Radiação Nuclear

Teoria Completa

Os isótopos nucleares tem váaaaaaaaarias aplicações, que vão desde a medicina até a produção de energia, né? Nesse capítulo a gente vai ver alguns detalhes sobre a radiação, como ela é útil em alguns casos e como, apesar de útil, nem tudo são flores nessa história!

Poder relativo de penetração da radiação ionizante

Apesar de muito boa por diversos motivos, a radiação nuclear pode ser extremamente perigosa para a nossa saúde! Isso porque um certo tipo de radiação, chamada radiação ionizante, possui energia suficiente para ejetar elétrons dos átomos, o que resulta em sérias consequências nos processos biológicos (e é extremamente ligado ao desenvolvimento de câncer).

As radiações alfa, beta e gama, por exemplo, são ionizantes, e o dano na saúde quando somos expostos à elas depende de muitos fatores, como a intensidade da fonte, do tipo de radiação e do tempo de exposição.

A radiação consegue penetrar nosso corpo de maneira inversamente proporcional à sua massa, isso é: quanto mais pesada a partícula, menor vai ser seu poder relativo de penetração.

Se liga nessa tabela:

Ou seja, a partícula alfa, que é a mais pesada, é a que menos tem capacidade de penetrar no nosso corpo – ela é embarreirada pela pele. Já a radiação gama, que não tem massa nem carga, é a mais perigosa – você precisa de um metal bem espesso para que ela não atravesse tudo que vê pela frente (prédios, carros, pessoas etc).

Dose absorvida X Dose equivalente

A dose absorvida de radiação é a energia depositada em um sistema exposto à radiação. Por exemplo, se você fica na presença de um isótopo radioativo, a radiação que ele emite vai ser a dose absorvida e você vai ser o sistema! 😊

A unidade usada para medir a dose absorvida é o gray (Gy), que corresponde a um depósito de energia de 1   J × k g - 1 . Você também pode encontrar a unidade rad (dose de radiação absorvida), que corresponde a 10 - 2 Gy.

Maaas, como a gente já viu, não é porque um isótopo emite 10g de partículas alfa que meu corpo vai assimilar essas 10g, né? Isso depende do tipo de radiação! A gente leva em conta então a eficiência biológica relativa, Q, uma constante que relaciona a dose absorvida e a dose equivalente.

D o s e   e q u i v a l e n t e   S v   o u   r e m = Q × d o s e   a b s o r v i d a   ( G y   o u   r a d )

Onde a dose equivalente vai ser o tanto que a gente realmente absorve de radiação, já que ela leva em conta o tipo de tecido e o tipo de radiação!

A unidade da dose equivalente no SI é o Sv (sievert), mas antigamente era o roentgen equivalente homem (rem), onde 1   r e m = 10 - 2 S v , então não se assusta se você também achar essa unidade.

A eficiência biológica relativa, Q, tem valores fixos pras radiações mais conhecidas e, infelizmente, a gente tem que decorá-los! Para partículas gama, beta e a maior parte das outras radiações, Q = 1   S v . G y - 1 . Para partículas alfa e nêutrons rápidos, Q = 20   S v . G y - 1 .

Mesmo sem trabalhar em uma usina nuclear ou ter que lidar com elementos radioativos, a gente recebe radiação naturalmente de diversas formas e fontes, como nosso prórprio corpo, os raios cósmicos ou diagnósticos médicos.

Essa radiação se chama radiação de fundo, e é a média anual típica de dose equivalente que a gente recebe de fontes naturais. Ela vale cerca de 2 mSV/ano, mas varia de acordo com os nossos hábitos e onde moramos.

Pequeno resuminho das medidas de radiação 😊

Uso dos radioisótopos na medicina

Os diagnósticos médicos usam muiiiito a radiação e os radioisótopos, principalmente na aquisição de imagens.

Um exemplo bem importante é a tomografia por emissão de pósitrons (o PET), onde a gente ingere um radioisótopo emissor de pósitrons que tenha a ver com o que a gente quer diagnosticar e depois é monitorado. Esse emissor de pósitrons vai participar das funções biológicas normalemente, como se fosse o isótopo não radioativo. A diferença é que, por emitir radiação, o funcionamento do organismo vai poder ser quantificado e analisado por um sensor! Se liga nesse exemplo:

Além do PET e outras técnicas de imagem, a gente pode usar traçadores radioativos. Eles servem para marcar algum átomo importante, que participe das funções biológicas. Por exemplo: a gente pode usar o carbono-14 para marcar a glicose, e conseguir acompanhar a digestão de glicose no organismo.

Como o isótopo radioativo emite radiação que pode ser detectada por sensores, diferentemente dos isótopos não-radioativos, a gente consegue acompanhar o que acontece no organismo com essa molécula marcada! Por isso a gente chama de traçadores radioativos – a gente acompanha o caminho da molécula no metabolismo!

Um exemplo é quando a gente quer descobrir a origem de um átomo numa reação química. Na fotossíntese, por exemplo, se a gente quer saber de onde vem o oxigênio do gás oxigênio liberado, a gente pode fornecer para a planta água marcada com o radioisótopo do oxigênio:

6   C O 2 g + 6   H 2 O 18 l → l u z C 6 H 12 O 6 s , g l i c o s e + 6   O 2 18 ( g )

Daí a gente consegue descobrir que o gás oxigênio vem do oxigênio da água, e não do oxigênio do gás carbônico! 😊

Se você tá confuso e pensando que não faz medicina, então não precisa saber de nada disso, relaxa ahahah Vamos fazer uns exercícios que vão te ajudar a fixar e entender mais isso tudo! 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, Exercício 17.31

Uma amostra de 2 kg absorve uma energia de 1.5 J como resultado da exposição à radiação beta. Calcule a dose em rads e a dose equivalente em sieverts.

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Passo 1

A dose em rads é a dose absorvida! A gente sabe que 1 gray (Gy) é 1 J por kg de amostra, e um rad corresponde a 10 - 2 Gy.

Ou seja,

1   r a d = 10 - 2   J . k g - 1

No caso do problema, a gente tem 1.5 J por 2 kg:

1,5   J 2   k g × 1   r a d 0,01 J k g = 75   r a d s

Passo 2

Para calcular essa dose em sieverts, a gente precisa usar a eficiência biológica relativa, Q, e a fórmula:

D o s e   e q u i v a l e n t e   S v = Q × d o s e   a b s o r v i d a   ( G y )

Como estamos falando de partículas beta, vamos considerar Q = 1   S v . G y - 1 !

75   r a d × 1   G y 10 2   r a d   = 0,75   G y

E, então:

D o s e   e q u i v a l e n t e = 0,75   S v

Resposta

Exercício Resolvido #2

Adaptado de Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, Exercício 17.33

Alguém é exposto a uma fonte de radiação alfa na dose de 1 rad/dia. Sabendo que a náusea começa após uma dose equivalente de aproximadamente 100 rem, após que período esse sintoma da doença da radiação deve aparecer?

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Passo 1

Ó, vamos com calma! A gente sabe que a pessoa vai ter uma dose absorvida diária de 1   r a d = 10 - 2 G y .

Se a dose equivalente que começa a dar problema é em 100 rem, precisamos usar a fórmula:

D o s e   e q u i v a l e n t e   S v   o u   r e m = Q × d o s e   a b s o r v i d a   ( G y   o u   r a d )

Para descobrir a partir de que ponto a dose absorvida se torna problemática!

Como a radiação é alfa, Q = 20   S v . G y - 1 .

1   r e m = 10 - 2 S v

100   r e m = 1   S v

1   S v = 20   S v . G y - 1 × d o s e   a b s o r v i d a

D o s e   a b s o r v i d a = 0,05   G y

Passo 2

Se por dia, a pessoa é exposta à 10 - 2 G y :

1   d i a - 0,01   G y

x   d i a s - 0,05   G y  

Assim, vai demorar 5 dias para que a pessoa comece a sentir náuseas.

Resposta

5 dias.

Exercício Resolvido #3

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.51

Explique como você usaria F e 59 radioativo (um emissor beta com t 1 / 2 = 44,5   d i a s ) para determinar a extensão na qual coelhos são capazes de converter determinado composto de ferro em suas dietas em hemoglobina do sangue, que contém átomos de ferro.

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Passo 1

O ferro-59 pode ser utilizado como um traçador radioativo. Ele pode ser incorporado ao componente da dieta que contém ferro e fornecido como alimento aos coelhos.

Depois, é só a gente coletar o sangue dos coelhos e analisar os glóbulos vermelhos. Se o ferro desse alimento tiver sido usado para produzir hemoglobina, os glóbulos vermelhos vão conter o ferro radioativo e vão emitir radiação beta 😊

A porcentagem de hemoglobinas radioativas e não radioativas vai determinar a extensão da utilização desse alimento. Além disso, podemos coletar o sangue em tempos diferentes, para calcular a velocidade de ingestão do ferro, a velocidade de perda do ferro pelo sangue e etc.

Resposta

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, Exercício 17.53

Um químico está estudando o mecanismo da seguinte reação da hidrólise de um éster orgânico, o acetato de metila:

C H 3 C O O C H 3 + H 2 O → C H 3 C O O H + C H 3 O H

A questão é se o átomo de Oxigênio presente no metanol produzido vem do acetato de metila inicial ou da água adicionada. Proponha um experimento que use isótopos e permita determinar a origem do átomo de oxigênio.

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Passo 1

Uma solução para isso é utilizar a água marcada radioativamente, com a ajuda de um traçador radioativo, como o O 18 . Se a gente usa a H 2 O 18 , em vez da água normal, conseguimos ver se o metanol incorporou o O 18 ou o O 16   ( proveniente do acetato de metila).

Um jeito de ver se o metanol incorporou o oxigênio-18 é calcular a massa molar do metanol. Se ele tiver incorporado, será 34 g/mol, e não 32 g/mol (já que o isótopo radioativo do oxigênio é mais pesado).

Resposta

Exercício Resolvido #5

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.61

Um rato de laboratório é exposto a uma fonte de radiação alfa cuja atividade é 8,7 mCi.

a) Qual é a atividade da radiação em desintegrações por segundo? E em bequerels?

b) O rato tem massa de 250g e é exposto à radiação por 2 segundos, absorvendo 65% das partículas alfa emitidas, cada uma tendo uma energia de 9,12 × 10 - 13 J . Calcule a dose absorvida em milirads e grays.

c) Se EBR da radiação é 9,5, calcule a dose efetiva absorvida em mrem e Sv.

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Passo 1

a) 8,7 mCi é a atividade na unidade miliCurie! Então, só precisamos fazer uma troca de unidades...

8,7 × 10 - 3 C i × 3,7 × 10 10 d e s i n t e g r a ç õ e s   p o r   s e g u n d o 1   C i = 3,22 × 10 8   d . p . s

Como 1 bequerel vale 1 desintegração por segundo, podemos escrever que essa radiação tem atividade de 3,22 × 10 8   B q .

Passo 2

b) Se ele é exposto à radiação por 2 segundos, e a atividade dessa amostra radioativa é 3,22 × 10 8 desintegrações por segundo, isso quer dizer que ele será exposto à 3,22 × 10 8 × 2 desintegrações!

3,22 × 10 8   d e s i n t e g r a ç õ e s s e g u n d o × 2   s = 6,44 × 10 8   d e s i n t e g r a ç õ e s

Se cada desintegração tem   9,12 × 10 - 13 J ,   a energia total que será emitida é:

9,12 × 10 - 13 J d e s i n t e g r a ç ã o × 6,44 × 10 8   d e s i n t e g r a ç õ e s = 5,87 × 10 - 4 J

Se o ratinho absorve 65% das partículas, absorve só 65% da energia!

5,87 × 10 - 4 J × 65 % = 3,81 × 10 - 4 J

Passo 3

Agora, precisamos calcular essa energia/massa em grays 😊

3,81 × 10 - 4 J 0,25   k g = 1,52 × 10 - 3 J k g = 1,52 × 10 - 3 G y

Como 1   r a d = 10 - 2 G y ,

1,52 × 10 - 3 G y × 1   r a d 10 - 2   G y × 1   m i l i r a d 10 - 3   r a d = 152   m i l i r a d s

Passo 4

c) A relação entre a dose absorvida e a dose equivalente é dada pela equação:

D o s e   e q u i v a l e n t e   S v   o u   r e m = Q × d o s e   a b s o r v i d a   ( G y   o u   r a d )

Como a gente já sabe a dose absorvida e o enunciado diz que Q=9,5...

d o s e   e q u i v a l e n t e   ( S v ) =   9,5 × 1,52 × 10 - 3 G y

d o s e   e q u i v a l e n t e = 0,0144   S v