exemplos dados, assumimos que o número de prótons e o número de nêutrons são conservados separadamente. Encontraremos circunstâncias e condições nas quais essa regra não é verdadeira. Onde estamos considerando reações nucleares não relativísticas, é essencialmente verdade. No entanto, quando estivermos considerando energias nucleares relativísticas ou aquelas que envolvem interações fracas, descobriremos que esses princípios devem ser estendidos.

Alguns princípios de conservação surgiram de considerações teóricas, outros são apenas relações empíricas. Não obstante, qualquer reação que não seja expressamente proibida pelas leis de conservação geralmente ocorrerá, se talvez a um ritmo lento. Essa expectativa é baseada na mecânica quântica. A menos que a barreira entre os estados inicial e final seja infinitamente alta, sempre há uma probabilidade diferente de zero de que um sistema faça a transição entre eles.

Para fins de análise de reações não relativísticas, basta observar quatro das leis fundamentais que governam essas reações.

  1. Conservação de núcleons . O número total de núcleons antes e depois de uma reação é o mesmo.
  2. Conservação de carga . A soma das cargas em todas as partículas antes e depois de uma reação é a mesma
  3. Conservação do momento . O momento total das partículas que interagem antes e depois de uma reação é o mesmo.
  4. Conservação de energia . A energia, incluindo a energia restante da massa, é conservada em reações nucleares.

Referência: Lamarsh, John R. Introdução à engenharia nuclear 2ª edição

Deterioração beta – valor Q

Na física nuclear e de partículas, a energia das reações nucleares é determinada pelo valor Q dessa reação. O valor Q da reação é definido como a diferença entre a soma das massas em repouso dos reagentes iniciais e a soma das massas dos produtos finais , em unidades de energia (geralmente em MeV).

Considere uma reação típica, na qual o projétil ae o alvo A dão lugar a dois produtos, B e b. Isto também pode ser expresso na notação que foi utilizado até agora, a + A → B + b , ou mesmo em uma notação mais compacta, A (a, b) B .

Veja também: E = mc2

valor Q desta reação é dado por:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Ao descrever o decaimento beta (reação sem projétil), o núcleo desintegrante é geralmente chamado de núcleo pai e o núcleo remanescente após o evento como núcleo filho. A emissão de uma partícula beta, um elétron, β  ou um pósitron, β + , altera o número atômico do núcleo sem afetar seu número de massa. A massa total de repouso do núcleo filha e da radiação nuclear liberada em uma desintegração beta, m Filha + m Radiação , é sempre menor que a do núcleo pai, m pai .

A diferença massa-energia,

Q = [m pai – (m Filha + m Radiação )] c 2

aparece como a energia de desintegração liberada no processo. Por exemplo, o valor Q do decaimento beta típico é:

decaimento beta - valor q

No processo de decaimento beta, um elétron ou um pósitron é emitido. Essa emissão é acompanhada pela emissão de antineutrino (β-decaimento) ou neutrino (β + decaimento), que compartilha energia e momento do decaimento. A emissão beta tem um espectro característico. Esse espectro característico é causado pelo fato de que um neutrino ou um antineutrino é emitido com a emissão de partículas beta. A forma dessa curva de energia depende de qual fração da energia da reação ( valor Q – a quantidade de energia liberada pela reação) é transportada pela partícula maciça. As partículas beta podem, portanto, ser emitidas com qualquer energia cinética que varia de 0 a Q. Após uma deterioração alfa ou beta, o núcleo da filha geralmente fica em um estado de energia excitado. Para se estabilizar, emite subseqüentemente fótons de alta energia, raios γ.

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O que é Meia-Vida Radioativa – Meia-Vida Física – Definição

Um dos termos mais úteis para estimar a rapidez com que um nuclídeo decai é a meia-vida radioativa (t1 / 2). A meia-vida é definida como a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. Dosimetria de Radiação

meias-vidas de mesaUm dos termos mais úteis para estimar a rapidez com que um nuclídeo se deteriora é a meia-vida radioativa ( 1/2 ). A meia-vida é definida como a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. Como foi escrito, o decaimento radioativo é um processo aleatório no nível de átomos únicos, pois, segundo a teoria quântica, é impossível prever quando um átomo em particular decairá. Em outras palavras, um núcleo de um radionuclídeo não tem “memória”. Um núcleo não “envelhece” com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de quebra não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa quanto tempo o núcleo exista.

Portanto, a taxa de decaimento nuclear também pode ser medida em termos de meia-vida . Cada radionuclídeo tem sua meia-vida particular que nunca muda, independentemente da quantidade ou forma do material (isto é, sólido, líquido, gás, elemento ou composto) ou seu histórico passado. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante.

As meias-vidas variam de milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos a bilhões de anos para materiais de longa duração (como o urânio que ocorre naturalmente). Após cinco meia-vidas, apenas 1/32, ou 3,1%, do número original de átomos permanece. Após sete meias-vidas, apenas 1/128, ou 0,78%, dos átomos permanecem. O número de átomos existentes após 5 a 7 meias-vidas pode geralmente ser considerado insignificante.

A fração da atividade original restante após meias-vidas sucessivas é:

Atividade após 1 meia-vida = ½ da original

Atividade após 2 meias-vidas = ½ x ½ = ¼ do original

Atividade após 3 semi-vidas = ½ x ½ x ½ = (½) 3 = 1/8 do original

Atividade após 4 meias-vidas = (½) 4 = 1/16 do original

Atividade após 5 semi-vidas = (½) 5 = 1/32 do original

Atividade após 6 semi-vidas = (½) 6 = 1/64 do original

Atividade após 7 meias-vidas = (½) 7 = 1/128 do original

radioatividade - meias-vidas

Observe que as meias-vidas curtas seguem grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo (no momento da produção), mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente. Não importa quão longa ou curta a meia-vida seja, depois que sete meias-vidas tiverem passado, resta menos de 1% da atividade inicial.

lei de decaimento radioativo afirma que a probabilidade por unidade de tempo que um núcleo decairá é uma constante, independente do tempo. Essa constante é chamada constante de decaimento e é denotada por λ, “lambda”. Essa probabilidade constante pode variar muito entre os diferentes tipos de núcleos, levando a muitas taxas diferentes de decaimento observadas. O decaimento radioativo de certo número de átomos (massa) é exponencial no tempo.

Lei de decaimento radioativo: N = Ne -λt

A taxa de decaimento nuclear também é medida em termos de meia-vida . A meia-vida é a quantidade de tempo que um determinado isótopo leva para perder metade de sua radioatividade. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante. As meias-vidas variam de milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos a bilhões de anos para materiais de longa duração (como o urânio que ocorre naturalmente). Notar quemeia-vida curta acompanha grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo (no momento da produção), mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente. Não importa quão longa ou curta a meia-vida seja, depois que sete meias-vidas tiverem passado, resta menos de 1% da atividade inicial.

A lei de decaimento radioativo também pode ser derivada para cálculos de atividade ou massa de cálculos de material radioativo:

(Número de núcleos) N = Ne -λt     (Atividade) A = Ae -λt      (Massa) m = me -λt

, onde N (número de partículas) é o número total de partículas na amostra, A (atividade total) é o número de decaimentos por unidade de tempo de uma amostra radioativa, m é a massa do material radioativo restante.

Meia-vida e constante de decomposição

Nos cálculos de radioatividade, um dos dois parâmetros ( constante de decaimento ou meia-vida ), que caracterizam a taxa de decaimento, deve ser conhecido. Existe uma relação entre a meia-vida (t 1/2 ) e a constante de decaimento λ. O relacionamento pode ser derivado da lei de decaimento, definindo N = ½ N o . Isto dá:

onde ln 2 (o logaritmo natural de 2) é igual a 0,693. Se a constante de decaimento (λ) for dada, é fácil calcular a meia-vida e vice-versa.

Meia-vida e radioatividade

A relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada na figura. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ , que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

Curie - Unidade de Atividade

Radioatividade - CurieA figura a seguir ilustra a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade. É óbvio que quanto maior a meia-vida, maior a quantidade de radionuclídeo necessária para produzir a mesma atividade. Evidentemente, a substância de vida mais longa permanecerá radioativa por muito mais tempo. Como pode ser visto, a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade pode variar de uma quantidade muito pequena para ser vista (0,00088 grama de cobalto-60), através de 1 grama de rádio-226, a quase três toneladas de urânio-238 .

radioatividade - meias-vidas - constantes de deterioração

Exemplo – Lei de Decaimento Radioativo

Iodo 131 - esquema de decaimentoUma amostra de material contém 1 micrograma de iodo-131. Observe que o iodo-131 desempenha um papel importante como isótopo radioativo presente nos produtos de fissão nuclear e é um dos principais contribuintes para os riscos à saúde quando liberado na atmosfera durante um acidente. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias.

Calcular:

  1. O número de átomos de iodo-131 inicialmente presentes.
  2. A atividade do iodo-131 nos curies.
  3. O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias.
  4. O tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi.

Solução:

  1. O número de átomos de iodo-131 pode ser determinado usando a massa isotópica como abaixo.

-131 = m I-131 . N A / H I-131

NI -131 = (1 μg) x (6,02 × 10 23 núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

NI -131 = 4,6 x 10 15 núcleos

  1. A atividade do iodo-131 em curies pode ser determinada usando sua constante de decaimento :

O iodo-131 tem meia-vida de 8,02 dias (692928 seg) e, portanto, sua constante de decaimento é:

Usando esse valor para a constante de decaimento, podemos determinar a atividade da amostra:

3) e 4) O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias (N 50d ) e o tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi podem ser calculados usando a lei de decaimento:

Como pode ser visto, após 50 dias o número de átomos de iodo-131 e, portanto, a atividade será cerca de 75 vezes menor. Após 82 dias, a atividade será aproximadamente 1200 vezes menor. Portanto, o tempo de dez meias-vidas (fator 2 10 = 1024) é amplamente utilizado para definir a atividade residual.

Meia-vida biológica

Em geral, a meia-vida biológica é o tempo necessário para que a quantidade de um elemento em particular no corpo diminua para metade do seu valor inicial devido à eliminação apenas por processos biológicos, quando a taxa de remoção é aproximadamente exponencial. A meia-vida biológica (t biológica ) pode ser definida para metabólitos, drogas e outras substâncias. Também é muito importante na proteção contra radiação, ao considerar a exposição interna.

Se a fonte de radiação está dentro do nosso corpo, dizemos, é a exposição interna. A ingestão de material radioativo pode ocorrer por várias vias, como ingestão de contaminação radioativa em alimentos ou líquidos, inalação de gases radioativos ou pela pele intacta ou ferida. A maioria dos radionuclídeos fornecerá muito mais doses de radiação se, de alguma forma, puderem entrar em seu corpo, do que se ficassem fora. A meia-vida biológica depende da taxa na qual o corpo normalmente usa um composto específico de um elemento. Isótopos radioativos que foram ingeridos ou absorvidos por outras vias serão gradualmente removidos do corpo através do intestino, rins, respiração e transpiração. Isso significa que uma substância radioativa pode ser expelida antes que ela tenha se deteriorado.

Como resultado, a meia-vida biológica influencia significativamente a dose geral da contaminação interna. Se um composto radioativo com meia-vida radioativa (t 1/2 ) é eliminado do corpo com uma meia-vida biológica t b , a meia-vida “efetiva” (t e ) é dada pela expressão:

Como pode ser visto, os mecanismos biológicos sempre diminuem a dose geral da contaminação interna. Além disso, se t 1/2 é grande em comparação com t b , a meia-vida efetiva é aproximadamente a mesma que t b . Por exemplo, o trítio tem meia-vida biológica em 10 dias, enquanto a meia-vida radioativa é de 12 anos.

Veja também: Meia-vida biológica

Veja também: Meia-vida efetiva

 

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O que é Radionuclídeo – Radioisótopo – Definição

Existem nuclídeos instáveis ​​e radioativos. Esses nuclídeos são conhecidos como radionuclídeos (nuclídeos radioativos) ou radioisótopos (isótopos radioativos). Dosimetria de Radiação

meias-vidas de mesa

Na física nuclear e na química nuclear, as várias espécies de átomos cujos núcleos contêm números particulares de prótons e nêutrons são chamadas  nuclídeos . Os nuclídeos também são caracterizados por seus estados de energia nuclear (por exemplo, nuclídeo metaestável  242m Am). Cada nuclídeo é indicado pelo símbolo químico do elemento (isso especifica Z) com o número de massa atômica como sobrescrito. Isótopos  são nuclídeos que possuem o mesmo número atômico e, portanto, são o mesmo elemento, mas diferem no número de nêutrons.

Existem nuclídeos instáveis ​​e radioativos. Esses nuclídeos são conhecidos como radionuclídeos (nuclídeos radioativos) ou radioisótopos (isótopos radioativos). Esses  isótopos instáveis  decaem através de várias vias de decaimento radioativo, mais comumente decaimento alfa, decaimento beta, decaimento gama ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de deterioração, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos.

Como foi escrito, o decaimento radioativo dos radionuclídeos é um processo aleatório no nível de átomos únicos, pois, segundo a teoria quântica, é impossível prever quando um átomo em particular decairá. Em outras palavras, um núcleo de um radionuclídeo não tem “memória”. Um núcleo não “envelhece” com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de quebra não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa quanto tempo o núcleo exista.

Portanto, a taxa de decaimento nuclear também pode ser medida em termos de meia-vida . Cada radionuclídeo tem sua meia-vida particular que nunca muda, independentemente da quantidade ou forma do material (isto é, sólido, líquido, gás, elemento ou composto) ou seu histórico passado. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos terá decaimento em 14 dias. Em mais 14 dias, metade da metade restante decairá e assim por diante.

As meias-vidas variam de milionésimos de segundo para produtos de fissão altamente radioativos a bilhões de anos para materiais de longa duração (como o urânio que ocorre naturalmente). Após cinco meia-vidas, apenas 1/32, ou 3,1%, do número original de átomos permanece. Após sete meias-vidas, apenas 1/128, ou 0,78%, dos átomos permanecem. O número de átomos existentes após 5 a 7 meias-vidas pode geralmente ser considerado insignificante.

A fração da atividade original restante após meias-vidas sucessivas é:

Atividade após 1 meia-vida = ½ da original

Atividade após 2 meias-vidas = ½ x ½ = ¼ do original

Atividade após 3 semi-vidas = ½ x ½ x ½ = (½) 3 = 1/8 do original

Atividade após 4 meias-vidas = (½) 4 = 1/16 do original

Atividade após 5 semi-vidas = (½) 5 = 1/32 do original

Atividade após 6 semi-vidas = (½) 6 = 1/64 do original

Atividade após 7 meias-vidas = (½) 7 = 1/128 do original

radioatividade - meias-vidasObserve que as meias-vidas curtas seguem grandes constantes de decaimento. O material radioativo com meia-vida curta é muito mais radioativo (no momento da produção), mas obviamente perderá sua radioatividade rapidamente. Não importa quanto tempo a meia-vida seja curta ou curta, depois que sete meias-vidas tiverem passado, resta menos de 1% da atividade inicial.

lei de decaimento radioativo afirma que a probabilidade por unidade de tempo que um núcleo decairá é uma constante, independente do tempo. Essa constante é chamada constante de decaimento e é denotada por λ, “lambda”. Essa probabilidade constante pode variar muito entre os diferentes tipos de núcleos, levando a muitas taxas diferentes de decaimento observadas. O decaimento radioativo de certo número de átomos (massa) é exponencial no tempo.

Lei de decaimento radioativo: N = Ne -λt

A lei de decaimento radioativo também pode ser derivada para cálculos de atividade ou massa de cálculos de material radioativo:

(Número de núcleos) N = Ne -λt     (Atividade) A = Ae -λt      (Massa) m = me -λt

, onde N (número de partículas) é o número total de partículas na amostra, A (atividade total) é o número de decaimentos por unidade de tempo de uma amostra radioativa, m é a massa do material radioativo restante.

Meia-vida e radioatividade de radionuclídeos

A relação entre a meia-vida e a quantidade de radionuclídeo necessária para gerar uma atividade de um curie é mostrada na figura. Essa quantidade de material pode ser calculada usando λ , que é a constante de decaimento de determinado nuclídeo:

Curie - Unidade de Atividade

Radioatividade - CurieA figura a seguir ilustra a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade. É óbvio que quanto maior a meia-vida, maior a quantidade de radionuclídeo necessária para produzir a mesma atividade. Evidentemente, a substância de vida mais longa permanecerá radioativa por muito mais tempo. Como pode ser visto, a quantidade de material necessário para 1 curie de radioatividade pode variar de uma quantidade muito pequena para ser vista (0,00088 grama de cobalto-60), através de 1 grama de rádio-226, a quase três toneladas de urânio-238 .

Exemplo – Radioatividade do Radionuclídeo

Iodo 131 - esquema de decaimentoUma amostra de material contém 1 micrograma de iodo-131. Observe que o iodo-131 desempenha um papel importante como isótopo radioativo presente nos produtos de fissão nuclear e é um dos principais contribuintes para os riscos à saúde quando liberado na atmosfera durante um acidente. O iodo-131 tem uma meia-vida de 8,02 dias.

Calcular:

  1. O número de átomos de iodo-131 inicialmente presentes.
  2. A atividade do iodo-131 nos curies.
  3. O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias.
  4. O tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi.

Solução:

  1. O número de átomos de iodo-131 pode ser determinado usando a massa isotópica como abaixo.

-131 = m I-131 . N A / H I-131

NI -131 = (1 μg) x (6,02 × 10 23 núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

NI -131 = 4,6 x 10 15 núcleos

  1. A atividade do iodo-131 em curies pode ser determinada usando sua constante de decaimento :

O iodo-131 tem meia-vida de 8,02 dias (692928 seg) e, portanto, sua constante de decaimento é:

Usando esse valor para a constante de decaimento, podemos determinar a atividade da amostra:

3) e 4) O número de átomos de iodo-131 que permanecerá em 50 dias (N 50d ) e o tempo necessário para a atividade atingir 0,1 mCi podem ser calculados usando a lei de decaimento:

Como pode ser visto, após 50 dias o número de átomos de iodo-131 e, portanto, a atividade será cerca de 75 vezes menor. Após 82 dias, a atividade será aproximadamente 1200 vezes menor. Portanto, o tempo de dez meias-vidas (fator 2 10 = 1024) é amplamente utilizado para definir a atividade residual.

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O que é raio-X – Radiação Roentgen – Definição

Os raios X , também conhecidos como radiação X , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de altas energias. Os raios X são fótons de alta energia, com comprimentos de onda curtos e, portanto, frequência muito alta. A frequência de radiação é o parâmetro chave de todos os fótons, porque determina a energia de um fóton. Os fótons são classificados de acordo com as energias das ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, aos raios X de alta energia e raios gama .

NASA - Espectro eletromagnético
Fonte: Visita ao Espectro Eletromagnético www.nasa.gov

A maioria dos raios X tem um comprimento de onda variando de 0,01 a 10 nanômetros (3 × 10 16 Hz a 3 × 10 19 Hz), correspondendo a energias na faixa de 100 eV a 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são mais curtos que os dos raios UV e geralmente mais longos que os dos raios gama. A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .

Como os raios X (especialmente os raios X duros) são substancialmente fótons de alta energia, são matéria muito penetrante e, portanto, são biologicamente perigosos. Os raios X podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar pelo corpo humano.

Descoberta de raios X – Wilhelm Conrad Röntgen

Descoberta de raios-X - Roentgen
Mão mit Ringen (Mão com Anéis): print do primeiro raio X-“médica” de Wilhelm Röntgen, a mão de sua esposa, tomada em 22 de dezembro 1895 e apresentado ao Ludwig Zehnder do Physik Institut, da Universidade de Freiburg, em 01 de janeiro de 1896
Fonte : wikipedia.org Licença: Public Domain

Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895 pelo professor de física alemão Wilhelm Conrad Röntgenna Universidade de Würtzburg, na Alemanha. Ele estudava descargas elétricas em tubos de vidro cheios de vários gases a pressões muito baixas. Nessas experiências, Röntgen havia coberto o tubo com um pouco de papel preto e escurecido a sala. Ele então descobriu que um pedaço de papel pintado com um corante fluorescente, a alguma distância do tubo, brilhava quando ele ligava a alta tensão entre os eletrodos no tubo. Ele percebeu que havia produzido uma “luz invisível” ou raio anteriormente desconhecida que estava sendo emitida pelo tubo e um raio capaz de passar pelo papel pesado que cobria o tubo. Röntgen se referiu à radiação como “X”, para indicar que era um tipo desconhecido de radiação.

Percebendo a importância de sua descoberta, Röntgen concentrou toda sua atenção no estudo dessa nova radiação que tinha a propriedade incomum de passar por papel preto. Por meio de experimentos adicionais, ele também descobriu que o novo raio passaria pela maioria das substâncias projetando sombras de objetos sólidos, como blocos de madeira, livros e até a mão dele. Ele descobriu que os raios X se propagam em linhas retas das quais eles não são desviados nem por campos elétricos nem magnéticos. A primeira imagem de raio-x era uma foto da mão de sua esposa em uma placa fotográfica formada devido a raios-x. Sua descoberta se espalhou rapidamente por todo o mundo e Wilhelm Conrad Röntgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física por sua descoberta.

Características dos raios X

Os principais recursos dos raios X são resumidos nos seguintes pontos:

  • Os raios X são fótons de alta energia (cerca de 100 – 1.000 vezes mais energia que os fótons visíveis), os mesmos fótons que os fótons que formam a faixa visível do espectro eletromagnético – luz.
  • Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Pode variar de cerca de 20 kV a 300 kV. A radiação com baixa voltagem é chamada de ” suave ” – e a radiação com alta voltagem é chamada de ” forte “.
  • Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
  • Os raios X ionizam a matéria via ionização indireta .
  • Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
    • Efeito fotoelétrico
    • Efeito Compton
    • dispersão de Rayleigh
  • Os raios X viajam na velocidade da luz e podem viajar centenas de metros no ar antes de gastar sua energia.
  • Como os raios X duros são matéria muito penetrante, devem ser protegidos por materiais muito densos, como chumbo ou urânio.
  • A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .
  • Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, existem dois tipos diferentes de espectros de raios X:
    • Bremsstrahlung
    • Raios-X característicos
  • Os raios X característicos frequentemente acompanham alguns tipos de decaimento nuclear, como conversão interna e captura de elétrons .

Raio X – Produção

Tubo de raios X - produção de raios XComo os raios X são fótons de alta energia , que têm natureza eletromagnética , eles podem ser produzidos sempre que partículas carregadas (elétrons ou íons) de energia suficiente atingem um material. É semelhante ao efeito fotoelétrico , onde os fótons podem ser aniquilados quando atingem a placa de metal, cada um entregando sua energia cinética a um elétron .

Os raios X podem ser gerados por um tubo de raios X , um tubo de vácuo que utiliza alta voltagem para acelerar os elétrons liberados por um cátodo quente a uma velocidade alta. O cátodo deve ser aquecido para emitir elétrons. Os elétrons, acelerados por diferenças de potencial de dezenas de milhares de volts, são direcionados a um alvo de metal (geralmente feito de tungstênio ou outro metal pesado) em um tubo de vácuo. Quanto maior a tensão entre os eletrodos, maior será a energia que os elétrons atingirão. Ao atingir o alvo, os elétrons acelerados são interrompidos abruptamente e os raios Xe calor são gerados. A maior parte da energia é transformada em calor no ânodo (que deve ser resfriado). Apenas 1% da energia cinética dos elétrons é convertida em raios-X. Os raios X são geralmente gerados perpendicularmente ao caminho do feixe de elétrons.

Uma fonte especializada de raios-X que está sendo amplamente utilizada em pesquisas é o acelerador de partículas, que gera radiação conhecida como radiação síncrotron . Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .

Os raios X também podem ser produzidos por prótons rápidos ou outros íons positivos. A emissão de raios X induzida por prótons ou emissão de raios X induzida por partículas é amplamente utilizada como procedimento analítico.

Raios-X macios e duros

Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Raios-X com altas energias de fótons (acima de 5 a 10 keV) são chamados de raios-X duros , enquanto aqueles com menor energia (e maior comprimento de onda) são chamados de raios-X suaves . Devido à sua capacidade de penetração, os raios X rígidos são amplamente utilizados para criar imagens dentro de objetos visualmente opacos. As aplicações mais vistas são na radiografia médica. Como os comprimentos de onda dos raios-X rígidos são semelhantes ao tamanho dos átomos, eles também são úteis para determinar estruturas cristalinas por cristalografia de raios-X. Por outro lado, os raios X suaves são facilmente absorvidos pelo ar. O comprimento de atenuação dos raios X de 600 eV na água é inferior a 1 micrômetro.

Espectro de Raios-X – Característico e Contínuo

Espectro de Raios-X - Característico e ContínuoPara os raios X gerados pelo tubo de raios X, a parte da energia que é transformada em radiação varia de zero até a energia máxima do elétron quando atinge o ânodo. A energia máxima do fóton de raio-X produzido é limitada pela energia do elétron incidente, que é igual à tensão no tubo vezes a carga do elétron, de modo que um tubo de 100 kV não pode criar raios-X com energia superior a 100 keV. Quando os elétrons atingem o alvo, os raios X são criados por dois processos atômicos diferentes:

  • Bremsstrahlung . O bremsstrahlung é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de um elétron quando desviada por fortes campos eletromagnéticos dos núcleos alvo de alto Z (número de prótons). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia. O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos) Esses raios-X têm um espectro contínuo. A intensidade dos raios-X aumenta linearmente com a diminuição da frequência, de zero na energia dos elétrons incidentes, a tensão no tubo de raios-X. Alterar o material a partir do qual o alvo no tubo é feito não afeta o espectro dessa radiação contínua. Se passássemos de um alvo de molibdênio para um de cobre, por exemplo, todos os recursos do espectro de raios-X mudariam, exceto o comprimento de onda de corte.
  • Emissão característica de raios-X. Se o elétron tiver energia suficiente, ele pode derrubar um elétron orbital da carcaça interna de um átomo de metal. Uma vez que o processo deixa uma vaga no nível de energia do elétron de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo caem em cascata para preencher os níveis atômicos mais baixos, e geralmente são emitidos um ou mais raios-X característicos . Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr.

Interação de raios-X com a matéria

Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria. A força dessas interações depende da energia dos raios X e da composição elementar do material, mas não muito das propriedades químicas, uma vez que a energia dos fótons dos raios X é muito maior que as energias químicas de ligação. A absorção fotoelétrica domina com baixas energias dos raios X, enquanto a dispersão de Compton domina com energias mais altas.

  • Absorção fotoelétrica
  • Efeito Compton
  • dispersão de Rayleigh

Absorção fotoelétrica de raios-X

Absorção gama por um átomo.  Fonte: laradioactivite.com/
Absorção gama por um átomo.
Fonte: laradioactivite.com/

No efeito fotoelétrico, um fóton sofre uma interação com um elétron que está ligado em um átomo. Nesta interação, o fóton incidente desaparece completamente e um fotoelétron energético é ejetado pelo átomo de uma de suas conchas ligadas . A energia cinética do fotoelétron ejetado (E e ) é igual à energia incidente do fóton (hν) menos a energia de ligação do fotoelétron em seu invólucro original (E b ).

e = hν-E b

Portanto, os fotoelétrons são emitidos apenas pelo efeito fotoelétrico se o fóton atingir ou exceder um limiar de energia – a energia de ligação do elétron – a função de trabalho do material. Para raios-X muito altos com energias superiores a centenas de keV, o fotoelétron retira a maior parte da energia incidente do fóton – hν.

Em pequenos valores de energia de raios gama, o efeito fotoelétrico domina . O mecanismo também é aprimorado para materiais de alto número atômico Z. Não é simples derivar expressão analítica para a probabilidade de absorção fotoelétrica de raios gama por átomo em todas as faixas de energias de raios gama. A probabilidade de absorção fotoelétrica por unidade de massa é aproximadamente proporcional a:

τ (fotoelétrico) = constante x Z N / E 3.5

onde Z é o número atômico, o expoente n varia entre 4 e 5. E é a energia do fóton incidente. A proporcionalidade para potências mais altas do número atômico Z é a principal razão para o uso de materiais com alto teor de Z, como chumbo ou urânio empobrecido em escudos de raios gama.

Seção transversal de efeito fotoelétrico.Embora a probabilidade de absorção fotoelétrica do fóton diminua, em geral, com o aumento da energia do fóton, existem acentuadas descontinuidades na curva de seção transversal. Estes são chamados de “bordas de absoption”e eles correspondem às energias de ligação dos elétrons das conchas atadas dos átomos. Para fótons com a energia logo acima da borda, a energia do fóton é apenas suficiente para sofrer a interação fotoelétrica com o elétron da casca ligada, digamos K-shell. A probabilidade de tal interação está logo acima dessa borda muito maior do que a de fótons de energia ligeiramente abaixo dessa borda. Para fótons abaixo dessa borda, a interação com o elétron da casca K é energeticamente impossível e, portanto, a probabilidade cai abruptamente. Essas arestas ocorrem também em energias de ligação de elétrons de outras camadas (L, M, N … ..).

Compton Dispersão de raios-X

Efeito Comptonfórmula de Compton foi publicada em 1923 na Physical Review. Compton explicou que o deslocamento dos raios X é causado pelo momento de partículas dos fótons . A fórmula de dispersão de Compton é a relação matemática entre a mudança no comprimento de onda e o ângulo de dispersão dos raios-X. No caso de espalhamento de Compton, o fóton de frequência  f  colide com um elétron em repouso. Após a colisão, o fóton ricocheteia o elétron, perdendo parte de sua energia inicial (dada pela fórmula E = hf de Planck). Enquanto o elétron ganha impulso (massa x velocidade), o  fóton não pode diminuir sua velocidade. Como resultado da lei de conservação do momento, o fóton deve diminuir seu momento dado por:

Como resultado da lei de conservação do momento, o fóton deve diminuir seu momento dado por esta fórmula.

Compton Scattering
Na dispersão de Compton, o fóton de raios gama incidente é desviado através de um ângulo respect em relação à sua direção original. Essa deflexão resulta em uma diminuição na energia (diminuição na frequência do fóton) do fóton e é chamado de efeito Compton.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Portanto, a diminuição do momento do fóton deve ser traduzida em  diminuição da frequência  (aumento no comprimento de onda Δ λ = λ ‘- λ ). A mudança do comprimento de onda aumentou com o ângulo de dispersão, de acordo com  a fórmula de Compton :

O deslocamento do comprimento de onda aumentou com o ângulo de dispersão, de acordo com a fórmula de Compton

onde λ  é o comprimento de onda inicial do fóton λ ‘  é o comprimento de onda após a dispersão,  é a constante de Planck = 6,626 x 10 -34  Js, e  é a massa de repouso do elétron (0,511 MeV) c  é a velocidade da luz Θ  é a dispersão ângulo. A mudança mínima no comprimento de onda ( λ ′  –  λ ) para o fóton ocorre quando Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) e é pelo menos zero. A variação máxima no comprimento de onda ( λ ′  –  λ) para o fóton ocorre quando Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). Nesse caso, o fóton transfere para o elétron o máximo de momento possível. A mudança máxima no comprimento de onda pode ser derivada da fórmula de Compton:

A mudança máxima no comprimento de onda pode ser derivada da fórmula de Compton.  Comprimento Compton

A quantidade h / m e c é conhecida como  comprimento  de onda do elétron de Compton e é igual a  2,43 × 10−12 m . 

Espalhamento por Rayleigh – Espalhamento Thomson

A dispersão Rayleigh , também conhecida como Thomson, é o limite de baixa energia da dispersão Compton. A energia cinética das partículas e a frequência de fótons não mudam como resultado da dispersão. A dispersão de Rayleigh ocorre como resultado de uma interação entre um fóton e um elétron, cuja energia de ligação é significativamente maior que a do fóton recebido. Presume-se que a radiação incidente coloque o elétron em oscilação ressonante forçada, de modo que o elétron reemita radiação da mesma frequência, mas em todas as direções. Nesse caso, o campo elétrico da onda incidente (fóton) acelera a partícula carregada, fazendo com que, por sua vez, emita radiação na mesma frequência que a onda incidente e, assim, a onda é dispersa. A dispersão de Rayleigh é significativa até ± 20keV e, como a dispersão de Thomson, é elástica. A seção transversal de dispersão total se torna uma combinação das seções transversais de dispersão ligadas por Rayleigh e Compton. A dispersão de Thomson é um fenômeno importante na física do plasma e foi explicada pela primeira vez pelo físico JJ Thomson. Essa interação tem grande significado na área da cristalografia de raios-X.

Atenuação de raios X

Coeficientes de atenuação.
Total de seções transversais de fótons.
Fonte: Wikimedia Commons

À medida que os fótons de alta energia passam pelo material, sua energia está diminuindo. Isso é conhecido como atenuação . A teoria da atenuação também é válida para raios-X e raios gama . Acontece que os fótons de energia mais alta (raios-X duros) viajam através do tecido mais facilmente do que os fótons de baixa energia (isto é, os fótons de energia mais alta têm menor probabilidade de interagir com a matéria). Grande parte desse efeito está relacionada ao efeito fotoelétrico . A probabilidade de absorção fotoelétrica é aproximadamente proporcional a (Z / E) 3, onde Z é o número atômico do átomo de tecido e E é a energia do fóton. À medida que E aumenta, a probabilidade de interação diminui rapidamente. Para energias mais altas, a dispersão de Compton se torna dominante. A dispersão de Compton é constante para energias diferentes, embora diminua lentamente em energias mais altas.

Veja também: Atenuação de raios-X

Blindagem de raios-X

Em resumo, a blindagem eficaz dos raios X é, na maioria dos casos, baseada no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

  • alta densidade de material.
  • alto número atômico de material (materiais com alto Z)

No entanto, materiais de baixa densidade e materiais de baixo Z podem ser compensados ​​com espessura aumentada, o que é tão significativo quanto a densidade e o número atômico em aplicações de blindagem.

Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo de raios-X . A principal vantagem da blindagem de chumbo está na sua compacidade devido à sua maior densidade. Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo gama. Por outro lado, o  urânio empobrecido  é muito mais eficaz devido ao seu maior Z. O urânio empobrecido é usado para blindagem em fontes portáteis de raios gama.

Em  usinas nucleares, a  blindagem de um  núcleo de reator  pode ser fornecida por materiais do vaso de pressão do reator, internos do reator ( refletor de nêutrons ). Também o concreto pesado é geralmente usado para proteger os  nêutrons  e a radiação gama.

Em geral, a blindagem de raios-X é mais complexa e difícil do que a  blindagem de radiação alfa  ou  beta . Para entender de maneira abrangente como um raio X perde sua energia inicial, como pode ser atenuado e como pode ser protegido, precisamos ter um conhecimento detalhado dos mecanismos de interação.

Veja também mais teoria:  Interação de raios-X com a matéria

Veja também calculadora:  Atividade gama para taxa de dose (com / sem proteção)

Consulte também XCOM – seção transversal do fóton DB:  XCOM: banco de dados de seções transversais do fóton

 

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.