Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ1 Fontes de radiação Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM)

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1 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ1 Fontes de radiação Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM) e-mail: mms@if.ufrj.br

2 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 2 Radiação natural versus outras fontes Tabela – Exposição relativa do homem à radiação ionizante média no ano de 1981, estimada pela Agência Internacional de Energia Atômica. Fonte de radiação% Radiação Natural67,6 Irradiação médica30,7 Precipitação0,6 Fontes diversas0,5 Exposição ocupacional0,45 Efluentes de Instalações nucleares 0,15

3 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 3 Decaimento A probabilidade p(t), de um núcleo sofrer decaimento radioativo dentro de um intervalo de tempo  t, é proporcinal somente a este intervalo de tempo, se ele é suficientemente pequeno, de modo que p(t)<<1. A constante de proporcionalidade ou constante de decaimento, é dada por A probabilidade de sobrevivência de um núcleo durante um intervalo de tempo, t, pode ser achado dividindo-se t em n intervalos iguais de duração  t. A probabilidade de sobrevivência no primeiro intervalo é dado por p(t) =  t [1-p(t)]

4 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 4 no segundo intervalo no n-ésimo intervalo Assim, a probabilidade de sobrevivência de um núcleo durante um intervalo de tempo t é [1-p(t)] 2 [1-p(t)] n

5 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 5 A atividade de uma fonte radioisotopota é definida com a taxa de decaimento e é dada pela lei fundamental do decaimento radioativo, que é válida desde que o grupo inicial não seja abastecido por outros decaimentos é integrando desde t =0 com N (0)=No até um tempo t, temos ou ainda Atividade de uma fonte onde N é o número de núcleos radioativos e é definida como a constante de decaimento.

6 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 6 O Curie (Ci) A unidade histórica da atividade é o curie (Ci), definida exatamente como 3,7  10 10 desintegrações por segundo, que deve sua definição como a melhor estimativa sobre a atividade de 1 g de 226 Ra puro. Para uso em laboratório, os submúltiplos mCi e  Ci, são mais apropriados. No sistema internacional, no entanto, a unidade para atividade é o becquerel (Bq), 1 Bq = 2,703  10 -11 Ci.

7 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 7 A vida média, tempo para que o número inicial de núcleos caia de 1/e, é  A meia-vida  1/2, do decaimento radioativo (tempo para que o número inicial de núcleos caia de 1/2) é dada por Vida média e meia-vida

8 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 8 Uma simulação de decaimento http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/Nuclear/Decay/NuclearDecay.html Copyright 2003 David M. Harrison O decaimento de 500 atomos do elemento fictício Balonium. Programa Monte Carlo para simular decaimentos reais.

9 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 9 Algumas unidades A International Commision on Radiation Units and Measurements (ICRU) recomenda o uso de unidades no SI. Entretanto é comum encontramos grandezas expressas em outros sistemas de unidades, expressas abaixo entre parenteses Unidade de dose absorvida – gray (rad) 1 Gy (gray) = 1 J.kg -1 = 100 rad = 6,24  1012 MeV.kg -1 unidade de exposição – a quantidade de radiação x ou  em um ponto no espaço integrada no tempo.= 1 C kg -1 de ar (roentgen. 1 R = 2,58  10 -4 C kg-1) = 87.8 erg de energia liberada por g de ar. Unidades de dose equivalente – para dano biológico = sievert (Sv). 1 Sv – 100 rem (roentgen equivalent for man). A dose equivalente expressa o risco de longo tempo (primariamente devido ao câncer e leucemia). Na maior parte do mundo, a taxa de dose equivalente de corpo inteiro  0,4-4 mSv (40-400 mrem) devido a radiação de fundo natural. Em algumas áreas pode alcançar 50 mSv (5 rem).

10 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 10 Fontes de elétrons rápidos A) Decaimento beta: A fonte mais comum de elétrons rápidos em medidas de radiação e um radioisótopo que decai pela via emissão beta-menos (  - ). O processo pode ser escrito esquematicamente como Devido ao fato de que a maioria dos radionuclideos produzidos por bombardeamento de nêutrons em materiais estáveis são beta-ativos, uma grande variedade de emissores beta são disponíveis através da produção em um reator. Ex.: B) Conversão interna C) elétron Auger NuclideoMeia-vidaEnergia máxima dos betas (MeV) 3H3H12.26 anos0,0186 14 C5730 anos0,156 32 P14,28 dias1,710 33 P24,4 dias0,248 35­­ S87,9 dias0,167

11 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 11 Fontes de partículas carregadas pesadas A) decaimento alfa: Partículas alfa são o núcleo do átomo de 4 He, ou seja, um sistema ligado de dois prótons e dois nêutrons, e são geralmente emitidos por núcleos muito pesados contendo nucleons em excesso, e por isto são instáveis. A emissão de um aglomerado (cluster) de nucleons em em vez da emissão de um simples nucleon e mais vantajoso energeticamente devido a alta energia de ligação de uma partícula alfa. O núcleo pai (Z, A) e transformado na reação via (Z, A)  (Z-2,A-4) +  IsótopoMeia-vidaEnergias [MeV]Intensidade relativa 241 Am433 dias5,48685% 5,44312,8 % 210 Po138 dias5,305100 % 242 Cm163 dias6,11374 % 6,07026 %

12 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 12 Devido a sua carga dupla, as partículas alfa possuem uma taxa alta de perda de energia na matéria. O alcance de uma partícula alfa de 5 MeV no ar e somente alguns centimentros, por exemplo. Por esta razão e necessário fazer fontes de alfa muito finas de modo a minimizar a perda de energia e a absorção da partícula. A maioria das fontes alfa são feitas pelo depósito o isotopo na superfície de uma material e protegendo-a com uma camada muito fina de folha metálica. B) fissão espontânea (continuação)

13 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 13 Fontes de Neutrons fissão espontânea fontes ( ,n) fontes foto-neutrons reações de partículas carregadas

14 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 14 Fontes de Radiação eletromagnética raios gamma seguindo decaimento beta radiação de aniquilação raios gamma seguindo reações nucleares Bremsstrahlung Raios X característicos (Obs.: comparar com lasers e fontes de radiação síncrotron)

15 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 4 - 2007.2 - IF - UFRJ 15 Segurança Vários tipos de fontes radioativas são utilizadas nos experimentos sugeridos neste curso. As regras simples dadas nesta seção assegurará um manuseamento seguro destas fontes. Nunca beba, ou fume no laboratório de radiações. Lave suas mãos no final de cada experimento. No caso de fontes líquidas, luvas e roupas especiais devem ser usadas. Alguns kits de fontes contém fontes seladas (discos metálicos parecidos com uma moeda). Estas fontes possuem atividades menores do que 1  Ci e podem ser manuseadas com seus dedos, mas é recomendável segura-las pelas bordas dos discos. Qualquer fonte com atividade superior a 10  Ci devem ser manuadas com pinças. Com o conhecimento da atividade da fonte e um compromisso entre blindagem, distancia da fonte, e tempo de exposição, podemos usar seguramente os radioisótopos.