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Raios gama e nêutrons e suas aplicações em Física do Solo Osny Bacchi CENA/USP 2008 1) As radiações 2) Interações com a matéria 3) Sistemas de detecção.

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Apresentação em tema: "Raios gama e nêutrons e suas aplicações em Física do Solo Osny Bacchi CENA/USP 2008 1) As radiações 2) Interações com a matéria 3) Sistemas de detecção."— Transcrição da apresentação:

1 Raios gama e nêutrons e suas aplicações em Física do Solo Osny Bacchi CENA/USP ) As radiações 2) Interações com a matéria 3) Sistemas de detecção CEN Técnicas avançadas em física de solos

2 elétron Núcleo Z prótons N nêutrons A = Z+N Número de massa A=12 Z = 6 prótons N=A-Z=12-6=6 nêutrons Unidade de massa atômica = uma 1 uma = 1/12 átomo grama do p (próton) = 1,0073 uma = 1, g n (neutron = 1,0087 uma = 1, g e (elétron) = 0,0006 uma = 0, g O Átomo

3 Instabilidade nuclear e as radiações Z (prótons) N (nêutrons) Linha de estabilidade Relação empírica Isótonos (mesmo n. nêutrons) isótopos Forças entre partículas nucleares Z=N

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5 Fc (força Coulombiana repulsiva) = Newton Prótons (Z) Fg (força Gravitacional atrativa) = Newton (desprezível) Fn (força Nuclear atrativa) = Newton Nêutrons (N) Relação N/ZEstabilidade Núçleo instável (radioativo) excesso de prótons N/ Z excesso de nêutrons N /Z a) excesso de prótons Z/N= 0,651 Z/N= 0,646 prótons

6 b) excesso de nêutrons N (Be) = A –Z = 9-4 = 5nêutrons N = 137 –55 = 82 Z/N= 0,8 N (C) = A –Z = 12-6 = 6nêutrons Z/N= 1 Z/N= 0,671 N = 137 –56 = 81 Z/N= 0,691 Diminuição relativa no número de nêutrons Diminuição relativa no número de nêutrons

7 Fonte de nêutrons Cápsula Energia cinética dos nêutrons Nêutrons rápidos E(média) = 2Mev 1eV = 1, J

8 Radiação gama: onda eletromagnética produzida pelos núcleos excitados dos átomos após uma reação nuclear = emissão de energia para atingir um nível de energia mínimo mais estável. Luz vizível =10 4 A E = 0,00124 keV =1,24eV Radiação gama =10 -2 A E = 1240 keV =1,24Mev 1eV= 1, j = 1, erg

9 Ráios cósmicosRáios gama Ráios X Ráios ultravioleta Luz visível Ultravioleta –calor microondas Ondas de rádio Corrente alternada Altas frequências Pequenos comprimentos de onda Altas energias Baixas frequências Grandes comprimentos de onda Baixas energias

10 Definições e Unidades de Radiação Atividade: número de transformações nucleares, ou desintegrações que ocorrem por segundo – Becquerel (Bq) 1Bq = 1dps antigamenteCurie (Ci)= 3, Bq Meia vida: Meia-vida, é o tempo necessário para a atividade de um elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade inicial. N = N 0 exp(λt) A = A 0 exp(λt) = constante de decaimento do elemento 241 Am T(1/2) = 458 anos 137 Cs T(1/2) = 30 anos Vida média: tempo médio de duração do elemento na forma radioativa Número de átomos radioativos na amostra Número de desintegrações na amostra λ =0,0015 λ =0, Am 137 Cs =659 anos =43 anos

11 Dose absorvidade radiação: joule por kilograma = gray (Gy) Dose equivalente de radiação absorvida: dose absorvida corrigida por um fator (RBE) que expressa o grau de dano biológico relativo da radiação: Nome/SimboloMassaCargaRBE * alcance Alfa ( ) cm no ar (atenuação por uma folha de papel) Beta ( ) 0,00061Alguns cm no ar (atenuação por 2.5 cm de madeira) Neutron (n) m no ar (atenuação por alguns cm de água) Gama ( ) m no ar (atenuação por alguns cm de chumbo) 1Gy (1 joule por kilograma) de radiação alfa (RBE=20) absorvida pelo organismo causa o mesmo efeito que 20 Gy de radiação beta ou gama (RBE=1)

12 Limites de doses efetivas Dose efetiva: sievert (Sv) : leva em conta a sensibilidade de cada orgão à radiação absorvida – cada orgão exposto tem um fator de sensibilidade. Outra unidade ainda em uso é o rem// 1 Sv = 100 rem. Efeitos biológicos das radiações Efeitos determinísticos: ocorrem sempre quando a dose passa de um certo limite – nausea, avermelhamento de pele, e outros Efeitos estocásticos: podem ocorrer para qualquer dose absorvida- alterações cromossômicas, câncer International Basis Safety Standards for Protection Against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources: 20 mSv /ano = 2 rem /ano FonteAtividadeTaxa de dose a 1 m da fonte* Cs mCi3.3 mrem.hr-1 Am-241/Be50 mCi0.11 mrem.hr-1 Both sources60 mCi3.41 mrem.hr-1 Taxas de doses de fontes de uma sonda de nêutrons/gama Dose efetiva anual = 0,2 mSv/ano = 0,02rem/ano

13 Principais interações dos raios gama com a matéria: Fóton incidente Átomo Fotoelétron A) Efeito fotoelétrico ou absorção fotoelétrica (gamas de baixa energia e alto número atômico Z do alvo) B) Efeito Çompton ou espalhamento Compton (gamas de energias mais altas) Fóton incidente Átomo Fóton espalhado Elétron de recuo Quando 180 o Backscattering (retroespalhamento) = máxima energia transferida ao elétron

14 C) Produção de par (gamas de energias E 1,02 MeV) (fóton é absorvido pelo núcleo e produz um par de elétrons ) Ráio gama de aniquilação e-e- e + +e - Aniquilação Ráio gama de aniquilação E=h.m o c 2 = 1,02MeV 0,51Mev

15 Detectores de radiação gama 1) Cintilador sólido NaI (Tl) acoplado a uma válvula fotomultiplicadora 2) Detectores semi-condutores de Ge

16 Principais interações dos nêutrons com a matéria: Número de colisões elásticas necessárias para reduzir a energia de um nêutron de 2MeV (rápido) para 0,025 eV (lento ou térmico) Átomo alvoNúmero de colisões 1 H18 2 H25 4 He43 7 Li68 12 C O U2172

17 Detetor de nêutrons lentos - Câmara de gás 3 He 1- reação nuclear (n + 3 He) n + 3 He -> p (próton) + 3 H (tritium) + (764 keV) n + 3 He -> p (573 KeV) + 3 H (191 KeV) 2- ionização do gás 3 He pelo próton resultante p (573 KeV) + 3 He -> p + e He + Outros detectores de nêutrons

18 1) Sistema de feixe colimado de raios gama Computador Fonte Detetor NaI(Tl) Pré-amplificador Fonte de alimentação Amplificador e analisador Contador Temporizador Amostra Descrição de cada componente: Fonte de raios gama colimação sistema de detecção fotomultiplicadora analisador de pulsos espectro Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo T 1/2 = 458 anos T 1/2 = 30 anos Aplicações da radiação gama em Física do Solo

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22 Eγ ~ ( voltagem) Intensidade (cps) Espectro do 137 Cs ganho =100x E 662Kev Eγ ~ ( voltagem) Intensidade (cps) Espectro do 241 Am ganho=800x E 60Kev Espectrometria gama

23 3) Explicar o princípio de funcionamento de detectores semi-condutores de Ge para radiação gama Prática 1 1)Fazer um diagrama de blocos e descrever a função de cada componente do sistema (cadeia nuclear) de feixe colimado de raios gama do CENA (consultar aos manuais dos componentes eletrônicos) 2)Discorrer sobre a lei de Beer –Lambert sobre atenuação de feixe monocromático de raios gama pela matéria. OBS: Dividir a classe em dois grupos de alunos que farão apresentação oral sobre os itens 1 e 2 no início da próxima aula Cada aluno apresentará até o último dia de aula um relatório individual sobre os 3 ítens Formar 2 grupos de alunos que deverão preparar e fazer uma apresentação sobre os seguintes temas nos dias 2/05 e 9/05, respectivamente: Tomografia computadorizada de raios gama – descrição do equipamento, princípios da geração de imagens, analisar e discutir algum trabalho publicado com aplicação da técnica em física do solo. Técnica de análise da redistribuição do fallout do 137Cs no estudo da erosão e deposição de sedimentos – princípios da técnica, espectrometria gama e análise do Cs no solo, analisar e discutir algum trabalho publicado.


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