APRESENTAÇÃO SOBRE FÍSICA BÁSICA

1. Física Básica das Radiações
Bruna Santana da Costa - R1 Física Médica/Radioterapia

2. Classificação da Radiação
● Ionização: Processo em que um átomo neutro adquire carga positiva ou negativa pelo ganho ou
perda de elétrons.
● Radiações diretamente ionizantes: Partículas carreadas liberam energia ao meio através de
interações eletromagnéticas.
● Radiações indiretamente ionizantes: Fótons transferem sua energia para os átomos, provocando
novas ionizações. As partículas liberadas interagem eletromagneticamente com o meio, Este tipo de
radiação pode percorrer espessuras consideráveis dentro de um material, sem interagir.

3. Origem da radiação ionizante
● Raios X caracteríscos: Resulta de transições entre os níveis atômicos.
● Bremsstrahlung (Radiação de freamento): Resulta da interação eletromagnética entre elétron e
átomo
● Raios gama: Transições nucleares.
● Radiação de aniquilação: Resulta da aniquilação elétron-pósitron.

4. Definições básicas para a estrutura atômica
Átomos possuem núcleos constituídos por prótons e nêutrons, e na eletrosfera estão os elétrons.
e=1,602E-19 C
● Número Atômico (Z): Número de prótons encontrados em um átomo. Se o átomo for neutro, o
número de elétrons corresponde ao número atômico.
● Número atômico de massa (A): Número de núcleons (prótons + nêutrons).

5. Modelo Atômico de Rutherford
Esse modelo tem origem nos resultados obtidos por Rutherford em um experimento que analisava o
espalhamento de partículas alfa (núcleo de Hélio) por folhas de ouro (Z=79). Os resultados mostram que a
maior parte da massa do átomo estava concentrada em uma pequena região, carregada positivamente
chamada de núcleo, e os elétrons estavam distribuídos ao redor do átomo.
Os resultados obtidos por Rutherford eram incompatíveis com o modelo de Thompsom (“pudim de
passas”) que postulava que cargas positivas e negativas estavam distribuídas uniformemente de maneira
esférica.

6. Modelo de Bohr para o átomo de Hidrogênio
● Os elétrons giram em torno do núcleo em órbitas específicas e são impedidos de deixar o átomo
pela força de atração entre o núcleo positivamente carregado e os elétrons carregados
negativamente. Mas de acordo com a física clássica, partículas carregadas aceleradas emitem
radiação e com isso os elétrons perderiam sua energia e colidiriam com o núcleo.
● Bohr postulou que no átomo os elétrons não perdiam energia por aceleração enquanto orbitavam. E
também propôs que os orbitais só podem assumir valores de momento angular que fossem múltiplos
inteiros da constante de Planck (h = 6,63x10-34J.s).
● Esse modelo não se aplica a átomos multieletrônicos.

7. Radioatividade
A radioatividade é caracterizada pela transformação de um núcleo instável em um estável
através de sucessivos decaimentos, em que o átomo emite partículas até atingir a estabilidade. Por
exemplo: O urânio-238 tem 92 prótons, porém através dos anos vai perdendo-os até terminar em chumbo,
com 82 prótons estáveis.

8. A atividade de uma substância no tempo t é definida como o produto da constante de decaimento λ
e o número de núcleos radioativos N(t).
A(t) = λ N(t)
Devido ao decaimento radioativo, o número de núcleos radioativos varia com o tempo através da
relação:
N(t)=N(0) exp(- λt)
Onde N(0) é o número de núcleos radioativos no tempo inicial (t=0)
De maneira análoga, a atividade é dada por:
A(t)=A(0) exp(- λt)
O tempo de meia vida é o tempo necessário para que o número de núcleos
radioativos (ou a atividade) decaía até a metade do seu valor inicial.

9. Formas de decaimento radioativo
Decaimento α:
Decaimento β-:
N → P, um antineutrino e um elétron são emitidos
Decaimento β+:
P → N, um neutrino e um pósitron são emitidos

10. Formas de decaimento radioativo
Captura eletrônica: P → N, o núcleo captura um elétron orbital da
v camada K, um neutrino é ejetado.
Decaimento γ: Um núcleo em estado excitado decai emitindo um y
fóton γ
Conversão Interna: A excitação nuclear é transmitida para um elétron
orbital que é excitado. Um elétron de uma camada
mais externa preenche o buraco e a energia de
transição é emitida na forma de elétrons Auger ou
RX característico.

11. Interações elétricas
Quando um elétron atravessa a matéria, interage de forma eletromagnética com os elétrons orbitais
e os núcleos dos átomos. Nessas colisões, o elétron pode perder energia cinética (perdas radioativas) e/ou
mudar a sua trajetória (espalhamento).
Em um meio de densidade ρ, a energia cinética perdida pelo elétron é descrita pelo stopping power:
Stopping power de colisão: Interações elétron-elétron orbital (ionizações e excitações).
Stopping power de radiação: Interações elétron-núcleo (bremsstrahlung).

12. Atenuação do feixe de fótons
A intensidade I(x) de um feixe monoenergético que atravessa um meio atenuador de espessura x é:
I(x)=I(0) exp(- µx) µ= µ(hν,Z) →Coef. atenuação linear
A camada semiredutora (HVL - Half Value Layer) é por definição a espessura do meio que atenua
50% da intensidade inicial do feixe de fótons, e a decirredutora (TVL - Tenth Value Layer) é é a espessura
que atenua o feixe até a intensidade de 10%

13. Tipos de interação de fótons
A probabilidade de ocorrência de cada tipo de interação depende da energia hν do fóton e do
número atômico do material atenuador.

14. Efeito Fotoelétrico
O fóton incidente interage com o elétron orbital que está fortemente ligado ao átomo e
transferindo para ele toda a sua energia. Esse elétron é ejetado do átomo e sua energia cinética é dada
por:
Ek= hν - EB
Onde EB é a energia de ligação do elétron que foi ejetado. Para manter a estabilidade do
átomo, um elétron da camada mais externa preenche a vacância deixada pelo elétron da camada interna
que foi ejetado, emitindo um fóton de raio X característico de cada elemento ou elétrons Auger.

15. Espalhamento Coerente (Rayleigh)
O espalhamento coerente é um espalhamento elástico e o fóton incidente colide com um elétron
orbital e ocorre pouca transferência de energia para o meio. A energia e a direção de espalhamento do
fóton é praticamente a mesma do incidente.
Por isso, é um fenômeno difícil de ser medido experimentalmente e a modelagem teórica desse
fenômeno é obtida via métodos iterativos da mecânica quântica.

16. Efeito Compton (Espalhamento incoerente)
Esse efeito ocorre quando o fóton incide com um elétron que está ligado mais fracamente ao núcleo.
A energia de ligação do elétron é muito menor que a do fóton incidente. O fóton transfere parte de sua
energia para o elétron e é espalhado por um ângulo θ com uma energia menor.

17. Produção de pares
Esse efeito predomina quando a energia do fóton é alta. O fóton incidente interage com o
núcleo atômico e toda a sua energia é convertida em massa de repouso e energia cinética do par elétron-
pósitron carregados. A energia mínima para que esse efeito ocorra é 1,022 MeV. A produção de pares é
seguida pela aniquilação do pósitron com algum elétron do meio gerando dois fótons com 511 MeV.

18. Contribuição ao coeficiente de atenuação
O coeficiente de atenuação linear total será a soma das contribuições dos diversos efeitos que
podem ocorrer para cada energia dos fótons, onde cada coeficiente parcial é obtido a partir das seções de
choque atômicas multiplicada pela densidade volumétrica dos átomos. A unidade de µ é 1/cm.
A partir do conhecimento dos coeficientes parciais é possível determinar a proporção em que
cada um dos tipos de efeitos pode ocorrer quando um feixe de fótons atravessa um material.

19. Obrigada!