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Após breve descrição de conceitos básicos de Física Nuclear, são apresentadas algumas aplicações importantes desta área: energia nuclear, medicina nuclear, arqueologia e ecologia.
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Aplicações Pacíficas da Física
Nuclear
Paulo R. S. Gomes
Instituto de Física
Universidade Federal Fluminense
Estrutura do átomo: elétrons e núcleo
com nucleons
Átomo: núcleo + elétrons
Núcleo: protons + neutrons
Isótopos:
mesmo no de protons (Z) mas
diferente no de neutrons (N).
O núcleo é caracterizado por
seu Z (elemento) e A = Z + N
Aplicações de Física Nuclear
ARTE e ARQUEOLOGIA
Datação radioativa
Análise de feixes de ions
ENERGIA
Transmutação de lixo
radioativo
Energia elétrica
MATERIAIS
Implantação de ions
Nanoestruturas
Danos de radiação
ESPACIAIS
AMBIENTAL
Climatologia
MEDICINA
Produção de
radioisótopos
Terapia do Câncer
Tomografia (PET)
Aceleradores Aceleradores
Pesquisa
Básica
em
Física
Nuclear
De
teto
res
Té
cn
ica
s
Propriedades
Nucleares
Energia de Ligação Nuclear
A massa de um núcleo de A (protons + neutrons) é menor que a massa de A (protons + neutrons) separados.
Como isto é possível?
Através da famosa fórmula de Einstein:
E = m c2
Eligação = [ Mnúcleo – (Z mp + N mn )] c2
E daí?
Se o núcleo receber energia suficiente, ele se desintegra. (isto acontece em reações nucleares)
Se ele se transformar em um núcleo parecido, porém mais ligado, ele libera energia.
(isto acontece em decaimento de núcleos radioativos)
Núcleos Excitados
E se o núcleo receber energia, mas não o suficiente para se romper?
Ele fica excitado durante algum tempo, e depois ele decai para o estado de energia mais baixo, de forma análoga a energia potencial gravitacional.
Ao se desexcitar, o núcleo emite radiação eletromagnética, chamada de raio gama .
(os elétrons atômicos também se excitam e, ao desexcitar emitem radiação eletromagnética chamada raio X)
Raios gama
Os raios gama, por terem alto poder de penetração na matéria, são de grande utilidade para o homem, ao mesmo tempo que podem ser nocivos. Ao interagir com um material eles podem danificá-lo (ionizá-lo).
Se for o nosso corpo, pode danificar células sadias e causar danos devido à “radioatividade”. Não devemos, portanto, ficar perto de núcleos ou fontes que emitem esta radiação. Após a explosão de uma bomba atômica ou acidente em usina nuclear, muitos raios gama são emitidos.
Raios gama podem ser benéficos?
Por outro lado, os raios gama são usados também
para matar células doentes (cancer) e são a base da
Medicina Nuclear, que salva tantas vidas. Eles
servem também para produzir imagens bem no
interior do corpo ou de materiais (muito mais que
os raios X), sendo úteis em medicina (tomografia,
ressonância magnética nuclear, por exemplo) e
indústria (gamagrafia, por exemplo).
Núcleos radioativos naturais
Núcleos podem se transformar em outros, de forma natural, para ficarem em uma situação de menor energia.
Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice versa.
Estes núcleos são chamados de radioativos.
Eles são formados em reações nucleares devidas a raios cósmicos (natural) ou em laboratórios (artificial).
Exemplo de núcleos radioativos
naturais:
O Ciclo do Carbono
teCtC 0
tempo decorrido (t)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
Co
nce
ntr
ação
C(t
)/C
(0)
meia-vida
Concentração inicial em equilíbrio com o meio ambiente
t<0 organismo vivo C(t) =cte.
t=0 organismo morre C(t=0)=C0
t>0 concentração cai exponencialmente
0
1
C
tCt ln
O princípio da datação por 14C
Tipos de reações nucleares
Há fortes acoplamentos entre diferentes tipos de reação.
Reações nucleares que liberam muita energia
Reações de Fusão e Fissão
que produzem muita energia
Energia de ligação por
nucleon, em função de A.
Reação em cadeia de fissão
nuclear.
Energia Nuclear
Produção de energia elétrica (reatores nucleares, combustível de navios e submarinos)
Bombas de fissão e fusão.
Característica: muita energia é liberada na reação nuclear.
Exemplo: 1 Kg de 235U
= 20.000 ton de TNT ou
300.000 Kw.dia = 2.500 ton de carvão.
????????
Isto é aplicação pacífica?
Os russos garantem que sim!!!!
Entre 1945 e 1949 só os americanos tinham bomba atômica, e lançaram 2 na única oportunidade que tiveram.
A partir de 1949, com outro país tendo bomba, nunca mais nenhuma foi lançada.
E agora? De novo só existe uma super-potência que ataca e destrói quem eles querem. Não precisa haver “motivo justificável”.
Mas, o assunto da palestra não é este. Isto foi só para mostrar o quanto as interpretações são relativas.
Problema consequente de reações de fissão
Após uma bomba de fissão (chamada bomba
atômica) explodir, ou se houver um grande
acidente em usina nuclear, são produzidos raios
gama (radiação ambiental) em grande quantidade.
Esquemas de usinas termoelétrica convencional e
nuclear (fissão)
Radiação após acidente em usina nuclear
Vantagens da usina nuclear
É limpa (se não houver acidentes), pois é a que causa menos danos ecológicos (não polui a atmosfera, não alaga grandes regiões), não causa aquecimento global (efeito estufa).
Desvantagens da usina nuclear É cara
O combustível um dia vai acabar
Em caso de acidente, produz radiação no ambiente.
Ainda não há solução para o lixo radioativo, em escala industrial (já se sabe como fazer).
As usinas estão sendo desativadas?
A Alemanha fechou algumas usinas, e agora compra energia nuclear da França!!!!!!
Contaminação após acidente
Ao receber radiação gama, ninguém fica radioativo. É como
pegar muito Sol. Sofremos queimaduras mas não
queimamos outras pessoas. Neste instante, todos nós
estamos recebendo radiação. Em um avião se recebe muito
mais. O perigo é receber doses altíssimas de radiação.
Mas se introduzirmos material radioativo no corpo por
respiração, beber água contaminada, comer alimentos onde
material radioativo foi depositado, podemos ficar
“radioativos”. Exemplo mais claro: acidente de Goiania.
Alternativas à Energia Nuclear
Só há outras duas fontes de energia em larga
escala:
a) Energia termo-elétrica (queima de combustíveis
fósseis) – causa aquecimento global e polui o
ambiente
b) Hidroelétricas: causa grandes danos ambientais
(alaga grandes regiões)
E a eólica e a solar? São em muito pequena escala.
São ótimas mas não conseguem abastecer
indústrias e grandes cidades.
O que fazer com o lixo atômico?
Já se tem uma possivel solução. Aceleradores de partículas estão sendo usados para fazer reações nucleares com o material radioativo (lixo atômico), em que os produtos da reação não são radioativos.
Outra vantagem é que estas reações liberam energia, que pode ser aproveitada.
O problema que persiste é que ainda não se consegue produzir estas reações em quantidade suficiente para acabar com o lixo produzido e já existente.
É mais seguro fechar todas as
usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas,
sem eletricidade, a resposta é sim.
Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o
meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas
se cair, é um grande desastre. Se ocorre um
desastre na China, sai em 1a página de jornal.
O que realmente se deve fazer é melhorar a
segurança das usinas e programas eficientes de
evacuação da população.
É mais seguro fechar todas as
usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas,
sem eletricidade, a resposta é sim.
Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o
meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas
se cair, é um grande desastre. Se ocorre um
desastre na China, sai em 1a página de jornal.
O que realmente se deve fazer é melhorar a
segurança das usinas e programas eficientes de
evacuação da população.
Usinas de 4a geração (para 2030)
Estas usinas são chamadas de “intrinsecamente
seguras”.
Reator arrefecido a gás que utiliza uranio em
grãozinhos dentro de esferas de grafite pirolítica.
Se o reator parar, o calor residual é absorvido pela
corrente de ar.
Não precisa de sistema de resfriamento, a
temperatura não ultrapassa 1600o C, evitando o
perigo de liberação de radioatividade.
Solução energética do Mundo
(para o futuro)
Fusão nuclear de núcleos leves Reações 2H + 2H 3H + 1H (DD)
2H + 3H 4He + n (DT)
A matéria prima é a água!!! (Não acaba)
A energia por nucleon liberada na reação é muito maior que na fissão.
Não há produção de radiação gama.
Não há lixo radioativo
Dificuldade: para se processar, tem que estar a temperaturas de milhares de graus, em condições controladas.
Sem controle já se faz: bomba de hidrogênio, cujo detonador é uma bomba de fissão.
Fusão Nuclear no Sol
Aplicações em Medicina
Tratamento de cancer
Imagens para diagnósticos
Algumas aplicações em medicina:
Tratamento de cancer
Destruição de células cancerígenas por irradiação de raios
gama (radioterapia e braquiterapia) e bombardeamento,
através de aceleradores, por p, n e ions pesados.
Algumas aplicações em medicina:
Diagnóstico, mapeador, marcador
Mapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens
(tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo,
verifica localização, tamanho e forma das lesões etc.
Alcance (poder de penetração) de diferentes
radiações
•Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram depende muito de sua energia e do tipo de material.
•Partículas carregadas aceleradas penetram muito no material.
Chapa de raio X Várias camadas de uma pintura
Funções Básicas da radioterapia
- Destruição de células cancerígenas por
irradiação de raios gama.
- As células a serem destruídas devem receber
bem mais radiação que as saudáveis.
→ a radiação deve convergir no tumor, ou
com várias fontes ou rodando as fontes ou
paciente.
Fontes de radiação para radioterapia
- Fontes radioativas muito intensas (60Co (T1/2 = 5 anos) , 137Cs (T1/2 = 30 anos)
(fabricadas em reatores ou ciclotrons)
- Aceleradores lineares de elétrons (freiados por alvo pesado produzem fotons muito energéticos)
- Quase a metade dos aceleradores do mundo são para uso médico
Aceleradores de eletrons (fonte de
fotons) em radioterapia
Limitações da radioterapia com fotons
Aceleradores de elétrons produzem fótons.
Para Ee = 8 MeV, a absorção exponencial da matéria tem
um máximo a 2 – 3 cm de profundidade de tecido soft.
A cerca de 25 cm de profundidade, a dose é cerca de 1/3
que no máximo.
Pelo tipo de absorção de radiação eletromagnética,
células saudáveis são irradiadas. Isto limita a dose
absorvida pelo tumor.
Como aumentar a dose no tumor?
Novo avanço no tratamento de cancer:
hadronterapia (com protons e carbono)
Características da Hadronterapia
Hadron terapia usa hadrons (protons, alfa, núcleos leves) acelerados. Estas partículas carregadas tem pouco espalhamento durante a penetração na matéria e perdem boa parte de sua energia em região bem especifica, pouco antes de parar.
Hadrons deixam os tecidos próximos ao tumor mais saudáveis, permitindo tratar o tumor com doses maiores.
A profundidade onde haverá a perda de energia (destruição das células) depende da energia do feixe. Pode-se variar a energia do feixe ou colocar material absorvedor no caminho do feixe.
Vantagem dos hadrons: perda de energia
bem localizada
Vantagens da hadronterapia
Algumas aplicações em Indústria, Agricultura,
meio Ambiente Gamagrafia: por possuir alto poder de penetração,
muito maior que raios X, os raios gama são ideais para ensaios não destrutivos de controles de materiais, soldas, fundições etc. è uma técnica amplamente utilizada na indústria.
Neutrongrafia: Análogo à gamagrafia, utilizado em materiais de elementos de baixa densidade, como plástico.
Agricultura: Obtenção de plantas mais produtivas, resistentes a pragas. Fertilização, produção de vacinas. Esterilização de insetos.
Solos: caracterização e diagnóstico de solos, com finalidades de estudos geológicos e de meio ambiente.
AMS com 14C Espectrometria de massa com aceleradores
Grande fonte de informações no estudo da cronologia dos processos geológicos, biológicos, evolução humana etc
Mede diretamente a concentração relativa entre
isótopos radioativos e estáveis de 14C e 12C.
Mede baixíssimas concentrações, de até 1 parte em 1015.
Faz cronologia de centenas a dezenas de milhares de
anos, com altíssima precisão.
- Amostras pequenas (ordem de mg): não destrutivo;
pode-se ingerir o material a ser estudado.
Aplicações de AMS: Arqueologia
Revolucionou a arqueologia e antropologia nas datações
de pinturas de cavernas, ossadas primitivas, sítios
arqueológicos, artefatos, igrejas medievais etc. - 14C
- Antes de nosso trabalho era aceito que a ocupação do
litoral sudeste brasileiro ocorreu há cerca de 6.000 anos, e
a chegada ao litoral deu-se em Santa Catarina. Depois de
nosso trabalho, passou a ser aceita a ocupação há 8.000
anos através do Rio de Janeiro-São Paulo.
Idade da ocupação do litoral sudeste do Brasil pelos
construtores de sambaquis:
Distribuição de sambaquis no Brasil
Datação do Manto Sagrado
(Turin Shroud) 3 famosos laboratórios de AMS
dataram vários pequenos pedaços
do Manto.
Resultado: “O Manto Sagrado é
uma bela pintura criada em 1355
pra uma nova Igreja necessitando
relíquias atraentes”.
Rigorosamente não se pode dizer
quando foi feito, mas sabe-se que
foi entre 1280 e 1390 DC.
Não foi dito que havia contaminação e o
resultado estava errado?
Realmente, se houver contaminação por material recente, com “alta” quantidade de 14C, a mistura total daria uma idade mais nova.
No entanto, uma peça de
1,8 kg do século I
precisaria estar misturada
com mais de 3 kg de
carbono atual para dar uma
data de 1355 DC.
Datação de Incêndios na Floresta
Amazônica
e
14C – AMS na investigação de
deposição de mercúrio em partes
remotas da Floresta Amazônica
Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro
dos Seis Lagos
Parque do Pico da Neblina
Resultados
Informações sobre clima, temperaturas, periodos secos ou
chuvas fortes intermitentes, nível do lago, incêndios, origem
da matéria orgânica, mudança na vegetação etc
Aplicações Biomédicas de AMS
- 14C é um excelente bio-marcador: é introduzido em moléculas e rastreado. Em geral usam-se amostras de sangue e urina.
- Estudo de propagação de tumores.
- Estudos de anomalias metabólicas: rastreia toxinas e herbicidas em alimentos, estuda o metabolismo e modificações hereditárias.
- Estudos de efeitos de poluição (gasolina, cigarros, química, industrial) e suas consequências no ser humano.
- Estudos respiratórios, dermatológicos, datação dosimétrica e paleolítica em dentes e ossos.