Radioatividade é o fenômeno pelo qual um núcleo
instável emite espontaneamente entidades (partículas, ondas) numa reação
nuclear denominada decomposição radioativa ou decaimento, transformando-se
em outro núcleo mais estável.
As entidades emitidas pelo núcleo são denominadas
de radiações.
O fenômeno da radioatividade é exclusivamente
nuclear, isto é, ele se deve unicamente ao núcleo do átomo. Ela não é
afetada por nenhum fator externo como pressão e temperatura.
Este processo foi descoberto, quase
acidental-mente, por Henri Becquerel, um cientista francês, em 1896. Quando
estudava fluorescência dos sais de urânio, descobriu que eles liberavam um
novo tipo de radiação de alta energia, capaz de escurecer uma chapa
fotográfica. Aparentemente, esta radiação nunca tinha sido detectada antes,
apesar do elemento urânio ser conhecido há mais de um século.
Becquerel mostrou que a velocidade de emissão da
radiação a partir de um sal de urânio [K2UO2(SO4)2
— sulfato duplo de Potássio e Uranilo] era diretamente proporcional à
quantidade de urânio presente.
Havia uma exceção a esta regra. Um certo mineral
de urânio denominado Pechblenda liberava radiação a uma velocidade quatro
vezes maior do que se calculava com base no conteúdo de urânio. Em 1898,
Marie e Pierre Curie, colegas de Becquerel na Universidade de Sourbone,
tentaram encontrar o ingrediente ativo de Pechblenda. Eles isolaram uma
fração de um grama de um novo elemento a partir de uma tonelada de minério.
Este elemento era mais intensamente radioativo do que o urânio. Eles
denominaram-no polônio, em homenagem à Polônia, o país de origem de Marie
Curie. Seis meses mais tarde, os Curie isolaram outro elemento novo,
fortemente radioativo: o rádio. O prêmio Nobel de Física, em 1903, foi
concedido conjuntamente a Becquerel e aos Curie, devido ao feito realizado.
A radiação liberada na radioatividade natural
pode ser separada por um campo elétrico ou magnético em três tipos
distintos. A figura a seguir ilustra tal separação através de
utilização de um campo elétrico.
Consiste em um feixe de partículas carregadas
positivamente (partículas alfa) com cargas 2 + e uma massa 4 na escala de
massa atômica, que se refere a dois prótons e dois nêutrons. Essas
partículas são idênticas aos núcleos de átomos de hélio comuns,
.
Ao que parece, são emitidas com velocidade não
muito inferior a 20 000 km/s. Têm pequeno poder de penetração. Quando
atravessam uma camada de ar, perdem rapidamente energia pela colisão com as
moléculas do ar, sendo, por este motivo, retidas em poucos centímetros. A
radiação alfa é interceptada por uma folha de papel ou pela camada de
células mortas da superfície da pele.
3.2. Radiação Beta (β)
A radiação beta é constituída por um feixe de
partículas carregadas negativamente (partículas beta), idênticas, em
propriedade, aos elétrons. A ejeção de uma partícula beta (massa
≈ 0, carga = -1) converte um nêutron (massa
= 1, carga = 0) no núcleo em próton (massa = 1, carga = +1).
A partícula beta é cerca de sete mil vezes mais
leve que a partícula alfa, com velocidade que pode chegar a 95% da
velocidade da luz, daí possuindo maior poder de penetração. Ela atravessa
uma forma de papel, porém é interceptada por uma fina placa de chumbo. A
radiação beta atravessa a camada superficial da pele, podendo causar
queimaduras, porém sem chegar a atingir órgãos internos.
3.3. Radiação Gama (γ)
Consisteem
fótons de alta energia, de comprimento de onda muito curto (γ
= 0,0005 a 1,0 mm). A emissão de radiação gama acompanha a maioria dos
processos radioativos. Um núcleo excitado, resultante de uma emissão alfa ou
beta, libera um fóton (ondas eletromagnéticas) e passa para um nível de
energia mais baixo e mais estável.
Por causa de sua grande energia e, praticamente,
ausência de massa, tem alto poder de penetração. Atravessa facilmente a
folha de papel, a placa de chumbo e até uma chapa de aço. Só uma parede de
chumbo ou um enorme bloco de concreto são capazes de detê-la. A
radioatividade gama passa facilmente através do corpo humano, causando danos
irreparáveis às células. Entretanto, quando convenientemente dosadas, as
radiações gama podem ser utilizadas para tratar algumas espécies de câncer,
pois destroem as células cancerosas.
A figura acima mostra uma bomba de Cobalto: as
radiações do Cobalto-60, usadas cuidadosamente, bloqueiam o crescimento das
células cancerosas.
Veja o esquema:
As radiações gama são dirigidas através de um
dispositivo para as células cancerosas, destruindo-as.
A emissão de partículas do núcleo de um átomo
instável ocorre de acordo com algumas leis básicas, que foram formuladas por
Ernest Rutherford em 1903, por Kasumir Fajans, professor de físico-química
da Universidade de Munique, e por Frederick Soddy, professor em Oxford.
4.1. 1a Lei da
Radioatividade (Soddy)
Quando um átomo emite uma partícula alfa
, transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) duas unidades
menor e de no de massa (A) quatro unidades menor.
Genericamente temos:
Exemplo:
4.2. 2a Lei da Radioatividade (Fajans)
Quando um átomo emite partículas beta
, transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade
superior e de mesmo número de massa (A). Quando um átomo emite partículas
beta , transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade
superior e de mesmo número de massa (A).
Genericamente temos:
Exemplo
4.3. Hipótese de Fermi
Enrico Fermi, um físico italiano, lançou a
seguinte hipótese para explicar a emissão de partículas
(semelhante aos elétrons) a partir do núcleo de um átomo:
“A partícula
é emitida quando um nêutron instável se desintegra, convertendo-se em um
próton."
O próton fica no núcleo e, como a massa do próton
é praticamente igual à massa do nêutron, a massa total do átomo não se
altera.
A partícula
é expulsa do núcleo junto com a radiação
e uma outra partícula subatômica chamada de neutrino
, de carga elétrica igual a zero e massa desprezível.
Na figura ao lado,
representa-se toda a série de decaimento radioativo
do Urânio-238. Cada emissão ALFA corresponde a uma diminuição de
4 unidades no número de massa atômica e de 2 unidades no número atômico,
pois a partícula alfa é o
4He2+. Uma emissão BETA
não provoca alteração no número de massa, uma vez que um nêutron se
transforma em um próton: com um consequente aumento do número atômico. O
processo culmina com a emissão de elétrons - as partículas beta.
A radioatividade é um fenômeno estatístico. Isso
significa que não é possível prever quanto tempo um determinado átomo levará
para se desintegrar emitindo partículas
ou
;
mas é possível determinar quanto tempo uma amostra desses átomos levará para
se desintegrar.
Período de Semidesintegração ou Meia-vida (p ou t1/2)
É o tempo necessário para que metade do número de
átomos de determinada substância radioativa se desintegre.
Exemplo
Outros exemplos
Radioisótopos
Considere uma amostra de substância radioativa
qualquer, tendo N0 átomos:
Podemos observar que, a cada período de meia-vida
(P) que se passa, o número de átomos radioativos na amostra diminui pela
metade.
Concluímos, então, que, após x períodos de
meia-vida, o número de átomos radioativos que resta na amostra (n) pode ser
calculado pela relação:
onde:
n = número de átomos final (restantes)
n0 = número de átomos inicial
X = número de períodos de meia-vida que se
passou.
O tempo (t) necessário para que dos n0
átomos radioativos iniciais restem apenas n pode ser calculado pelo produto:
Sendo o números de átomos (n) diretamente
proporcional à massa (m) de átomos na amostra, vale ainda a relação:
onde:
m = massa de átomos final (restantes)
m0 = massa de átomos inicial
X = número de períodos de meia-vida que se passou
Graficamente, podemos representar o processo de
decaimento radioativo através da curva exponencial de decaimento:
A transmutação, velho sonho dos alquimistas,
consiste em transformar um elemento em outro.
A primeira transmutação artificial foi realizada
em 1919 por Rutherford, que colocou uma amostra de um material radioativo
(polônio) em um frasco contendo nitrogênio. Após um certo tempo, verificou
que o frasco continha oxigênio e não mais nitrogênio. Então, concluiu que o
nitrogênio transformara-se em oxigênio.
O polônio emite partículas alfa, as quais
bombardeiam os núcleos de nitrogênio transformando-os em núcleos de
oxigênio.
Assim:
As partículas são hoje aceleradas em grandes
aceleradores, como o ciclotron, o betatron e outros.
Em 1932, o cientista James Chadwick descobriu o
nêutron através do bombardeamento do isótopo 9 do berílio com partículas
alfa.
Em 1934, Irene Joliot-Curie, filha do casal
Curie, conseguiu transformar núcleos de alumínio em núcleos de fósforos,
também através de bombardeamento com partículas alfa.
Atualmente, realiza-se um grande número de
reações nucleares bombardeando núcleos por núcleos mais leves, por
partículas alfa, por nêutrons, por núcleos de deutério
,
etc.
Com o desenvolvimento da física nuclear,
criaram-se em laboratório novos elementos graças às reações nucleares. É
o caso do Tc (Z = 43), Pm (Z = 61), At (Z = 85), Fr (Z = 87) e de todos
com número atômico acima de 92.
Além disso, provocando bombardeamento de núcleos
leves com
ou
,
obtemos emissão de nêutrons com alta velocidade.
A seguir, damos alguns exemplos de reações de
transmutação artificial.
A preocupação do homem, principalmente nesta
segunda metade do século XX, tem sido a obtenção de energia. Todos nós
sabemos da enorme quantidade de energia que pode ser obtida de um processo
nuclear. De onde esta provém? A resposta é dada pela equação de Einsten
,
baseada na idéia de que a massa pode ser convertida em energia e vice-versa
ou, melhor, massa e energia são diferentes, mas são manifestações
interconvertíveis da mesma coisa.
Essa energia nuclear tão poderosa pode ser obtida
através das reações de fissão e fusão.
7.1. Fissão Nuclear
Em 1934, Enrico Fermi bombardeou átomos de urânio
com nêutrons. A princípio, ele desconfiou da formação de elementos com
número atômico maior que 92 (elementos transurânicos).
Em 1938, Otto Hahn Strassmann, repetindo a mesma
experiência, constatou a existência do bário entre os produtos obtidos.
Estranho, pois o bário, tendo número atômico 56, é um átomo com número
atômico menor que 92 (elemento cisurânico). No mesmo ano, Meitner e Frisch
explicaram o fenômeno admitindo a quebra ou fissão, ou
desintegração do átomo de urânio.
O processo de fissão nuclear foi utilizado por um
grupo de cientistas, liderados por J. Robert Oppenheimer, em Los Álamos
(Novo México), na fabricação da bomba atômica (Bomba A), que foi detonada em
16 de julho de 1945, no campo experimental do Novo México (EUA), e
militarmente usada no fim da Segunda Guerra Mundial contra as cidades
japonesas de Hiroshima (Bomba A de urânio-235 em 6/8/45) e de Nagasaki
(Bomba A de plutônio-238 em 9/8/45).
Como funciona a Bomba “A”
No processo de fissão ocorre uma reação em
cadeia. Teoricamente, bastaria apenas um nêutron para iniciar o processo,
mas na prática exige-se uma massa mínima para que isto ocorra.
Essa massa mínima, acima da qual haverá detonação
com reação em cadeia, é denominada massa crítica. Para o urânio-235, essa
massa vale cerca de 40 kg.
Observe a animação:
Como a Bomba “A” Mata
A Bomba “A”, lançada em Hiroshima, em 6/8/45, era
carregada com urânio-235, com uma potência de 20 quilotons, isto é,
correspondente à carga de 20 000 toneladas de TNT (dinamite).
A bomba foi lançada a mais de mil metros de
altitude, e a explosão teve início no momento em que duas massas subcríticas
foram postas em contato através de um explosivo comum, iniciando a reação em
cadeia. Nesse instante, a bomba é uma massa gasosa com temperatura da ordem
de milhões de graus.
Imediatamente depois (0,0001 segundos), a massa
gasosa se expandiu e emitiu elevadas quantidades de raio X e raios
ultravioleta. Essa emissão de radiação eletromagnética foi absorvida pelo ar
e provocou uma luminosidade tão intensa que poderia cegar as pessoas que a
encarassem.
Uma vez absorvida a radiação, a massa detonou e o
ar em redor dela formou uma bola de fogo que, ao expandir-se, destruiu todos
os materiais inflamáveis e provocou queimaduras de primeiro, segundo e
terceiro graus. O brilho luminoso podia destruir a retina.
Só agora, cerca de 6 segundos após a primeira
fissão, a onda de choque atinge o solo iniciando a devastação mecânica.
A onda de choque se propagou rapidamente, seguida
de deslocamento de ar provocado pela esfera de fogo. O fenômeno equivale a
um furacão com ventos de 200 a 400 km/h.
Dois minutos depois da explosão, a esfera de fogo
já estava completamente transformada em cogumelo que iria atingir a
estratosfera. Os ventos que aí ocorrem disparam partículas pela atmosfera.
Fotografias de
Hiroshima e Nagasaki obtidas algumas horas após as explosões. Os fotógrafos
também foram vítimas da radiação
Aprecipitação radioativa pode prolongar-se por
muitos anos e cair sobre qualquer ponto da Terra. Basicamente, este é o
momento pelo qual ecologistas de todo o mundo e particularmente da Europa,
se opõem à construção de usinas nucleares, pois as reações que ocorrem no
reator nuclear são as mesmas verificadas durante a explosão da bomba
atômica.
A preocupação
em uma guerra não é apenas conquistar o território
inimigo a qualquer custo, mas proteger as tropas
aliadas e manter as edificações e as armas dos
inimigos para que sejam utilizadas posteriormente
pelo exercito conquistador ou defensor.
A bomba de nêutron
faz muito bem seu dever de casa quando se fala em
eliminar, quer dizer, imobilizar o inimigo e
preservar os prédios, casas, etc. sendo possível a
utilização posterior destes. Então, como funciona a
bomba de nêutron, como ela consegue isso?
Bom, a bomba
de nêutron é uma bomba nuclear, melhor dizendo,
termonuclear, que após uma reação de fusão entre os
elementos que compõem a bomba os nêutrons não são
absorvidos pela reação, o que permite que eles
escapem com uma alta energia, bem como os raios-X
que também são gerado nessa fusão nuclear.
O nêutron, em
altíssima energia gerada pela reação nuclear, é mais
penetrante que outros tipos de radiação, como a
radiação gama, então ela penetra em locais onde
possa existir blindagem contra radiações.
A bomba de
nêutron só tem ação sobre organismos vivos, o que
dão as vantagens citadas acima para o exercito que a
tem. Daí você me pergunta: Como assim ela só tem
ação em organismos vivos? Como ela sabe o que é vivo
e não é? Bom, os nêutrons não sabem o que é vivo ou
não, o que acontece é que eles atingem a nível
celular, ou seja, eles matam as células, e só têm
célula os organismos vivos. Por exemplo, se uma
bomba for lançada sobre Brasília, todos os prédios,
carros, o Congresso, a Granja do Torto, permanecerão
intactos. Porém, todas as pessoas, plantas e animais
que lá estiverem, morrerão. Permaneceria intacta, de
igual modo, a estrutura do corpo humano que for
atingido pelos nêutrons. As pessoas não se
desintegrariam ou virariam pó (como alguns poderiam
imaginar)(com exceção daquelas que estiverem no
epicentro da bomba), o individuo morreria porque
todas as suas células estariam mortas, mas o seu
corpo permaneceria intacto assim como as edificações
do local.
A radiação dos
nêutrons são dispersos, isto é, perde sua força, em
um raio de 1,7km e desaparecem rapidamente.
O conceito da bomba
de nêutron desenvolvido criado em 1958 por Samuel
Cohen e testado em 1963, contra a vontade do
presidente Kennedy. Em 1978 seu desenvolvimento foi
adiado pelo presidente Jimmy Carter mas foi retomado
em 1981 pelo presidente Ronald Reagan.
O reator nuclear do tipo PLUR (Pressurized
Water Reactor) é um sistema em que a reação de fissão em cadeia é
mantida sob controle e a energia liberada na fissão é usada como fonte de
calor para ferver água, cujo vapor aciona uma turbina geradora que produz
eletricidade como uma máquina térmica convencional. Tem-se, então, uma usina
núcleo-elétrica, onde a fornalha convencional é substituída pelos núcleos em
fissão.É o que chamamos de usina termonuclear.
As usinas termonucleares são utilizadas há vários
anos em muitos países. No Brasil, a Central Nuclear de Angra dos Reis
emprega a fissão de urânio.
1 g de madeira →
0,0018 kWh → energia para iluminar 1
lâmpada de 100 W, durante 1 min.
1 g de carvão →
0,0037 kWh → energia para iluminar 2
lâmpadas de 100 W, durante 1 min.
1 g de 235U
→ 150 000 kWh
→ energia para iluminar uma cidade de 500 000 habitantes durante 1
hora.
Visão seccional de uma usina nuclear
tipo PWR
Reator nuclear (esquemático)
Usina Nuclear Brasileira
A Usina Nuclear de Angra dos Reis está localizada
na praia de Itacuna, município de Angra dos Reis (RJ), a 130 km do Rio de
Janeiro, 220 km de São Paulo e 350 km de Belo Horizonte. Esta localização
atende a três requisitos fundamentais:
— Existe água fria em abundância por estar a
usina à beira-mar;
— Possibilita o transporte de peças extremamente
pesadas;
— Atende aos principais centros de consumo de
energia elétrica da região Sudeste, já interligados por um sistema de
transmissão confiável.
Lixo Atômico
Um dos maiores problemas de uso de reatores
nucleares, descartando a constante possibilidade de um acidente, são os
produtos residuais radioativos, ou chamado lixo atômico, produzido em grande
escala.
Quando o urânio-235 está sobre fissão nuclear,
ele desaparece, surgindo em seu lugar átomos radioativos de Ba e Kr. Os
átomos de urânio-238, que absorvem nêutrons, também se transformam a partir
de sucessivas emissões. Todo esse material é altamente radioativo e
perigoso, constituindo-se num lixo incômodo. Anualmente, 1/3 do combustível
é substituído. Se esses resíduos forem enterrados e se infiltrarem nos
depósitos subterrâneos de água, ou então, se forem jogados ao mar em
tambores que venham a sofrer corrosão ao longo dos anos, liberando seu
conteúdo, os resultados serão desastrosos.
Alguns fragmentos radioativos desse lixo esgotam
a sua atividade em pouco tempo. Outros demoram meses ou anos, enquanto
poucos, como o Césio-137 e o Estrôncio-90, levam 600 anos para atingir um
estado estável.
No processo de transmutação do reator nuclear
surge o plutônio-239, material que, além de tóxico, é apropriado para uso
explosivos em bombas atômicas. Politicamente, uma usina nuclear torna-se
estratégica porque, em alguns anos, haverá suficiente plutônio para fazer
uma bomba atômica.
O Acidente de Chernobyl
Apesar de toda a
repercursão negativa, o acidente em Chernobyl matou menos de 30 pessoas, no
total. A usina continha funcionando.
Uma das conseqüências ligada ao uso de reatores
nucleares ocorreu em abril de 1986, na usina nuclear de Chernobyl, na
Ucrânia (ex-URSS). Ocorreu falha no controle da temperatura interna do
reator, superaquecendo a água do reator, rompendo a blindagem e lançando
material radioativo na atmosfera, formando uma nuvem radioativa, observada
pelos países vizinhos.
No interior da usina, o processo de fissão
contínuo foi aumentando cada vez mais a temperatura e derretendo o piso. O
reator começou a descer devido à ação do próprio peso. Os técnicos
conseguiram introduzir uma grossa camada de concreto abaixo do nível em que
se encontrava o reator, impedindo que ele atingisse os lençóis subterrâneos
de água, o que seria desastroso em termos de espalhamento de lixo
radioativo. A usina foi recoberta com várias toneladas de concreto. Debaixo
dessa capa protetora, a fissão do material lá existente continuará por
muitos anos.
7.2. Fusão Nuclear
Consiste na síntese (reunião) de núcleos, dando
origem a um núcleo maior e mais estável, e na emissão de grande quantidade
de energia. São necessárias altas temperaturas para que ocorra a fusão
nuclear.
Esse processo é o que ocorre no Sol, onde núcleos
de hidrogênio leve (prótio) se fundem, formando núcleos de hélio com
liberação de alta quantidade de energia.
Essa reação que ocorre no Sol não pode ser
realizada artificialmente, pois exige uma temperatura elevadíssima, da ordem
de 10 milhões de graus Celsius.
Entretanto, em 1952, os cientistas conseguiram
realizar a fusão-controlada, envolvendo não só prótio, mas também deutério,
trítio e até mesmo núcleos de hélio.
Cientistas prevêem a construção de reatores de
fusão com muitas vantagens sobre os reatores de fissão. As principais
vantagens de um reator de fusão seriam sua economia e a virtual ausência de
detritos radioativos e, portanto, não-poluentes. O maior problema que se
encontra neste tipo de reator está, não somente em se reproduzirem as
temperaturas necessárias à fusão, mas também em se conseguir um meio que
suporte tais temperaturas.
A fissão nuclear não é usada apenas para
artefatos nucleares ou reatores nucleares, produtores de energia elétrica.
Através da fissão nuclear, podemos obter
importantes isótopos radioativos, denominados radioisótopos, que apresentam
muitas aplicações pacíficas no mundo moderno, como mostram as tabelas
abaixo.
Na indústria, os isótopos
radioativos são usados no controle de qualidade de chapas de metal e de
outros materiais. Na medicina, os radioisótopos são empregados no
diagnóstico e no tratamento de uma série de moléstias. Na agricultura, eles
são usados para estudar o grau de absorção de fertilizantes, na obtenção de
cereais mais resistentes e na destruição de insetos e fungos. A idade dos
fósseis e da Terra pode também ser determinada através do estudo das
radiações.
Este método é usado para determinar
a idade de plantas e animais fósseis, de múmias, etc. e se baseia no
processo a seguir descrito.
O isótopo carbono-14 forma-se a
partir do 14N, pela ação dos raios cósmicos que vêm do espaço
sideral, atravessam a atmosfera e arrancam nêutrons do ar. Estes, ao
penetrarem na atmosfera, incidem sobre núcleos de nitrogênio,
transformando-os em 14C radioativo, cuja meia-vida é de 5 600
anos.
O carbono reage com o oxigênio do
ar, formando gás carbônico
, que é absorvido pelas plantas (fotossíntese). Os animais que se alimentam
de plantas fixam carbono
em seus tecidos. Para cada átomo de
existem 1012 átomos de carbono comum. Essa proporção é constante
enquanto o animal ou vegetal estiver vivo. Ao morrerem, não havendo
renovação dos organismos, a quantidade de 14C diminui
progressivamente, por desintegração, segundo a reação.
Deste modo, medindo a radioatividade
residual do fóssil, devemos calcular a sua idade. A grande dificuldade está
no fato de essa radioatividade ser muito fraca.
São necessários, pois, contadores de
grande proporção e, ainda por cima, isolados da influência de raios cósmicos
e de seus subprodutos que chegam com freqüência à superfície da Terra. Com
outras precauções, podemos efetuar datações de até 40 000 anos, com erros da
ordem de 200 anos.
Assim que um
organismo morre, ele pára de absorver novos átomos de
carbono. A relação de carbono 12 por carbono 14 no momento
da morte é a mesma que nos outros organismos vivos, mas o
carbono 14 continua a decair e não é mais reposto. Numa
amostra a meia-vida do carbono 14 é de 5.600 anos, enquanto
a quantidade de carbono 12, por outro lado, permanece
constante. Ao olhar a relação entre carbono 12 e carbono 14
na amostra e compará-la com a relação em um ser vivo, é
possível determinar a idade de algo que viveu em tempos
passados de forma bastante precisa.
Uma fórmula usada para calcular a idade
de uma amostra usando a datação por carbono 14 é:
t = [ ln (Nf/No)
/ (-0,693) ] x t1/2
em que In é o logaritmo neperiano, Nf/No
é a porcentagem de carbono 14 na amostra comparada com a
quantidade em tecidos vivos e t1/2
é a meia-vida do carbono 14 (5.600 anos).
Por isso, se você tivesse um fóssil com
10% de carbono 14 em comparação com uma amostra viva, o
fóssil teria:
t = [ln (0,10)/(-0,693)] x 5.700 anos
t = [(-2,303)/(-0,693)] x 5.700 anos
t = [3,323] x 5.700 anos
t = 18.940 anos de idade
Como a meia-vida do carbono 14 é de 5.700
anos, ela só é confiável para datar objetos de até 60 mil
anos. No entanto, o princípio usado na datação por carbono
14 também se aplica a outros isótopos. O potássio 40 é outro
elemento radioativo encontrado naturalmente em seu corpo e
tem meia-vida de 1,3 bilhão de anos. Além dele, outros
radioisótopos úteis para a datação radioativa incluem o
urânio 235 (meia-vida = 704 milhões de anos), urânio 238
(meia-vida = 4,5 bilhões de anos), tório 232 (meia-vida = 14
bilhões de anos) e o rubídio 87 (meia-vida = 49 bilhões de
anos).
O uso de radioisótopos diferentes permite
que a datação de amostras biológicas e geológicas seja feita
com um alto grau de precisão. No entanto, a datação por
radioisótopos pode não funcionar tão bem no futuro. Qualquer
coisa que tenha morrido após os anos 40, quando bombas
nucleares, reatores nucleares e testes nucleares em céu
aberto começaram a causar mudanças, será mais difícil de se
datar com precisão.
Resumindo temos:
Com este tipo de datação, podemos
fazer gráficos da história e da pré-história como o esquema abaixo.
Foram experimentos de datação com
14C que estimaram a idade do pedaço de tecido
conhecido como
Sudário de Turin ou,
simplesmente, Santo Sudário. Milhões de pessoas acreditam que a imagem
impressa no tecido seja o corpo de Cristo crucificado. Entretanto, os
experimentos de datação mostraram que as plantas que forneceram as fibras do
tecido (linho) foram cultivadas por volta de
1260 a 1390 D.C..
As análises foram feitas em 3
laboratórios independentes e diferentes, e apresentaram resultados
similares. Céticos e religiosos têm questionado estes resultados,
justificando que, talvez, um incêndio em 1532 D.C. e bactérias tenham
contaminado o tecido com matéria orgânica mais recente. Várias outras
técnicas de análise foram aplicadas e, hoje, um grupo de cientistas esta
tentando reproduzir, artificialmente, o sudário e sua inscrição.
Para estimar a idade da Terra,
tomam-se duas amostras de minério de urânio: uma formada recentemente e
outra presumivelmente datada da época de formação da Terra. A comparação
entre as quantidades de urânio e de chumbo presentes nas amostras permite
avaliar a idade do planeta. Para tanto, supõe-se que o chumbo presente
nesses minérios provenha do isótopo do urânio-238.
Cada átomo de
dá origem a um átomo de chumbo ();
o número de átomos de
existentes em um minério de urânio indica o número de átomos de
que sofreu redução. Com base nesse raciocínio, os cientistas estimaram em
2,8 · 109 anos a idade do sistema solar.
Saiba Mais Como funciona.....
O Contador de Geiger
O contador Geiger (ou contador
Geiger-Müller ou contador G-M) serve para medir
certas radiações ionizantes (partículas alfa, beta ou
radiação gama e raios-X, mas não os nêutrons). Este
instrumento de medida, cujo princípio foi imaginado por
volta de 1913 por Hans Geiger, foi aperfeiçoado por Geiger e
Walther Müller em 1928.
O contador Geiger é constituído de um
tubo Geiger-Müller e de um sistema de amplificação e de
registro do sinal. O tubo Geiger-Müller, uma câmara metálica
cilíndrica no eixo da qual é tendido um fino fio metálico, é
enchido por um gás a baixa pressão. Uma tensão elétrica de
ordem de 1000 volts é estabelecida entre o cilindro (que tem
papel de cátodo) e o fio (ânodo).
Quando uma radiação ionizante penetra no
contador, ela ioniza o gás, isto é, faz com que elétrons
sejam liberados. Esses elétrons se multiplicam rapidamente
por avalanche eletrônica, tornando o gás condutor durante um
curto tempo (fenômeno de descarga elétrica). Após
amplificação, o sinal elétrico assim produzido é registrado
e traduzido para uma indicação visual (agulha, lâmpada) ou
sonoro.
A Medicina Nuclear
Você provavelmente já viu, seja em
hospitais ou em seriados médicos na TV, pacientes
submetendo-se a radioterapia para câncer, e médicos
requisitando tomografias computadorizadas para diagnósticos
em seus pacientes. Essas são partes de uma especialidade
médica chamada medicina nuclear. A medicina nuclear
usa substâncias radioativas para obter imagens do corpo
humano e tratar doenças. Tanto a fisiologia como a anatomia
do organismo são consideradas para estabelecer o diagnóstico
e o tratamento.
Neste artigo, explicaremos algumas das
técnicas e termos usados em medicina nuclear. Você aprenderá
como a radiação auxilia os médicos a ver o interior do corpo
humano.
Principais radioisótopos
usados na Medicina
Isótopo
Principais usos
3H
Trítio
(hidrogênio-3)
Determinação do conteúdo
de água no corpo
11C
Carbono-11
Varredura
do cérebro com
tomografia de emissão
positrônica transversa
(PET) para traçar o
caminho da glucose
14C
Carbono-14
Ensaios de
radioimunidade.
24Na
Sódio-24
Detecção
de constrições e
obstruções do sistema
circulatório.
32P
Fósforo-32
Detecção de tumores
oculares, câncer de
pele, ou tumores
pós-cirúrgicos.
51Cr
Cromo-51
Diagnóstico de albumina,
tamanho e forma da baço,
disordens
gastrointestinais.
59Fe
Ferro-59
Mal função das juntas
ósseas, dianóstico de
anemias
60Co
Cobalto-60
Tratamento do câncer.
67Ga
Gálio-67
Varredura
do corpo inteiro para
tumores.
75Se
Selênio-75
Varredura do pâncreas
81mKr
Criptônio-81m
Varredura
da ventilação no pulmão.
85Sr
Estrôncio-85
Varredura
dos ossos para doenças,
incluindo câncer.
99mTc
Tecnécio-99m
Um
dos mais utilizados:
diagnóstico do cérebro,
ossos, fígado, rins,
músculos e varredura de
todo o corpo..
131I
Iodo-131
Diagnóstico
de mal funcionamento da
glândula tireóide,
tratamento do
hipertireoidismo e
câncer tireoidal.
197Hg
Mercúrio-197
Varredura dos rins.
Tipos de radiação
comumente empregados na
medicina
Tipo
de Radiação
Fontes
mais comuns
Energia
aproximada
(no uso)
Profundidade de
penetração
aproximada no
Ar
Tecido
Chumbo
Raios Alfa
(4He2+)
Rádio-226
Radônio-222
Polônio-210
5 MeV
4cm
0,05 mm
0
Raios Beta
(e-)
Trítio
Estrôncio-90
Iodo-131
Carbono-14
0,01 a 0,02 MeV
0,3 a 6 cm
0,06 a
4 mm
0,005 a 0,3 mm
Raios Gama
(fótons)
Cobalto-60
Césio-137
produtos do
decaimento do
Rádio-226
Tecnécio-99m
1 MeV
400 cm
50 cm
30 cm
Raios X
(fótons)
90 a 250 keV
120 a 240 m
30 cm
1,5 mm
Diagnóstico por imagens na medicina nuclear
Como nosso corpo não é transparente, olhar
para seu interior geralmente constitui um
processo doloroso. No passado, a cirurgia
exploratória era uma forma comum de examinar
o interior do organismo, mas os médicos
modernos têm à disposição uma enorme
variedade de técnicas não invasivas.
Alguns desses métodos incluem os raios X,
ressonância magnética, tomografia
computadorizada, ultra-som e assim por
diante. Cada uma dessas técnicas têm
vantagens e desvantagens que as torna úteis
para diferentes condições clínicas e
diferentes partes do organismo.
As técnicas de
diagnóstico com imagens na medicina nuclear
proporcionam aos médicos uma alternativa
para investigar o nosso corpo. Elas combinam
o uso de computadores, detectores, e
substâncias radioativas. Entre essas
técnicas estão:
tomografia por emissão de pósitrons
(PET)
tomografia computadorizada por
emissão de fóton único (SPECT)
imagem cardiovascular
varredura óssea
Todos esses métodos usam
diferentes propriedades de elementos
radioativos para criar uma imagem. Veja como
funciona a radioatividade para obter
informações mais completas.
O diagnóstico por imagens
em medicina nuclear é útil na detecção de:
tumores
aneurismas (pontos frágeis na parede
dos vasos sangüíneos)
circulação sangüínea irregular ou
inapropriada em diversos tecidos
distúrbios nas células sangüíneas e
funcionamento inadequado dos órgãos,
como deficiências da tiróide e funções
pulmonares
O uso de um teste específico, ou de uma
combinação deles, dependerá dos sintomas do
paciente e da doença a ser diagnosticada.
Radiografia
de raios-X
Os raios passam
através do corpo, mas são absorvidos mais
nas regiões mais densas, como, por exemplo,
nos ossos. A radiação, então, incide e
impressiona uma chapa fotográfica: o filme
fica escuro e opaco nas regiões atingidas
pelos raios-X. Os órgãos que absorvem a
radiação (e.g., ossos) protegem áreas
correspondentes, no filme, contra e
exposição. Com facilidade, pode-se perceber
anomalias nos ossos (fraturas,
descalcificação) ou nas juntas. Mesmo
tecidos pouco densos podem ser visualisados
por esta técnica, desde que com a introdução
prévia de um contraste - qualquer material
que absorva raios-X. Um dos contrastes mais
utilizados é um sal de bário, que serve para
contrastar regiões do trato digestivo. O
paciente ingere um "leite de bário", que é
uma solução aquosa do sal, antes de fazer o
exame.
Tomografia
por emissão de pósitrons
(PET)
A PET
produz imagens do organismo
pela detecção da radiação
emitida por substâncias
radioativas. Essas
substâncias são injetadas no
corpo, sendo normalmente
marcadas com um átomo
radioativo, como carbono-11,
flúor-18, oxigênio-15, ou
nitrogênio-13, que têm
um tempo de decaimento
curto. Esses átomos
radioativos são formados
bombardeando substâncias
químicas normais com
nêutrons, para criar
isótopos radioativos de meia
vida curta. A PET detecta os
raios gama emitidos no local
onde um pósitron, emitido da
substância radioativa,
colide com um elétron no
tecido (Figura 1).
Figura 1
Em uma
varredura PET, uma
substância radioativa é
injetada no paciente, e este
é colocado sobre uma mesa
plana que se move
gradualmente através de uma
cobertura em forma de anel.
Esta cobertura contém um
arranjo circular de
detectores de raios gama (Figura
2), que possui uma série
de cristais de cintilação,
cada um conectado a um tubo
fotomultiplicador. Os
cristais convertem os raios
gama emitidos do paciente em
fótons de luz, e os tubos
fotomultiplicadores
convertem os fótons em
sinais elétricos e os
amplificam. Estes sinais
elétricos são então
processados pelo computador
para gerar imagens. A mesa é
então movida, e o processo é
repetido, resultando em uma
série de imagens de finas
fatias do corpo na região de
interesse (por exemplo,
cérebro, seios, fígado).
Essas imagens de
fatias podem ser montadas em
uma representação
tridimensional do corpo do
paciente.
Figura 2
A
PET mostra imagens da
corrente sangüínea ou outras
funções bioquímicas,
dependendo do tipo de
molécula que é
radioativamente marcada. Por
exemplo, a PET pode exibir
imagens do metabolismo da
glicose no cérebro, ou
alterações rápidas da
atividade de várias partes
do corpo. Entretanto,
existem poucas clínicas com
PET no país porque elas
precisam estar próximas a um
acelerador de partículas que
produza os radioisótopos de
meia vida curta usados nessa
técnica.
Tomografia
computadorizada
por emissão
de fóton
único (SPECT)
A figura
acima, por
exemplo, é o
resultado de
uma análise
de SPECT do
coração,
mostrando o
dinamismo de
seus
movimentos,
a sístole e
a diástole.
Para a
leitura, é
necessário a
admissão
prévia de
compostos
radioativos
emissores de
pósitrons -
tal como o
carbono-11.
Este isótopo
produz um
pósitron por
átomo, no
decaimento.
Um pósitron
pode se
combinar com
um elétron
(presente na
matéria
ordinária) e
formar dois
fótons,
sob a forma
de raios
gama, que
assumem
direções
completamente
opostas.
+1e
+
-1e
2
g
SPECT é uma técnica
similar à
PET. Mas as
substâncias
radioativas
usadas na
SPECT
(xenônio-133,
tecnécio-99,
iodo-123)
possuem
tempos de
decaimento
mais longos,
e emitem
raios gama
simples ao
invés de
duplos. A
SPECT pode
fornecer
informações
acerca da
circulação
sanguínea e
da
distribuição
de
substâncias
radioativas
no
organismo.
Suas imagens
são menos
sensíveis e
detalhadas,
mas a
técnica de
SPECT é
menos cara
que a PET.
Além disso,
os centros
com SPECT
são mais
acessíveis,
porque não
necessitam
estar
próximos a
um
acelerador
de
partículas.
Imagem cardiovascular
Imagem cardiovascular é uma técnica que usa substâncias radioativas para mapear a passagem do sangue através do coração e dos vasos sanguíneos. Um exemplo da técnica de imagem cardiovascular é o teste de estresse com tálio, no qual o paciente recebe uma injeção do composto de tálio radioativo, exercita-se em uma esteira mecânica e é filmado com uma câmera de raios gama. Depois de um período de descanso, o estudo é repetido sem o exercício. As imagens geradas antes e depois do exercício são comparadas e revelam mudanças no fluxo sangüíneo do coração em atividade. Estas técnicas são úteis para detectar artérias ou vasos capilares obstruídos no coração e outros tecidos.
Varredura óssea
Varredura óssea detecta a radiação emitida por uma substância radioativa (metilenodifosfonato marcado com tecnécio) que, quando injetado no organismo, acumula-se no tecido ósseo, já que esse tipo de tecido é um bom acumulador de compostos de fósforo. A substância se acumula em áreas de alta atividade metabólica, e a imagem produzida mostra os "pontos brilhantes" de alta atividade e os "pontos escuros" de baixa atividade. A varredura óssea é vantajosa para detecção de tumores, que normalmente têm alta atividade metabólica.
Tratamento usando medicina nuclear
As substâncias radioativas injetadas durante os exames com imagem não prejudicam o organismo. Os radioisótopos usados na medicina nuclear decaem rapidamente, em questão de horas ou até mesmo minutos, têm níveis de radiação menores que os raios X comuns ou que as tomografias computadorizadas, e são eliminados pela urina ou atividade intestinal.
Mas algumas células são gravemente afetadas pela radiação ionizante (alfa, beta, gama e raios X). As células multiplicam-se em padrões diferentes e as que se multiplicam mais rápido são mais fortemente afetadas do que as outras células em razão de duas características:
as células possuem um mecanismo capaz de reparar o DNA danificado;
se, no momento da sua divisão, a célula perceber que o seu DNA está adulterado, ela irá se auto-destruir.
O mecanismo de reparo das células de multiplicação rápida tem menos tempo para detectar e consertar problemas com o DNA antes que a célula se divida, de forma que é mais provável que elas se auto-destruam quando corrompidas por radiação nuclear.
Já que muitas formas de câncer são caracterizadas pela rápida multiplicação de células, elas podem ser tratadas com radioterapia. Geralmente são colocados cabos ou ampolas radioativas na região do tumor. Para tumores profundos ou situados em locais inoperáveis, são utilizados raios X de alta intensidade, focalizados sobre o tumor.
O problema com este tipo de tratamento é que as células normais que se reproduzem rapidamente podem ser também afetadas. Células de cabelo, células que revestem o estômago e intestinos, células da pele e sangüíneas, todas reproduzem-se rapidamente, podendo ser fortemente afetadas pela radiação. Isso ajuda a explicar por que as pessoas submetidas a essa terapia freqüentemente sofrem queda de cabelo e náuseas.
Os materiais nucleares também podem ser usados para criar traçadores radioativos, que podem ser injetados na corrente sangüínea. Um certo tipo de traçador trafega pelo sangue, permitindo que a estrutura dos vasos sangüíneos possa ser observada. Esse método de observação permite que coágulos e outras anormalidades do sangue possam ser facilmente detectadas. Além disso, certos órgãos concentram diferentes tipos de substâncias químicas: a glândula tireóide acumula iodo, assim, a injeção de iodo radioativo na corrente sangüínea poderá revelar certos tumores da tiróide. Da mesma forma, como os tumores cancerígenos acumulam fosfatos, podem ser descobertos com a introdução do isótopo de fósforo-32 radioativo na circulação sangüínea, já que este contém maior radioatividade.
Como funciona a Ressonância Nuclear Magnética Funcional (RNMf)
Visão geral de um aparelho de ressonância magnética
A tecnologia médica evoluiu tanto nos últimos anos que, hoje, os exames por imagem conseguem cortar o corpo em fatias extremamente finas obtendo imagens e criando modelos tridimensionais de órgãos e tecidos para descobrir anormalidades e diagnosticar doenças. Entretanto, um tipo relativamente novo de exame chamado ressonância nuclear magnética funcional(RNMf) leva a tecnologia um passo além. Ele não apenas consegue ajudar a diagnosticar doenças cerebrais, como também permite que os médicos entrem em nossos processos mentais para determinar o que estamos pensando e sentindo. A RNMf ainda pode ser capaz de detectar se estamos falando a verdade.
O exame se baseia na mesma tecnologia da ressonância nuclear magnética(RNM) - um teste não-invasivo que utiliza um forte campo magnético e ondas de rádio para criar imagens detalhadas do corpo. Mas em vez disso, a RNMf analisa o fluxo sanguíneo no cérebro para detectar as áreas de atividade. Essas mudanças no fluxo, que são capturadas em um computador, ajudam os médicos a compreender melhor a forma como o cérebro funciona.
O conceito por trás de RNM existe desde o início do século 20. E no início da década de 30, Isidor Isaac Rabi, físico da Universidade de Columbia, fez experimentos com as propriedades magnéticas dos átomos. Ele descobriu que um campo magnético associado a ondas de rádio fazia com que os núcleos dos átomos "se movessem", uma propriedade conhecida hoje como ressonância magnética. Em 1944, Rabi ganhou o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho pioneiro.
Na década de 70, Paul Lauterbur, professor de química da Universidade Estadual de Nova Iorque, e Peter Mansfield, professor de física da Universidade de Nottingham, na Inglaterra, usaram individualmente a ressonância magnética como base para o desenvolvimento de uma nova técnica diagnóstica chamada de ressonância nuclear magnética. O primeiro scanner de RNM comercial foi produzido em 1980.
Então, no início da década de 90, o físico Seiji Ogawa - que estava trabalhando na Bell Laboratories, em Nova Jersey - descobriu, enquanto realizava estudos com animais, que a hemoglobina pobre em oxigênio (a molécula no sangue que conduz o oxigênio) era afetada por um campo magnético de forma diferente da hemoglobina rica em oxigênio. O físico percebeu que podia usar esses contrastes na quantidade de oxigênio do sangue para mapear as imagens da atividade cerebral em um exame normal de RNM.
A ideia básica por trás da descoberta de Ogawa foi proposta mais de meio século antes pelo químico Linus Pauling. Na década de 30, Pauling descobriu que a reação do sangue rico em oxigênio e do sangue pobre em oxigênio à força de um campo magnético era diferente em até 20%. Na RNMf, a localização dessas diferenças permite que os cientistas determinem as partes do cérebro que estão sendo irrigadas por sangue e por isso são mais ativas.
2
g
RADIOATIVIDADE
.
, transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) duas unidades
menor e de no de massa (A) quatro unidades menor.
, transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade
superior e de mesmo número de massa (A). Quando um átomo emite partículas
beta , transforma-se num elemento químico de número atômico (Z) uma unidade
superior e de mesmo número de massa (A).
(semelhante aos elétrons) a partir do núcleo de um átomo:
e uma outra partícula subatômica chamada de neutrino
, de carga elétrica igual a zero e massa desprezível.
ou
;
mas é possível determinar quanto tempo uma amostra desses átomos levará para
se desintegrar.
,
etc.
ou
,
obtemos emissão de nêutrons com alta velocidade.
,
baseada na idéia de que a massa pode ser convertida em energia e vice-versa
ou, melhor, massa e energia são diferentes, mas são manifestações
interconvertíveis da mesma coisa.
, que é absorvido pelas plantas (fotossíntese). Os animais que se alimentam
de plantas fixam carbono
em seus tecidos. Para cada átomo de
existem 1012 átomos de carbono comum. Essa proporção é constante
enquanto o animal ou vegetal estiver vivo. Ao morrerem, não havendo
renovação dos organismos, a quantidade de 14C diminui
progressivamente, por desintegração, segundo a reação.
conhecido como
Sudário de Turin ou,
simplesmente, Santo Sudário. Milhões de pessoas acreditam que a imagem
impressa no tecido seja o corpo de Cristo crucificado. Entretanto, os
experimentos de datação mostraram que as plantas que forneceram as fibras do
tecido (linho) foram cultivadas por volta de
1260 a 1390 D.C..
As análises foram feitas em 3
laboratórios independentes e diferentes, e apresentaram resultados
similares. Céticos e religiosos têm questionado estes resultados,
justificando que, talvez, um incêndio em 1532 D.C. e bactérias tenham
contaminado o tecido com matéria orgânica mais recente. Várias outras
técnicas de análise foram aplicadas e, hoje, um grupo de cientistas esta
tentando reproduzir, artificialmente, o sudário e sua inscrição.
dá origem a um átomo de chumbo (
);
o número de átomos de
existentes em um minério de urânio indica o número de átomos de
que sofreu redução. Com base nesse raciocínio, os cientistas estimaram em
2,8 · 109 anos a idade do sistema solar.
Varredura
do cérebro com
tomografia de emissão
positrônica transversa
(PET) para traçar o
caminho da glucose
Detecção
de constrições e
obstruções do sistema
circulatório.
Varredura
do corpo inteiro para
tumores.
Varredura
da ventilação no pulmão.
Varredura
dos ossos para doenças,
incluindo câncer.
Um
dos mais utilizados:
diagnóstico do cérebro,
ossos, fígado, rins,
músculos e varredura de
todo o corpo..
Diagnóstico
de mal funcionamento da
glândula tireóide,
tratamento do
hipertireoidismo e
câncer tireoidal.
