APPLICATIONS OF NUCLEAR ENERGY IN HEALTH
Regina Pinto de Carvalho Silvia Maria Velasques de Oliveira
São Paulo 2017 Published by Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência - SBPC Rua Maria Antonia, 294 - 4º andar Vila Buarque - 01222-010 São Paulo - SP - Brasil www.sbpcnet.org.br
International Atomic Energy Agency - IAEA Vienna International Centre PO Box 100 / 1400 Vienna, Austria www.iaea.org
Technical revision João Alberto Osso Junior Rejane Spiegelberg Planer Ana Márcia Greco de Sousa
Ilustration Henrique Cupertino
Lay-out Christiane Morais
Translation Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN Custom Solutions Ltda.
Support International Atomic Energy Agency - IAEA Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência - SBPC Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN Sociedade Brasileira de Biociências Nucleares - SBBN Sociedade Brasileira de Física - SBF
Cataloging-in-Publication Data Catalog sheet prepared by the Librarian Isabel dos Santos Figueiredo CRB/8 010123
C331a
Carvalho, Regina Pinto de. Applications of nuclear energy in health [e-book] / Regina Pinto de Carvalho, Silvia Maria Velasques de Oliveira; [translation by] Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Custom Solutions Ltda.; [illustrated by] Henrique Cupertino. -- São Paulo : SBPC; Viena : IAEA, 2017. 64 p. : il.
Includes bibliography Available in: http://portal.sbpcnet.org.br/livro/applicationsofnuclearenergyinhealth.pdf ISBN 978-85-86957-32-1
1. Nuclear medicine 2. Applied Physics 3. Education - High School I. Title II.Oliveira, Silvia Maria Velasques de.
CDD 616.075 75 CHAPTER I - INTRODUCTION TO THE ATOMIC NUCLEUS 9 The composition of the nucleus 9 Nuclear reactions 11 Conservation of mass during a nuclear reaction 12 Radioactive decay 13 Why is the knowledge of physical half-life important in medicine? 14 Nuclear fission 15 Nuclear fusion 16 The electromagnetic spectrum 17 Radio waves 18 TV waves 18 Microwaves 18 Infrared radiation 18 Visible light 19 Ultraviolet radiation 19 X-rays 19 Gamma rays (γ-rays) 19 Ionizing radiation 20
CHAPTER II - PRODUCTION AND DETECTION OF IONIZING RADIATION 21 Obtaining radioactive material 21 Charged particles 21 Neutrons 23 X-rays 23 Obtention and characteristics of certain radioisotopes 24 Cobalt-60 24 Technetium-99m 25 Fluorine-18 25 Iodine-131 26 Iridium-192 26 Carbon-11 27 Cesium-137 27 Interaction of radiation with matter 28 Electromagnetic radiation 28 Charged particles 30 Neutrons 30 Interaction of radiation with living beings 31 Lethal dose for fauna and flora components 31 Radiation detection 32 First detectors 32 Current detectors 32 Scintillators 33 Scintillators with coincidence circuit 34 Semiconductor detector 35
CHAPTER III - USES OF IONIZING RADIATION IN PROMOTING HEALTH 37 Diagnosis 37 X-rays 37 γ-rays 38 Radiopharmaceuticals for diagnosis 38 Positron Emission Tomography 39 Treatment 40 γ sources for teletherapy 40 Brachytherapy 40 Radiopharmaceuticals for treatment 41 Sterilization of food and of hospital supplies 41 Pest control 41
CHAPTER IV - MYTHS AND FACTS ABOUT RADIOACTIVITY 43
CHAPTER V - CLASSROOM ACTIVITIES 47 Subjects for discussion 47 Simulation of a radioactive decay 47
APPENDICES 51 A1: Radiation units 51 A2: Obtention of scintillographic images 53 A3: Radiation doses in medical procedures 58
SUGGESTED READING 61 This book is addressed to high school students and teachers, with the intent of providing consistent information about Nuclear Physics that meet the classroom needs. Nuclear Physics studies the phenomena that allow the peaceful and beneficial use of nuclear energy. There are several important applications of radioisotopes, natural or artificially produced in dedicated accelerators or reactors, such as in diagnosis or therapy, agriculture or the environment, as well as in industry and in energy generation. This book describes the basic characteristics of the atomic nucleus and its potential transformations, the main radioisotopes currently used in practical applications and the operation of the main types of radiation detectors, which permit the identification of the presence of exposure to ionizing radiation in humans or the environment. Some questions are proposed for research and classroom discussion, as well as simple activities that illustrate basic concepts. To the extent possible, the illustrations in the book have been designed for readability by color-blind people. However, if the reader has any problem interpreting any figures, please contact us so we can improve upon the presentation.
We would like to thank the many people in Brazil who assisted in the development of the content through their contributions and comments: Professors Edvane Borges (Universidade Federal de Pernambuco), Hérika Vasconcelos, Napoleão Ramalho, Orlando Aguiar and his students (Universidade Federal de Minas Gerais), Ana Márcia G. Sousa and her students (Faculdade Pitágoras), Juliana Batista da Silva, Carlos Malamut, Andréa Vidal, Thessa C. Alonso and their team, Wilson Calvo (Comissão Nacional de Energia Nuclear). We also thank João Alberto Osso Junior (International Atomic Energy Agency - IAEA) and Ms. Marcia Clarke (Vienna International School, Austria). We would like to thank immensely Professor Aldo Malavasi (International Atomic Energy Agency - IAEA), who embraced our project and allowed it to attain a much broader scope that we had even hoped for.
Silvia and Regina April/2017
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I – INTRODUCTION TO THE ATOMIC NUCLEUS
Until the end of the nineteenth century, the atom was described by means of a simplified model, based on observations of the behavior of materials. According to this model, the negative electrons move around positive nuclei, which are supposedly composed of protons, positive particles with a mass approximately 2,000 times greater than the mass of the electrons. Discoveries made by scientists in the late nineteenth and early twentieth centuries led to changes in this simplified model. Today, it is believed that the atom has a positive nucleus and negative electrons, located in the region surrounding the nucleus. The volume of the atom is determined by the so-called electronic cloud (region where the electrons are located),1 and its mass is mainly related to the mass of the nucleus. The composition of the nucleus The earliest information regarding the atomic nucleus, at the end of the nineteenth century, came from the discovery of radioactivity by French physicist Henri Becquerel (1852-1908) and subsequent studies by Polish chemist Marie Curie (1867-1934), aided by her husband, the French physicist Pierre Curie (1859-1906).2 Emissions from the nucleus were called α particles (Greek letter, alpha), β (Greek letter, beta) or γ (Greek letter, gamma), based on their ability to penetrate matter (FIGURE I-1). The energies involved in these emissions are in the order of MeV (millions of electron-volt).3 The concept that the nucleus was composed only of positive particles was flawed, since particles of the same charge repelled each other and caused instability of the nucleus. The discovery of the neutron, in 1932, by English physicist James Chadwick (1891-1974), led to yet another change in the model for the nucleus. The neutron is a particle with a mass similar to that of the proton but with no electric charge. There are forces of attraction, called
1 The radius of an atom is on average 104 times greater than its nucleus: if the nucleus had a radius equal to a dot made by a pen (~1 mm), the atom would have the size of a classroom (~10 m). 2 Pierre Curie was carrying out research on magnetism, and his wife, Marie Sklodowska Curie, was researching the emissions of certain atoms, which she called radioactivity. Realizing the importance of Marie's work, Pierre decided to help her and postponed his studies on magnetic materials, which were left unfinished due to his early death. 3 1MeV = 106 eV = 1.6.10 -13 J 9 nuclear forces, between the nucleons, these being the particles that make up the nucleus (protons and neutrons). Thus, the nuclear attraction forces between the nucleons compensate for the electrostatic repulsion between the protons, and it is possible to have stable nuclei, when there is a number of neutrons equal to or greater than that of protons. Nuclear forces are stronger than electromagnetic and gravitational forces, but have a very short range. Therefore, it is not possible to have very large stable nuclei: the nuclear attraction acts only between neighboring nuclei, whereas the electrostatic repulsion acts on all protons, regardless of the distance between them. It is now known that α particles are composed of 2 protons and 2 neutrons and are similar to he nucleus of the element helium; the β particles are identical to the electrons, and the γ particles are high energy photons (TABLE I-1). Neutrons and protons exist permanently within the nucleus; the β particles are created during the emission process.
Table I-1 – Characteristics of nuclear particles
Particle Composition Blocked by
α 2 protons and 2 neutrons paper sheet β electron aluminum foil
γ high energy photon lead plate or a concrete block several meters thick
n neutron boron or paraffin block
Figure I-1 – Materials that can shield the particles
α particle
β particle / X-ray γ-ray paraffin lead block neutron aluminum plate paper foil sheet
Other particles can also be emitted from a nucleus, such as positrons, that have the same mass as the electrons, but containing a positive charge, described by the symbol β+ (beta- plus), or neutrinos, which have a much smaller mass than that of the electrons and carry no charge, described by the symbol ν (Greek letter, nu) or ν (nu-bar), in the case of antineutrinos. The neutrinos carry momentum and energy, being responsible for the conservation of these quantities during nuclear transformations. 10 Reações nucleares ReaçõesNuclear Reações nucleares reactions nucleares Após a emissão espontânea de partículas , ou , um núcleo terá sua composição Após amodificada. AfterApósemissão thea emissão espontâneaspontaneous Essa espontâneaemissão de emission partículas é denominada de partículas of α,, β decaimento orou γ ,particles, , um ou núcleoradioativo. , aum nucleus teránúcleo sua will terá composição have sua itscomposição composition modificada.modified. modificada. Essa AThis emissão emissão Essaemission emissão deé denominada uma is called partículaé denominada radioactive decaimento diminui decaimento decay.radioativo. em 2 oradioativo. número de prótons e também em 2TheA o emissão número emissionA emissão dede umanêutronsof an departícula α uma particle do partículanúcleo; decreasesdiminui então, diminui em estethe 2 numberonúcleo númeroem 2 seo of númerodetransforma protons prótons de by prótons eem 2também andoutro, ealso também comem the carga number em 2 oof número neutronsmenor2 o númerode em nêutrons of 2 theunidades,de nêutronsnucleus do núcleo; e massdbyo núcleo;então,2;a menorthen este então, thisem núcleo 4 nucleuseste unidades. senúcleo transforma becomes se transforma emanother outro, em one,com outro, cargawith com its carga charge menorreduced em menor 2 by unidades, Umaem2 units, 2 unidades,emissão e andmass itsa e menor mass massdiminui a decreasedem menor 4a unidades.carga em by 4 unidades.do4 units.núcleo em 1 carga negativa, ou seja, aumentaAUma β emission emissãoUma a carga emissãodecreases dodiminui núcleo the diminui acharge emcarga 1 a ofunidade docarga the núcleo nucleus dopositiva; núcleoem by 1 1 acarganegativeem massa 1 negativa,carga totalcharge, negativa,do ou thatnúcleo seja is, ou, itnão increasesseja é, aumentathe chargealterada.aumenta a carga of Isso the a docarga nucleusequivale núcleo do bynúcleoaem transformar 1 1positive unidadeem 1 unit,umunidade positiva; nêutron leaving positiva; aem themassa próton total a totalmassa .mass A essado oftotal núcleotheemissão donucleus núcleonão sempre éunchanged. não será é associada a emissão de um antineutrino , que transporta energia e quantidade de alterada.This alterada.is Isso equivalent equivale Isso equivale toa transformar transforming a transformar um nêutrona neutron um nêutronem intopróton ema .proton. prótonA essa. emissãoThisA essa emission emissão sempre semprewillserá always será be associadamovimento,associada a emissão a sememissão de alterar um deanti a cargaumneutrino anti ouneutrino a massa, que do transporta, núcleo.que transporta energia energiae quantidade e quantidade de de associated with the emission of an antineutrino ν, which carries energy and momentum Na emissão , 1 carga positiva é retirada do núcleo, e sua massa não é alterada, movimento,withoutmovimento, changing sem alterar sem the a alterar carga charge aou carga ora massa the ou mass a do massa núcleo. of the do núcleo.nucleus. o que equivale a transformar um próton em um nêutron. A essa emissão está sempre InNa emissão+ emission,Na emissão , 11 carga positive , 1positiva carga charge positiva é retirada is withdrawn é retiradado núcleo do from, núcleoe sua the massa, enucleus, sua não massa é andalterada, não its é alterada,mass is not associadaβ a emissão de um neutrino , que permite a conservação da energia e da o quechanged; equivaleo que this equivale a istransformar equivalent a transformar um to transformingpróton um empróton um a em nêutronproton um .nêutroninto A essa a neutron.. Aemissão essa emissãoThis está emissionsempre está sempre is always associadaquantidadeassociada a emissão ade emissão movimento.de um deneutrino um neutrino , que permite, que permitea conservação a conservação da energia da energiae da e da associated with the emission of a ν neutrino, which allows the conservation of energy and quantidade quantidade de Amovimento. emissão de movimento. carrega a energia em excesso do núcleo; ela ocorre para levar ao momentum. estadoA emissão fundamentalA emissão carrega um carregaa energianúcleo a energia emque excesso se emencontrava excesso do núcleo; doem núcleo;ela um ocorre estado ela paraocorre de levarmaior para ao levarenergia ao The emission removes the excess energy from the nucleus. Its function is to bring to estado (representadofundamentalestadoγ fundamental umpor núcleoum um asterisco núcleoque se após queencontrava ose símbolo encontrava em do um elemento), emestado um deestado depois maior dedas energiamaior emissões energia de (representadothe groundpartículas.(representado por state um a pornucleusasterisco um asteriscothat após was o símboloapósin a highero símbolo do elemento),energy do elemento), state depois (represented dasdepois emissões das by emissõesan de asterisk de – as partículas.an exponent partículas. A s- emissõesafter the symbolnucleares of podemthe element), ser representadas after the emissions de forma ofanáloga particles. às reações químicas:NuclearA s emissõesA emissions scada emissões nucleares núcleo can nucleares é podem berepresentado represented podemser representadas peloser similarly representadassímbolo deto do formachemical elemento de análogaforma reactions: ao análogaqualàs reações corresponde; each às reaçõesnucleus is um número à esquerda, abaixo do símbolo, representa o número de prótons desse químicas:representedquímicas: cada4 bynúcleo cadathe chemical énúcleo representado é symbolrepresentado pelo of the símbolo peloelement símbolo do toelemento which do elemento itao corresponds; qual aocorresponde; qual acorresponde; number on the umleft, número núcleobelowum númeroà; the esquerda,um symbol, númeroà esquerda, abaixo representsà esquerda, abaixodo símbolo, the acimado number símbolo, representado símbolo, of representaprotons o representanúmero in othat númerode onucleus; prótonsnúmero de 4 prótonswhilededesse massa a dessenumber do núcleo4 (número4 de prótons + número de nêutrons). núcleoon the; núcleo um left número above; um númerotheà e squerda,symbol à esquerda, representsacima doacima símbolo,the domass símbolo, representa number representa of o thenúmero nucleus o númerode massa(number de domassa of protons do núcleo (númeronúcleo A(número deseguir, prótons de temos prótons+ número alguns + númerode exemplosnêutrons). de nêutrons). de emissões ou reações nucleares. Nessas + number of neutrons). 1 equaçõesA seguir,A éseguir, temosusado algunsotemos símbolo algunsexemplos n para exemplos osde nêutrons,emissões de emissões ou,ou emreações algunsou reaçõesnucleares. casos, nucleares. 0 nNessas. Os prótons, Nessas Below we can see some examples of nuclear emissions or reactions.1 1 1In these1 equations equaçõesqueequações é sãousado núcleos é o usado símbolo de ohidrogênio, símbolo n para osn são paranêutrons, representados os nêutrons, ou, em pelos1ou,alguns em símbolos casos,alguns casos,p,n . Osp ou prótons,n por. Os Hprótons, ; para the symbol n is used for neutrons, or, in some cases, n . Protons, which0 1 are0 hydrogen1 nuclei, os deutérios, que são núcleos de hidrogênio com 2 0núcleons, sendo1 1 1próton1 e 1 1nêutron, queare são represented quenúcleos são núcleosde hidrogênio,by p, de 1 hidrogênio, or sãoby representados1 ;são for representados the deuterium, pelos símbolos pelos which símbolos p, 1isp a ou hydrogenp, por 1 p 1ouH ;por nucleuspara 1 H ; para with 2 1 p 2 1 H2 os deutérios,usamos deutérios,- quese os são símbolos quenúcleos são d, núcleosde 1 dhidrogênio ou de1 H hidrogênio. Os com trítios 2 núcleons, com (núcleos 2 núcleons, sendo de hidrogênio 21 sendopróton2 1 com epróton 1 nêutron, 3 núcleons, e 1 nêutron, ou nucleons (1 proton and 1 neutron), we use the symbols d, 1d or 1 H . Tritium (hydrogen usam-seseja,usam os símbolos 1- sepróton os símbolos ed, 2 2 nêutrons)d ou d, 22Hd . são ouOs 2representadostrítiosH . Os (núcleos trítios como(núcleos de hidrogênio 3 H de. hidrogênio com 3 núcleons, com3 3 núcleons, ou ou nucleus with 3 nucleons,1 i.e.,11 1 proton1 and 2 neutrons)1 is represented as 1 H . O decaimentos , e podem ser representados3 3 da forma abaixo: seja, 1 prótonTheseja, α1 e,próton β2 nêutrons)and eγ 2 decays nêutrons) são representadosmay são be representados shown como as follows: 1 Hcomo. 1 H . O decaimentosO decaimentos , e ,podem e serpodem representados ser representados da forma da abaixo: forma abaixo: 238 234 4 94 Pu 92 U 2 238 238234234 * 4 234 4 94 Pu 949292PuUU2 9292 UU 2 234 * 14 234234 14* 234 92 U 6 C9292UU7N 921U 14 14 14 14 6 C 7 N6 C17N 1 Nuclear emissions bring the nucleus to its ground state (lowest energy state). Normally, very large nuclei are unstable; when they emit particles, they are transformed into a different chemical element (when the number of protons is changed) or isotopes of the same element (when only the number of neutrons is changed).5 When an unstable nucleus emits photons, it releases the excess energy and approaches its ground state. A nucleus can also be artificially modified if it is bombarded by particles, photons or other 4 É nuclei. dispensável This escrever leads o to nú amero nuclear de prótons, reaction uma vez in quewhich esse éthe determinado nucleus pelocan símbolo be transformed do elemento; into 4 É andispensável isotopeporém,4 É dispensável escreverpode of the ser o escreverútilsame nú exibirmero element o de talnú prótons, meronúmero, deor uma prótons,parainto vez facilitar another queuma ess veza visualizaçãoe équeelement; determinado esse é dodeterminado or processo pelo it can símbolo nuclear. pelobreak dosímbolo elemento;into dotwo elemento; or more porém, podeporém, ser útilpode exibir ser útil tal exibirnúmero, tal paranúmero, facilitar para a facilitar visualização a visualização do processo do processonuclear. nuclear. 7 4 7 7 It is not necessary to specify the number of protons, since this is determined by the symbol of the element; however, it may be useful to display this number to facilitate visualization of the nuclear process.
5 Isotopes are nuclei that differ in the number of neutrons, but have the same number of protons. They therefore correspond to the same chemical element, but have different masses. 11 As emissões nucleares acontecem para trazer o núcleo ao seu estado fundamental As emissões (estado denucleares mais baixa acontecem energia). Normalmente,para trazer onúcleos núcleo muito ao grandesseu estado são instáveis;fundamental quando (estado emitem de mais partículas, baixa energia transformam). Normalmente,-se em núcleosoutro elementomuito grandes químico são (quandoinstáveis; o quandonúmero deemitem prótons partículas, se altera) transformam ou em isótopos-se emdo mesmooutro elementoelemento (quandoquímico apenas(quando o onúmero número de de nêutrons prótons sese altera)altera). 5ou Quando em isótopos emite fódotons, mesmo um elementonúcleo instável (quando se apenasdesfaz deo númeroum excesso de nêutronsde energia se e altera) se aproxima.5 Quando do seu emite estado fótons, fundamental. um núcleo instável se desfaz deUm um núcleo excesso pode de tambémenergia eser se modificado aproxima do artificialmente, seu estado fundamental. se for bombardeado por partículas, Um fótonsnúcleo ou pode por também outros núcleos.ser modificado Teremos artificialmente, assim uma reação se for nuclearbombardeado em que por o smallernúcleopartículas, nuclei pode fótonsor semerge transformar ou porwith outros another em núcleos.um nucleus,isótopo Teremos doforming mesmo assim a elemento,largeruma reação nucleus. em nuclear outro In all elemento,em these que cases,o therequebrarnúcleo may be-podese anem se emissiondois transformar ou mais of particlesnúcleosem um menoresisótopoor photons, doou mesmofundir and - theseelemento, com nuclei outro emand núcleo, outro particles elemento,formando resulting fromumquebrar the núcleo reaction-se emmaior. carrydois Em ou kinetic todosmais núcleos osenergy: casos menores, therepode haveris oualways fundir emissão conservation-se comde partículas outro of núcleo, mass/energy ou de formando fótons ,and e of momentum.osum núcleosnúcleo6 maior.e partículas Em todos resultantes os casos ,da pode reação haver carregam emissão energiade partículas cinética: ou dehá fótons sempre, e conservaçãoosThe núcleos following ede partículas massa/energiaare some resultantes examples e de quantidade ofda nuclearreação de reactions:carregam movimento energia.6 cinética: há sempre conservaçãoA seguir, de massa/energia temos alguns eexemplos de quantidade de reações de movimento nucleares.:6 A seguir, temos alguns exemplos de reações nucleares: 1 235 236 * 141 92 1 0 n 92U ( 92U ) 56Ba 36Kr 30 n E 1 235 236 * 141 92 1 0 n 92U 2 ( 923U ) 4 56Ba 1 36Kr 30 n E 1 H 1H 2He 0n E 2 3 4 1 1 H14 1H1 2He11 40n E 7 N 1p 6C 2 E 14 1 11 4 55 7 N 2 1p 556C 2 1 E 25 Mn 1H 26Fe 20 n E 55 2 55 1 25 Mn18 11H 1826Fe 120 n E 8 O 1p 9F 0n E 18 1 18 1 8 O 1p 9F 0n E NuclearAs reactions reações cannucleares also be podem represented também by ser indicating representadas the initial indicando nucleus,-se othe núcleo particles involved inicial, in Asas parentheses, partículasreações nucleares envolvidas and the podem final entre tambémparêntesesnucleus. serThus, e orepresentadas núcleo the last final. three indicandoAssim, reactions as- setrês oshown últimasnúcleo above can bereaçinicial, alsoões asrepresentedcitadas partículas podem envolvidasas ser follows: representadas entre parênteses como abaixo: e o núcleo final. Assim, as três últimas reações citadas podem ser representadas como abaixo: 14N ( p ,) 11C 14 11 55MnN (dp,,2n)) 55CFe 55 55 Mn18O (dp,,2nn))18FFe 18 18 O ( p ,n) F Conservação da massa durante uma reação nuclear Conservação da massa durante uma reação nuclear A massa de um núcleo não é igual à soma das massas dos prótons e nêutrons que o compõem.A massa Na dejunção um núcleo das partículas não é igual para à asoma formação das massas do núcleo, dos prótons pode haver e nêutrons liberação que Conservationdeo com energia,põem. diminuindo Naof junçãomass adasduring massa partículas total.a nuclear Inversamente,para a formaçãoreaction a fimdo núcleo,de separar pode o núcleohaver liberação em suas partículasdeThe energia, mass constituintes,of diminuindo a nucleus isapode massanot serequal total. necessário to Inversamente, the sum fornecer of the a energia fimmasses de aosepararof sistema.the protonso núcleo Essa and emenergia, neutronssuas that departículascomposenominada constituintes,it. energiaDuring de the ligaçãopode merging ser do necessário núcleo, of these é determinadafornecerparticles energiain thepela formation aoequação sistema. de of EssaEinstein, a new energia, nucleus,que thererelacionade maynominada occur massa energia a release (m) ede energiaof ligação energy, ( Edo): thusnúcleo, decreasing é determinada the total pela mass. equação Conversely, de Einstein, in orderque to relaciona massa (m) e energia (E): 2 separate the nucleus into its constituent particles,E m itc may, be necessary to provide energy to the onde c é constante e igual à velocidadeE da luz:m c2 , system.onde This c é constante energy, callede igual the à velocidade nucleusc bonding =da 3.10 luz:8 m/s. energy, is given by the Einstein equation, which relates mass (m) and energy (E):c = 3.108 m/s.
E =Δm.c2
5 where Isótopos c is constant são núcleos and que equal diferem to pelo the número speed de of nêutrons, light: mas têm o mesmo número de prótons. Eles 5correspondem, Isótopos são núcleosportanto, que ao diferemmesmo elementopelo número químic de nêutrons,o, porém têmmas massastêm o mesmodiferentes. número de prótons. Eles 6correspondem, Como veremos portanto, a seguir, ao massa mesmo pode elemento ser transformada químico, porém em energia, têm massas e vice -diferentes.versa. . 8 6 c = 3 10 m/s. Como veremos a seguir, massa pode ser transformada em energia, e vice-versa. 8 8 In nuclear reactions, the sum of the masses of the initial products may be different from the sum of the masses of the final products, and the balance appears as energy supplied by or released in the system. The most significant examples of the equivalence between mass and energy are the so- called pair production, and the inverse phenomenon, the pair annihilation.
6 As we shall see below, mass can be transformed into energy, and vice versa. 12 Nas reações nucleares, a soma das massas dos produtos iniciais pode ser Nas reações nucleares,The a somaproduction das massas of an electron-positrondos produtos iniciais pair canpode occur ser withdiferente the energy da soma delivered das massas by a dos produtos finais, e o saldo aparece como energia diferente da soma das massasphoton, dos provided produtos that finais, it has e enougho saldo energy.aparece Thiscomo must energia happen cedidain the ouvicinity liberada of peloa nucleus, sistema. Os exemplos mais espetaculares da equivalência entre massa e energia são a cedida ou liberada pelo sistema.which recoils, in order to preserve momentum. chamada criação de pares, e o fenômeno inverso, a destruição de pares. Os exemplos mais espetacularesIn the inverse da equivalênciaphenomenon, entre an electronmassa e and energia a positron são a are annihilated, and two photons chamada criação de pares, e o fenômeno inverso, a destruição de pares. A criação de um par elétron-pósitron pode ocorrer com a energia fornecida por A criação de um parof equalelétron energy-pósitron are pode created ocorrer (0.511 com MeV a energia each). fornecida The sum por of the energiesum fóton, of desde the twoque essaphotons energia seja suficiente. Isso deve acontecer nas vizinhanças de um fóton, desde que essa energiais equivalent seja suficiente. to the added Isso devemasses acontecer of the electronnas vizinhanças and the de positron, um núcleo,and the que direction recua, para of the que se tenha conservação da quantidade de movimento. um núcleo, que recua, paraemission que se tenha of the conservação photons can da quanbe determinedtidade de movimento. using the law of momentum Na destruiçãoconservation. de pares, um elétron se encontra com um pósitron e são gerados Na destruição de pares, um elétron se encontra com um pósitron e são gerados dois fótons de mesma energia (0,511 MeV cada um). A soma das energias dos dois dois fótons de mesma energia (0,511 MeV cada um). A soma das energias dos dois fótons é equivalente às massas do elétron e do pósitron, e a direção da emissão dos fótons pode ser determinada usando-se a lei de conservação do momento. fótons é equivalente às massasRadioactive do elétron decay e do pósitron, e a direção da emissão dos fótons pode ser determinada usando-se a lei de conservação do momento. In an atom, the nucleus is surrounded by electrons and thereforeDecaimento does radioativo not suffer the
Decaimento radioativo influence of temperature, pressure, or any other external factor. The transformations that Em um átomo, o núcleo está cercado pelos elétrons e, portanto, não sofre a occur within the nucleus, such as radioactive decay, depend solely on its internal conditions. Em um átomo, o núcleo está cercado pelos elétrons e, portanto, não sofre a influência da temperatura, da pressão ou de qualquer outro fator externo. As During radioactive decay, the number N of radioactive nuclei (nuclei capable of emitting influência da temperatura, da pressão ou de qualquer outro fator externo. As transformações que acontecem no núcleo, como o decaimento radioativo, dependem transformações que acontecemparticles) no núcleo,decreases como with o timedecaimento t, according radioativo to an, dependemexponential law:somente das suas condições internas. somente das suas condições internas. Durante o decaimento radioativo, o número N de núcleos radioativos (núcleos Durante o decaimento radioativo, o número N de núcleos radioativos (núcleos capazes de emitir partículas) diminui com o tempo t, segundo uma lei exponencial: capazes de emitir partículas) diminui com o tempo t, segundo uma lei exponencial: N = N e-λt, t 0 N N0e , t N N0e , onde N0 é o número inicial de núcleos radioativos, e é uma constante que depende de where N is the initial number of radioactive nuclei, and λ is a constant that depends on onde N é o número inicial de núcleos0 radioativos, e é uma constante que depende de cada tipo de decaimento. 0 the specific type of decay. cada tipo de decaimento. O tempo necessário para acontecer o decaimento da metade dos núcleos de uma amostra é denominado meia-vida T 1 . Assim, se no início de uma observação existem N O tempo necessário paraThe acontecer time required o decaimento for theda metaddecaye dosof half núcleos the denuclei uma in a given sample is called the 2 amostra é denominado meiahalf-life-vida T 1 T. Assim,. Thus, se ifno at início the beginningde uma observação of an observation existem N therenúcleos are N radioativos radioactive em nuclei certa amostra, decorrido o tempo de uma meia-vida, teremos 2 ½ N 1 N N núcleos radioativos em certain a amostra,certain sample,decorrido after o tempo a half-life de uma has meiaelapsed,-vida we, teremos will have núcleosradioactive radioativos; nuclei; apósafter 2 meias-vidas, teremos núcleos radioativos, e N 1 N N 2 2 2 4 núcleos radioativos; após2 half-lives, 2 meias-vidas we will, teremos have núcleosradioactive radioativos, nuclei, eand so on. Figure I-2 shows the 2 2 2 4 assim por diante. A Figura I-2 mostra a variação do número de núcleos radioativos em assim por diante. A Figuravariation I-2 mostra in a the variação number do númeroof radioactive de núcleos nuclei radioativos as a function em offunção time. do tempo. função do tempo. Figura I-2 – Variação do número de núcleos radioativos em função do tempo Figura I-2 – VariaçãoFigure do número I-2 – deVariation núcleos radioativosin the number em função of radioactive do tempo nuclei as a function of time
N
N/2 A meia-vida dos elementos radioativos pode variar de valores muito grandes A meia-vida dos elementos radioativosN/4 pode variar de valores muito grandes (milhões de anos) a muito pequenos (milésimos de segundos). Veja na Tabela I-2 Number nuclei of alguns valores de meias-vidas. (milhões de anos) a muito pequenos (milésimosN/8 de segundos). Veja na Tabela I-2 alguns valores de meias-vidas. 9 T 2T 3T Time ½ ½ ½ 9 The half-life of radioactive elements can range from very large quantities (millions of years) to very small ones (thousandths of seconds). See Table I-2 for some half-life values. 13 Table I-2 – Half-life of some elements Name of element Symbol Half-life Uranium-238 238U 4.5 million years Radium-226 226Ra 1,600 years Cesium-137 137Cs 30.2 years Iodine-131 131I 8.0 days Metastable Technetium-99 99mTc 6.0 h Iodine-128 128I 25 min Silver-110 110Ag 24.6 s Radon-217 217Rn 1 ms
Source: MEYERHOF, W. E. Elements of Nuclear Physics – New York: McGraw-Hill, 1967.
Only elements with a half-life greater than the Earth's age are found in nature, because all others have already decayed since their formation. Therefore, we can speak of natural radioactivity (radioactive elements found in nature) and induced radioactivity or artificial sources of radiation (elements that have undergone transformations achieved in a laboratory and become radioactive). In some regions, radioactive elements buried underground rise to the surface, due to human actions such as mining, modifying the natural radioactivity of the site.7 We can also find radioactive elements formed through bombardment by cosmic rays in the upper atmosphere, which then reach the Earth's surface. The half-life value T½ for each nucleus depends on its internal constitution, which is the subject of Particle Physics studies. The half-life concept is also used in other areas to describe any value that decreases exponentially with time. When there are different uses of this concept in the same text, the half-life related to radioactive decay is called physical half-life,8 in order to distinguish it from the others. In particular, in Pharmacology, the biological half-life of a drug is defined as the time required for half of the dose administered to a living being to be eliminated from the body through the renal, gastric, respiratory, etc. systems. The combination of the physical half-life of the radioisotope with biological half-life (which depends on biodistribution) is called the effective half-life. Why is the knowledge of physical half-life important in medicine? The physical half-life is one of the important parameters for planning a medical procedure. In radioisotope applications for diagnostic or therapeutic purposes, a distinction should be made when the exposure is external (e.g. sealed sources for brachytherapy) or internal (e.g. radiopharmaceuticals for imaging or therapy, when the sources are incorporated). In the case of sealed sources for brachytherapy, treatment planning takes into consideration, among other factors, the physical half-life of each element. Regarding radiopharmaceuticals, the issue is more complex, since the biological half-life, which depends on the biodistribution
7 This phenomenon is called NORM (Natural Occurrence of Radioactive Materials). 8 In this book, where there is no ambiguity, the physical half-life will be called simply half-life. 14 física de cada elemento. No que diz respeito a radiofármacos, a questão é mais of complexathe material porque inside também the body, deve mustser considerada also be taken a meia into-vida account. biológica, In this que book, depende we dawill not gobiodistribuição into greater detail do material regarding dentro biological do corpo. half-life. Nesta publicação, não entraremos em detalhesWhen sobre a radiopharmaceutical meia-vida biológica. is used for diagnosis, its physical half-life must be compatible with the Quandotime of theradiofármacos image acquisition são usados (maximum para exames,20-30 min). sua However,meia-vida thisfísica precaution é of compatíveltime limit comwould o tempo be of deno aquisiçãouse if the da image imagem were (no obtained máximo before20 a 30 the min maximum). Mas, de point nada adiantaria esse cuidado, se a imagem fosse adquirida antes do ponto máximo da of the radiopharmaceutical biodistribution in the body, in order to obtain the best possible biodistribuição do radiofármaco no corpo, para obter a melhor imagem possível. Os image.técnicos The que technicians realizam whoos exames carry outtêm theformação procedure profissional have professional que permite training calcular and com carefully calculatecuidado all todos the parametersos parâmetros for paraa good um image bom exame.acquisition. Depois After que the o material material foi has excretado been excreted bypelo the patient,paciente, special são tomados care concerning cuidados radiologicalcom a proteção protection radiológica is provided por profissionais by professionals specializedespecializados in radioactive em gerência waste de rejeitos management. radioativos.
NuclearFissão nuclear fission
One Umof the dos most exemplos interesting mais interessantesexamples of denuclear reação reaction nuclear isé fissiona fissão: :it ela occurs ocorre when a nucleusquando splits um núcleointo two, se separa usually em due outros to externaldois, em interference.geral por causa Uranium-235, de uma interferência for example, as externa.it captures O urânio,a neutron, por isexemplo, divided aointo capturar two nuclei, um nêutron, each one divide having-se emabout dois half núcleos, of the total mass.cada During qual com fission, cerca daother metade neutrons da massa and total.a large Durante amount a fissão,of energy são areliberados released. outros A typical examplenêutrons of e fission uma grande is given quantidade by the reaction:de energia. Um exemplo típico de fissão é dado pela reação:
235 236 * 141 92 n 92U ( 92U ) 56Ba 36Kr 3n E E=175 MeV
The Aenergy energia released liberada corresponds corresponde to theà diferença difference em inmassa mass entrebetween os componentes the initial and the finaliniciais components e os finais of dathe reaçãoreaction.. Embora Although essa thisseja is a the reação most mais likely provável reaction para for theo 235 235U,U , there areexistem other possibilitiesoutras possibilidades, with other com fission outros products.produtos de fissão. FigureA FiguraI-3 shows I-3 mostra a nuclear um esquemafission sketch. da fissão nuclear.
Figure I-3 – A nuclearFigura fission I-3 – Descrição sketch esquemática da fissão nuclear
236U* n n n 235U 236 * n U Durante a fissão do 235 U , cada núcleo se divide em dois outros e libera certa quantidade de energia, além de 3 nêutrons. Se cada nêutron atingir outro núcleo, teremosDuring a thefissão fission de 3 núcleos,of the235 U, fornecendo each nucleus 3x3 divides nêutrons into e trêstwo vezesothers a and quantidade releases ade certain amountenergia of inicial, energy, e assim in addition por dia nte.to 3 O neutrons. número de If nêutrons each neutron e a energia reaches liberada another aumentam nucleus, we willcada have vez the mais. fission A umaof 3 nuclei,reação providingdesse tipo3 ×3chamamos neutrons andde umathree reação times theem initialcadeia energy amount,(FIGURA and I -so4). on. The number of neutrons and the energy released increases. We call such a reaction a chain reaction (FIGURE I-4). 11
15 Figure I-4 – Chain reaction in nuclear fission
Neutron (n)
It is possible to control the fission reaction, in order to use, in each reaction, only one neutron for a new fission; this is what takes place in a nuclear reactor, where the fissile material is surrounded by absorbers in the proper positions and quantities. In this case, the energy released is always constant.9 The 235U fission energy is used in power reactors for heating water, producing steam to move turbines to generate electricity. In other types of reactors (multi-purpose reactors), the neutrons released in fission reactions are used for research or for radioisotope production.
Nuclear fusion Another example of a nuclear reaction is fusion, which occurs when two light nuclei combine to form one heavier nucleus. An example is the fusion of a deuterium ( ) and a tritium ( ) in helium, with the emission of a neutron and a certain amount of energy (FIGURE I -5):
9 If more than one neutron is used in each reaction, the released energy will increase exponentially from one stage to the next and can cause great damage. When the fissile material is used in large proportions and purposely more than one neutron from each reaction is saved for the next step, a lethal weapon is obtained. There is currently an international agreement not to use this type of weapon. 16 Figure I-5 - Sketch of the fusion reaction
helium deuterium fusion + + Como a soma das massas iniciais é maior que a das massas+ finais, há liberação de energia. Para ocorrer a fusão, os núcleos têm de vencer a repulsão eletrostática, ao se aproximarem; por isso é necessária uma grande quantidade de energia para iniciar o processo; ele continua em seguida,+ uma vez que a energia liberada pela fusão é maior que a fornecida e pode ser usada para iniciar outras reaçõesenergy de fusão. A fusão do hidrogênio+ em hélio é a principal fonte de energia no Sol e nas estrelas. A energia inicial deve ter sido fornecida durante a sua formação, com a aproximação de partículas, e a seguir foi obtida uma reação em cadeia. + O espectro eletromagnético
O conjunto de ondas eletromagnéticas, classificadas de acordo com sua frequênciatritium ou comprimento de onda, é denominado espectro neutroneletromagnético. Os nomes dados às diversas regiões do espectro eletromagnético (FIGURA I-6) são relacionados apenas com o modo como as ondas são produzidas ou observadas, já que todas elas Since the sum ofpodem the ser initial escritas massesem termos is de greater campos elétricosthan thate magnéticos of the e finalse propagam masses, através there is a release of energy. do vácuo com a mesma velocidade, igual à velocidade da luz, c.
In order for fusion toFigura occur, I-6 – O nucleiespectro eletromagnético.must overcome (atenção aoelectrostatic diagramar, micro-ondas comrepulsion hífen) as they approach each other; therefore it takes a great quantity of energy for the process to start; it then continues, since the energy released by the fusion is greater than that supplied and can be used to start other fusion reactions. The fusion of hydrogen into helium is the main source of energy of the Sun and stars. The initial energy was probably supplied during the formation process, when particles came very close together, provoking a chain reaction. The electromagnetic spectrum
The series of electromagnetic As grandezas que waves, caracterizam classified as ondas eletromagnéticas according são to seu their comprimento frequency or wavelength, is calledde electromagnetic onda,10 sua frequência spectrum.11 (que varia inversamenteThe names ao givencomprimento to the de variousonda) ou suaregions of energia (que é diretamente proporcional à frequência). Tradicionalmente, usa-se uma the electromagnetic dessasspectrum grandezas (FIGURE para a radiação I-6) are de relatedcada região. only São to theapresentadas way in a which seguir asthe waves are produced or observed,características since de theycada região can doall espectro be described eletromagnético. in terms of electric and magnetic fields and propagateOndas through de rádio vacuum at the same speed, equal to the speed of light, c.
São as ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda entre 1 m e vários 8 Figure I-6 –The electromagneticquilômetros (frequências spectrum menores que 10 Hz ). São usadas para transportar as informações das emissoras de rádio e TV, sendo que cada uma colocará no espaço
o 10 1 km 10 Para valores1 m muito pequenos1 mm de comprimentos de1 onda,μm usa-se a unidade1 nm Angstrom:1 1A 10 m . λ 11 A frequência é geralmente medida em Hertz: 1 Hz = 1 oscilação/s. 13
visible
microwaves infrared ultraviolet
X-rays
Tv/radio γ -rays
f (Hz) 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022
17 The magnitudes that characterize electromagnetic waves are their wavelength,10 their frequency11 (which varies inversely to the wavelength) or their energy (which is directly proportional to the frequency). Traditionally, one of these quantities is used to characterize the radiation of each region. The following are the characteristics of each region of the electromagnetic spectrum. Radio waves These are the electromagnetic waves with wavelengths between 1 m and several kilometers (frequencies under 108 Hz). They are used to broadcast information from radio and TV stations, since each of which will irradiate waves with a certain frequency. Radio waves can be generated by terrestrial sources, by the oscillation of electrons in the wires of electrical circuits. There are also external sources of radio waves, among which the Sun is the most important. Radio astronomy studies information coming from space through radio waves emitted by accelerated electrons from stars and other celestial systems.Como a soma das massas iniciais é maior que a das massas finais, há liberação de energia. TV waves Para ocorrer a fusão, os núcleos têm de vencer a repulsão eletrostática, ao se aproximarem; por isso é necessária uma grande quantidade de energia para iniciar o TVprocesso; waves ele are continua short em wavelengthseguida, uma vez radioque a energia waves, liberada between pela fusão 1 é mmaior and 10 m (f between 8 que a fornecida7 e pode ser usada para iniciar outras reações de fusão. 10 Hz and 10A fusãoHz) doand, hidrogênio like radio em hélio waves, é a principal can be fo nteproduced de energia by no electricalSol e nas circuits. Frequency modulationestrelas. (FM) A energia radio inicial wavelengths deve ter sido superimpose fornecida durante themselves a sua formação, on comTV awavelengths. aproximação de partículas, e a seguir foi obtida uma reação em cadeia.
MicrowavesO espectro eletromagnético
These areO electromagneticconjunto de ondas eletromagnéticas, waves with wavelengthsclassificadas de between acordo com 1 mmsua and 1 m (f between 1012 Hzfrequência and 10 ou9 Hz)comprimento and can de onda, be producedé denominado by espectro oscillators eletromagnético in electrical. Os nomes circuits. The energy dados às diversas regiões do espectro eletromagnético (FIGURA I-6) são relacionados of the apenasmicrowave com o modo is used como asin ondasphysics são produzidas laboratories ou observadas, in order já que to todas provoke elas transitions in the electronspodem of sersome escritas atoms em termos and dethus campos obtain elétricos information e magnéticos e aboutse propagam the atravésmaterial. The microwave do vácuo com a mesma velocidade, igual à velocidade da luz, c. oven was invented as the result of an event in a physics lab, when one of the researchers left a chocolate barFigura next I-6 –to O theespectro equipment. eletromagnético. He (atençãofound ao diagramar, that microthe-ondas chocolate com hífen) had melted by absorbing the microwaves. This was due to the fact that the microwave energy was sufficient to heat the molecules through vibration. Microwaves are also used for transmitting TV or telephone signals. Nowadays microwaves coming from outer space can be detected and provide information on the present and past history of the Universe. Infrared radiation This is the electromagnetic radiation with wavelengths greater than that of the visible light, between As grandezas0.7 μm queand caracterizam 1 mm, that as ondas is, frequencies eletromagnéticas just são belowseu comprimento those of red light (between 1014 Hzde and onda ,1010 sua11 Hz).frequência In 11general, (que varia infrared inversamente radiation ao comprimento is obtained de onda) ouby sua vibrations or rotations energia (que é diretamente proporcional à frequência). Tradicionalmente, usa-se uma of atomsdessas or molecules.grandezas para When a radiação an deobject cada absorbsregião. São infrared apresentadas radiation, a seguir thereas is a change in its internalcaracterísticas energy, which de cada regiãois why do espectro this radiation eletromagnético. is called heat radiation. Celestial bodies emit infraredOndas radiation de rádio that provides information complementary to that obtained by observing their emission of visible light. São as ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda entre 1 m e vários quilômetros (frequências menores que 108 Hz ). São usadas para transportar as informações das emissoras de rádio e TV, sendo que cada uma colocará no espaço
o 10 10 For very10 Para small valores values muito pequenos of wavelengths, de comprimentos the de onda,Angstrom usa-se a unidadeunit is Angstrom: used: 1A 10 m . 11 11 Frequency A frequência is usually é geralmente measured medida inem Hertz: 1 Hz 1 =Hz 1 oscilação/s = 1 oscillation/s.. 13 18
Como a soma das massasComo iniciais a soma é maiordas massas que a iniciaisdas massas é maior finais, que há a liberaçãodas massas finais, há liberação de energia. de energia. Para ocorrer a fusão, Paraos núcleos ocorrer têm a fusão, de vencer os núcleos a repulsão têm deeletrostática, vencer a repulsãoao se eletrostática, ao se aproximarem; por issoaproximarem; é necessária poruma isso grande é necessá quantidaderia uma de grandeenergia quantidade para iniciar de o energia para iniciar o processo; ele continuaprocesso; em seguida, ele continuauma vez emque seguida,a energia uma liberada vez que pel a fusãoenergia é maiorliberada pela fusão é maior que a fornecida e podeque ser ausada fornecida para iniciare pode outrasser usada reações para deiniciar fusão. outras reações de fusão. A fusão do hidrogênio A emfusão hélio do éhidrogênio a principal em fo hélionte de é energiaa principal no Solfonte e nasde energia no Sol e nas estrelas. A energia inicialestrelas. deve A terenergia sido inicialfornecida deve durante ter sido a suafornecida formação, durante com a asua formação, com a aproximação de partículas,aproximação e a seguir de foi partículas, obtida uma e a reaçãoseguir foiem obtidacadeia. uma reação em cadeia.
O espectro eletromagnéticoO espectro eletromagnético
O conjunto de ondasO eletromagnéticas,conjunto de ondas classif eletromagnéticas,icadas de acordo classif comicadas sua de acordo com sua frequência ou comprimentofrequência de onda, ou comprimento é denominado de espectro onda, é eletromagnéticodenominado espectro. Os nomes eletromagnético . Os nomes dados às diversas regiõesdados do às espectro diversas eletromagnético regiões do espectro (FIGURA eletromagnético I-6) são relacionados (FIGURA I-6) são relacionados apenas com o modo comoapenas as com ondas o modosão produzidas como as ondasou observadas, são produzidas já que ou todas observadas, elas já que todas elas podem ser escritas empodem termos ser de escritascampos emelétricos termos e demagnéticos campos elétricos e se propagam e magnéticos através e se propagam através do vácuo com a mesmado velocidade, vácuo com igual a mesma à velocidade velocidade, da luz,igual c. à velocidade da luz, c.
Figura I-6 – O espectroFigura eletromagnético. I-6 – O espectro (atenção eletromagnético. ao diagramar, micro-ondas (atenção com hífen)ao diagramar, micro-ondas com hífen)
As grandezas que caracterizamAs grandezas as ondas que caracterizameletromagnéticas as ondas são seueletromagnéticas comprimento são seu comprimento de onda,10 sua frequênciade onda11 (que,10 suavaria frequência inversamente11 (que ao varia comprimento inversamente de onda) ao comprimento ou sua de onda) ou sua energia (que é diretamenteenergia proporcional (que é diretamente à frequência). proporcional Tradicionalmente, à frequência). usa Tradicionalmente,-se uma usa-se uma dessas grandezas paradessas a radiação grandezas de paracada aregião. radiação São deapresentadas cada região. a seguirSão apresentadas as a seguir as características de cada característicasregião do espectro de cada eletromagnético. região do espectro eletromagnético.
Ondas de rádio Ondas de rádio
São as ondas eletromagnéticas São as ondas com eletromagnéticascomprimentos de com onda comprimentos entre 1 m e váriosde onda entre 1 m e vários quilômetros (frequênciasquilômetros menores (frequências que 108 Hz menores). São usadasque 10 para8 Hz ).transportar São usadas as para transportar as informações das emissorasinformações de rádio das e emissorasTV, sendo de queVisible rádio cada e TV,umalight sendocolocará que no cada espaço uma colocará no espaço
This is the electromagnetic radiation to which the human eye is sensitive. Within the visible range, the frequency or wavelength variation will be perceived as a color variation, o o 10 10 14 14 10 Para valores muito pequenos10 Para de valorescomprimentos muito pequenos de onda, deusa comprimentos-segoing a unidade from Angstrom:de onda,4,000 usa 1 -Ase a(violet) 10unidadem Angstrom:.to 7,000 1 A (red)10 m(frequencies. between 7.10 Hz and 4.10 Hz). 11 A frequência é geralmente11 Amedida frequência em Hertz: é geralmente 1 Hz = 1 medida oscilação/s em Hertz:. Human 1 Hz = eye1 oscilação/s sensitivity. is not uniform for the entire visible range, being greater for yellowish green and lower 13for red and violet. 13In general, visible light is emitted when electrons make transitions in the outer layers of the atoms. The color of the light provides
information regarding the atoms of the emitting object and therefore the study of the visible light emitted by the Sun and other stars provides information about their composition. Ultraviolet radiation Electromagnetic waves with wavelengths between 1 nm and 400 nm, that is, with frequencies immediately above that of the violet light (between 1015 Hz and 1017 Hz) are called ultraviolet radiation. They are produced by the transition of electrons in the outer or intermediate layers of atoms. The Sun is a source of ultraviolet radiation, but most of it is absorbed by the ozone in the Earth's atmosphere. The ultraviolet radiation absorbed by the human skin allows the production of vitamin D, which assists in the absorption of calcium from food. This radiation also causes tanning of the skin. Prolonged exposure to ultraviolet radiation, however, can cause skin burns and skin cancer. Ultraviolet radiation can destroy bacteria; for this reason, it is used in the sterilization of surgical instruments and environments, air conditioning systems, etc., through the use of special lamps. X-rays These are the electromagnetic waves with wavelengths between 0.01 nm and 10 nm, (frequencies between 1016 Hz and 1019 Hz). X-rays are produced in transitions of electrons at the innermost levels of atoms or during deceleration of charged particles. The wavelengths of this radiation correspond to the spacing of the atoms in the solids, so it is possible to analyze the structure of the materials by X-ray scattering. X-rays are also used in medical diagnoses, since they easily penetrate human tissue of low density, but are blocked by bone tissue. In binary stars systems, where two stars orbit around their common center of mass, there is an emission of X-rays, thanks to the acceleration of the material that composes the stars. This radiation, however, cannot get through our atmosphere, and X-ray astronomy is carried out by orbiting observatories.
Gamma rays (γ-rays) These are electromagnetic waves with wavelengths shorter than 10 pm (frequency greater than 1019 Hz). They can be emitted in transitions of the atomic nuclei or in nuclear reactions. The γ-rays are highly penetrating and can cause cancer, damage to human tissue or genetic alterations. Their ability to destroy human tissues is used in medicine to eliminate cancerous tumors. They are also used for medical diagnoses, as we will see in Chapter III. In γ-ray astronomy, the detection of this type of radiation provides information on nuclear processes occurring in the Universe.
19 High-frequency X-rays are similar to γ-rays, as they differ only in their origin. If we do not know what caused the radiation, we are unable to distinguish between X-rays and γ-rays. There is also another type of radiation, generated by the annihilation of an electron and a positron. Although it does not come from the atomic nucleus, it is called γ radiation due to its high energy. Ionizing radiation High-frequency electromagnetic waves (X-rays and γ-rays) carry enough energy to cause ionization of atoms (stripping away electrons) whenever they strike a given material. They are called ionizing radiation. Waves with lower frequencies are not able to ionize materials, although they can produce other types of effects, depending on the energy they provide to the material. They are called non-ionizing radiation.
20 II - PRODUCTION AND DETECTION OF IONIZING RADIATION
Help! It’s over, A neutron! U-235!
As we saw in the previous chapter, there are natural sources of ionizing radiation. Most of the time, however, we need to use other radioactive material with specific characteristics in terms of energy, activity, half-life, etc. Several non-naturally occurring isotopes can be obtained through nuclear reactions.
Obtaining radioactive material Several radioactive isotopes that are not found in nature can be artificially created by bombarding stable elements with neutrons, charged particles or photons of convenient energy. Beams of charged particles are obtained by using a linear particle accelerator or a cyclotron. In order to obtain a neutron beam, one needs either reactors or indirect reactions with charged particles, whereas X-ray beams can be produced with suitable intensity and energy levels.
Charged particles In an electron accelerator, a metallic filament is heated in order to separate electrons from the metal atoms, after which the electrons are accelerated by an electric field and concentrated in a beam through the use of magnetic fields.12 Some accelerators have several stages of acceleration, with alternating electric fields synchronized with the movement of the electrons, which accelerate them always towards the same direction (FIGURE II-1). The electron beam is then directed at a target and used for research or for manufacturing radioisotopes.
12 When immersed in a magnetic field, charged moving particles are deviated from their path. 21
Figura II-1 – Esquema de um acelerador linear
Feixes de prótons podem ser obtidos de forma semelhante. Nesse caso, a fonte dos prótons é o gás hidrogênio, composto de moléculas de H2. As moléculas são separadas em átomos, que são ionizados, usando-se uma descarga elétrica. Um campo magnético separa as partículas positivas das negativas, e a seguir os prótons são
acelerados por um campo elétrico de intensidade conveniente. Para obter partículas com alta energia, é necessário se ter um acelerador linear de grande extensão. Um equipamento mais compacto é o cíclotron: ao mesmo tempo Figure II-1 - Schematic of a linear accelerator em que são aceleradvacuumas, as partículas são desviadas por campos magnéticos, percorrendo + /uma - trajetória em espiral.pump A cada volta, os valores de campos elétrico e magnético são target ajustados, para que as partículas aumentem mais e mais sua energia; as partículas aceleradas são extraídas pela borda do dispositivo e se movimentam em linha reta até atingir o alvo (FIGURA II-2).
. As moléculas são A B C D E F Figura II-2 – Esquema de um cíclotron -1 – Esquema de um acelerador linear 2 os prótons são elhante. Nesse caso, a fonte
source of - / + Figura II-1 – Esquema de um acelerador linear Figura II particles Figura II-1 – Esquema de um acelerador linear
Proton beams can be obtained in a similar way. In this case, the source of the protons se uma descarga elétrica. Um campo is hydrogen gas, which is composed of molecules. The molecules are split into atoms, - which are ionized by means of an electric discharge. A magnetic field separates the positive elétrico e magnético são s particles from the negative, after which the protons are accelerated by an electric field of suitable intensity. In order to obtain high energy particles, it is necessary to have a very long linear accelerator. One can also use a more compact equipment called a cyclotron, where the
particles, at the same time as they are accelerated, are deflected by magnetic fields, traversing a spiral path. At each loop, the electric and magnetic field values are adjusted, so that the
particles progressively increase their energy; the accelerated Feixes particles de prótons are podemextracted ser throughobtidos de forma semelhante. Nesse caso, a fonte Feixes de prótons podem ser obtidos de forma semelhante. Nesse caso, a fonte the rim of the device and move in a straight line untildos prótons they reach é o thegás target doshidrogênio, prótons (FIGURE écomposto o II-2).gás hidrogênio, de moléculas composto de H2 .de As moléculas moléculas de são H 2. As moléculas são As partículasseparadas emcarregadas átomos,separadas quese deslocamsão ionizados,em átomos, no interiorusando que são-se de ionizados,uma duas descarga estruturas usando elétrica.-se em uma Umforma descarga campo de D elétrica.. Um campo Um campo magnético magnético separa as magnéticopartículas separapositivas as daspartículas negativas, positivas e a seguirdas negativas, os prótons e asão seguir os prótons são Figure II-2 – Schematic of a cyclotron uniformeessas B encurva sua trajetória; cada vez que passam na interseção entre as duas estruturas, essas acelerados por um campoacelerados elétrico por de umintensidade campo elétrico conveniente. de intensidade conveniente. partículas Para são obter aceleradas partículas por Paracom um obteralta campo energia, partículas elétrico é necessário com E alta, cuja energia,se ter intensidade um é necessárioacelerador tem selinear a terforma um aceleradorde onda quadrada. linear de grande extensão. Um equipamento mais compacto é o cíclotron: ao mesmo tempo de grande extensão. Um equipamento mais compacto é o cíclotron: ao mesmo tempo em que são aceleradas, as partículas são desviadas por campos magnéticos, percorrendo Feixes de prótons podem ser obtidosas, as departículas forma semsão desviadas por campos magnéticos, percorrendo . Um campo magnético em que são aceleradas, as partículas são desviadas por campos magnéticos, percorrendo 2 – Esquema de um cíclotron D uma trajetória em espiral. A cada volta, os valores de campos elétrico e magnético são dos prótons é o gás hidrogênio, composto de moléculas de H- A Figura IIuma-3 trajetóriamostra em o espiral.cíclotron A cada volta,usado os valoresno Centro de campo des elétrico Desenvolvimento e magnético são da -2). ajustados, para que as partículas aumentem mais e mais sua energia; as partículas separadas em átomos, que são ionizados, usandoII ajustados, para que as partículas aumentem mais e mais sua energia; as partículas Para obter partículas com ídasalta energia,pela borda é necessário do dispositivo se ter e umse movimentamacelerador linear em linha reta até Tecnologiaaceleradas sãoNuclear extraídas (CDTN pela borda - doCNEN, dispositivo Belo e se Horizonte,movimentam em MG). linha retaNesse até caso, os eletroímãs magnético separa as partículas positivas das negativas, e a seguir aceleradas são extraídas pela borda do dispositivo e se movimentam em linha reta até estãoatingir colocados o alvo (FIGURA em posiçãoII-2). vertical, portanto, o campo magnético é horizontal. São acelerados por um campo elétrico de intensidade conveniente.Figura II atingir o alvo18 (FIGURA II-2). acelerados prótons, provenientes da ionização de gás hidrogênio; estes se chocam contra de grande extensão. Um equipamentoFIGURA mais compacto é o cíclotron: ao mesmo tempo Figura II-2 – EsquemaFigura de um II cíclotron-2 – Esquema de um cíclotron em que são acelerad um alvo que pode ser sólido, líquido ou gasoso, produzindo radioisótopos e/ou um feixe uma trajetória em espiral. A cada volta, os valores de campo ajustados, para que as partículas aumentem mais e mais sua energia; as partículas isótopos e/ou um feixe aceleradas são extra + 18 atingir o alvo ( , cuja intensidade tem a forma de onda quadrada. E
gás hidrogênio; estes se chocam contra otron usado no Centro de Desenvolvimento da
As partículas carregadas se deslocam no interior de duas estruturas em forma de D. Um campo magnético As partículas carregadas se deslocam no interior de duas estruturas em forma de D. Um campo magnético CNEN, Belo Horizonte, MG). Nesse caso, os eletroímãs The charged particles move within two D-shaped structures.uniforme A uniform B encurva magnetic sua trajetória;uniforme field cadaB encurvacurves vez que their sua passam trajetória; na interseção cada vez entreque passam as duas na estruturas, interseção essas entre as duas estruturas, essas - trajectory; each time they cross the gap between the two structures,partículas these particles são aceleradas are accelerated porpartículas um by ancampo electric são elétricoaceleradas field E .,por cuja um intensidade campo elétrico tem a Eforma, cuja de intensidade onda quadrada. tem a forma de onda quadrada. encurva sua trajetória; cada vez que passam na interseção entre as duas estruturas, -3 mostra o cícl B II 22 A Figura II-3 mostraA oFigura cíclotron II-3 usadomostra no o Centrocíclotron de usadoDesenvolvimento no Centro deda Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN - CNEN, Belo Horizonte, MG). Nesse caso, os eletroímãs são aceleradas por um campo elétrico Tecnologia Nuclear (CDTN - CNEN, Belo Horizonte, MG). Nesse caso, os eletroímãs estão colocados em posiçãoestão colocados vertical, emportanto, posição o campovertical, magnético portanto, éo horizontal.campo magnético São é horizontal. São As partículas carregadas se deslocam no interior de duas estruturas em forma de uniforme Figura acelerados prótons, provenientesacelerados prótons,da ionização provenientes de gás hidrogênio; da ionização estes de segás chocam hidrogênio; contra estes se chocam contra partículas A um alvo que pode ser umsólido, alvo líquido que pode ou sergasoso, sólido, produzindo líquido ou radio gasoso,isótopos produzindo e/ou um radio feixeisótopos e/ou um feixe
18 18 Tecnologia Nuclear (CDTN
estão colocados em posição vertical, portanto, o campo magnético é horizontal. São acelerados prótons, provenientes da ionização de um alvo que pode ser sólido, líquido ou gasoso, produzindo radio
Figure II-3 shows the cyclotron used in the CDTN – CNEN (Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear – Comissão Nacional de Energia Nuclear, Brazil), where the electromagnets are placed in the vertical position, so that the magnetic field is horizontal. Protons resulting from the ionization of hydrogen gas are accelerated and collide with a target which may be solid, liquid or gaseous, consequently producing radioisotopes and/or an X-ray beam which may be used for other applications. The production of X-rays will be detailed later in this chapter.
Figure II-3 – Cyclotron (CDTN-CNEN, Brazil)
eletromagnets target
beam exit
© Regina Carvalho P. Neutrons A neutron beam is easily obtained inside a fission reactor: the fission of uranium produces nuclei with a smaller mass and also neutrons, which will be available in large quantities inside the reactor, but with reduced energy, due to the existence of the moderator material contained in the reactor (usually water, or heavy water - where some hydrogen atoms have been replaced by deuterium, a hydrogen isotope containing one proton and one neutron). Another way to obtain neutrons is to use indirect reactions: charged particles from an accelerator strike a target where a reaction occurs in which neutrons are emitted with specific energy values. X-rays The deceleration of charged particles leads to the emission of X-rays due to the phenomenon known as bremsstrahlung, German word for braking radiation. To achieve this, the beam from an accelerator is forced to hit a target (usually made of tungsten). The X-rays thus obtained have a continuous spectrum of energy, that is, their energy can have any value within a given range. At the same time, upon hitting the target, the particles displace electrons from inside the atoms of that target (electrons which are at lower energy levels). These electrons are stripped, and higher-level electrons "fall" to take the place of the stripped electrons; the difference between the initial and final energy levels represents the order of magnitude of the energy of the X-rays. This results in the emission of X-rays with well-defined energy values for each target material, called characteristic X-rays. Figure II-4 shows the energy spectrum of X-rays emitted by a molybdenum target.
23
Como a soma das massas iniciais é maior que a das massas finais, há liberação de energia. Para ocorrer a fusão, os núcleos têm de vencer a repulsão eletrostática, ao se aproximarem; por isso é necessária uma grande quantidade de energia para iniciar o processo; ele continua em seguida, uma vez que a energia liberada pela fusão é maior que a fornecida e pode ser usada para iniciar outras reações de fusão. A fusão do hidrogênio em hélio é a principal fonte de energia no Sol e nas estrelas. A energia inicial deve ter sido fornecida durante a sua formação, com a aproximação de partículas, e a seguir foi obtida uma reação em cadeia.
O espectro eletromagnético
O conjunto de ondas eletromagnéticas, classificadas de acordo com sua frequência ou comprimento de onda, é denominado espectro eletromagnético. Os nomes dados às diversas regiões do espectro eletromagnético (FIGURA I-6) são relacionados apenas com o modo como as ondas são produzidas ou observadas, já que todas elas podem ser escritas em termos de campos elétricos e magnéticos e se propagam através do vácuo com a mesma velocidade, igual à velocidade da luz, c.
Figura I-6 – O espectro eletromagnético. (atenção ao diagramar, micro-ondas com hífen)
Figure II-4 – X-ray emission by a molybdenum target
(A) (B)
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de I K energia bem definido paraα cada material do alvo, denominados raiosM X característicos. A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de X-ray, K L β molibdênio.ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de ordem3 de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de As grandezas que caracterizam as ondas eletromagnéticasenergia bem são definido seu comprimento para cada material do alvo, denominadosK raios X característicos. 10 11 energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. X-ray, K de onda, sua frequência (que varia inversamente ao comprimentoA Figura de IIonda)-4 mostra ou sua o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de α A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de energia (que é diretamente proporcional à frequência). molibdênio. Tradicionalmente, usa-se uma dessas grandezas para a radiação de cada região.molibdênio.2 São apresentadas a seguir as características de cada região do espectro eletromagnético. FiguraK II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio β
nucleus Ondas de rádio
1 Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio electron São as ondas eletromagnéticas com comprimentos de ondaFigura entre 1 mII -e4 vários – Emis são de raios X por um alvo de molibdênio 8 dislodged quilômetros (frequências menores que 10 Hz ). São usadas para transportar as informações das emissoras de rádio e TV, sendo que cada uma colocará no espaço from K-shell 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 incoming o 10 electron 10 Para valores muito pequenos de comprimentos de onda, usa-se a unidade Angstrom:λ 1(A )10 m . 11 A frequência é geralmente medida em Hertz: 1 Hz = 1 oscilação/s. In (A), we see the energy spectrum 13of the X-rays emitted by a molybdenum target, where the peaks represent the characteristic X-rays of the material; in (B), we have the illustration of the emission of characteristic
X-rays. Em (A), vemos o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio, onde os picos representam os raios X característicos do material; em (B) temos a ilustração da emissão de raios X
característic os. Obtention and characteristics of certain radioisotopes Em (A), vemos o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio, onde os picos Em (A), vemos o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio, onde os picos Métodosrepresentam de obtenção os raios e Xcaracterísticas característicos do de material; alguns em radioisótopos (B) temos a ilu stração da emissão de raios X representam os raios X característicos do material; em (B) temos a ilustração da emissão de raios X Cobalt-60 característicos. característicos. Cobalto -60 Cobalt-60 is an emitter of energetic γ photons, and is produced by bombarding (stable) Métodos de obtenção e características de alguns radioisótopos cobalt-59Métodos with de obtençãoneutrons: e características de alguns radioisótopos O cobalto-60 é um emissor de γ energéticos, e sua produção é feita
bombardeandoCobalto-60 -se cobalto-59 (estável) com nêutrons: Cobalto-60
O cobalto-60 é um emissor59 de 60 γ energéticos, e sua produção é feita O cobalto-60 é um emissor27 Co den γ27 Co energéticos, e sua produção é feita bombardeando-se cobalto-59 (estável) com nêutrons: bombardeando-se cobalto-59 (estável) com nêutrons: O fluxo de nêutrons é obtido no interior de um reator nuclear, onde algumas das 59 60 barrasThe de neutron absorvedores flux is são obtained substituídas inside59 27por Coa barranuclear n60s 27de Coreactor, cobalto -59.where some of the absorber bars 27 Co n27 Co are replaced O cobalto by cobalt-59-60 é instável bars. e decai para níquel-60:
Cobalt-60 O fluxo is unstable de nêutrons and decaysé obtido into no nickel-60:interior de um reator nuclear, onde algumas das O fluxo de nêutrons é obtido no interior de um reator nuclear, onde algumas das barras de absorvedores60 60são substituídas por barras deT cobalto 5,3-anos59. barras de absorvedoresCo sãoNi substituídas e por barras de cobalto1 -59. O cobalto27-60 é instável28 e decai para níquel -60: 2 O cobalto-60 é instável e decai para níquel-60:
Nessa reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em 60 60 T 5,3anos e 1 proporções iguais. 60O27 cobaltoCo 60 28-Ni60 é conveniente para usoT1 em2 5 5.3aparelhos,3anos years industriais. O 27 Co28Ni e 2 valor de sua meia - vida (da ordem de 5 anos) permite trocas de fonte em intervalos
maiores doNess que aas reação,de outros são radioisótopos, emitidos γ de com meias energias-vidas mais de 1,3 curtas; MeV com e isso, 1,1 MeV,a fonte em Nessa reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em se Intornaproporções this mais reaction, econômica iguais. photons O e cobalto gera are menos- emitted60 é rejeitosconveniente with radioativos. energies para usoof Por 1.3 em causa MeV aparelhos da and alta 1.1 inenergia MeV,dustriais. dain equalO proporções iguais.γ O cobalto-60 é conveniente para uso em aparelhos industriais. O emissãovalor γ,de osua transporte meia-vida e o (damanuseio ordem dode cobalto5 anos)- 60permite exigem trocas meios de de fonte proteção em intervalos como proportions.valor de suaCobalt-60 meia-vida was (da used ordem for somede 5 anos)time inpermite radiotherapy trocas de equipment, fonte em intervalosbut gradually blindagensmaiores edo controle que as deremoto. outros radioisótopos, de meias-vidas mais curtas; com isso, a fonte the maioressources dowere que replaced as de outros by electronradioisótopos, accelerators. de meias Due-vida sto mais the curtas;high energy com isso, of γa fonteemission, se torna mais econômica e gera menos rejeitos radioativos. Por causa da alta energia da transportationse torna mais and econômica handling e for gera the menos exchange rejeitos of cobalt-60radioativos. sources Por causa require da alta protection energia da means emissão γ, o transporte e o manuseio do cobalto-60 exigem meios de proteção como suchemissão as shielding γ, o transporte and remote e o control. manuseio do cobalto-60 exigem meios de proteção como blindagens e controle remoto. blindagens e controle remoto.
20 24
20 20
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio.
Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio.
Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio
Em (A), vemos o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio, onde os picos representam os raios X característicos do material; em (B) temos a ilustração da emissão de raios X característicos.
Métodos de obtenção e características de alguns radioisótopos
13 13 CobaltoTechnetium-99mTecnécioTecnécio-60 --99m99m 1313 TecnécioTecnécio13 -99m-99m13 13 Tecnécio- 99mTecnécioTecnécio Technetium-99m --99m99m 13 is a γ emitter, obtained from the decay of molybdenum-99; this is a
product O ofOcobaltoO uranium-235tecnéciotecnécio-60- -99m99mé um ééfission um umemissor emissoremissor in nuclear de ,, obtidoobtido γ energéticosreactors: nono decaimentodecaimento, e sua dodo produçãomolibdêniomolibdênio é-- 9999feita;; esteeste éé OO tecnécio tecnécio-99m-99m é éum um emissor emissor , ,obtido obtido no no decaimento decaimento do do molibdênio molibdênio-99-99; ;este este é é O bombardeandotecnécio umum produtoprodutoOO-99m tecnéciotecnécio -é sedada um cobaltofissãofissão-- 99m99memissor dodoéé- 59 umum urâniourânio (estável), emissoremissorobtido--235235 nocom ee,m,m decaimentoobtidoobtido reatoresreatoresnêutrons: nono nuclearesnuclearesdecaimentodecaimento do molibdênio:: dodo molibdêniomolibdênio-99; este é --9999;; esteeste éé Em (A),um vemosum produto produto o espectro da da fissão de fissão energia do do urâniodos urânio raios-235 -X235 emi e metidosm reatores reatores por um nuclearesalvo nucleares de molibdênio,: : onde os picos um produtorepresentam umum da produto produtofissão os raios do daXda urâniocaracterísticos fissãofissão- 235dodo urâniourânio e dom material;reatores--235235 ee emm mnucleares reatoresreatores(B) temos: nucleares nuclearesa ilustração:: da emissão de raios X 1 235 236 * 99 134 1 1 235 característic59236 *os. 9960 134 1 10 n23592U (23692CoU*)n 9942MoCo13450Sn310 n E 1 235 11 2360 n235235*92U99236236(2792*U*134)99994227Mo1 13413450Sn1130 n E 1 n0 n23592UU(236( 92UU* ) ) 9942MoMo134 50SnSn313n0 n EE 0 n 92U 00n( 92U9292U) (4292Mo92U ) 50Sn4242Mo30n 5050Sn E300n E 0 n 92U ( 92U ) 42Mo 50Sn 3 0 n E Métodos de obtenção e características de alguns radioisótopos O fluxoOO molibdêniomolibdênio de nêutrons--9999 é éé obtido separadoseparado no quimicamentequimicamenteinterior de um dosdosreator outrosoutros nuclear, produtosprodutos onde de dealgumas fissãofissão edase decaidecai Molybdenum-99OO molibdênio molibdênio-99 -99is é chemically éseparado separado quimicamente quimicamenteseparated from dos dos otheroutros outros fissionprodutos produtos products de de fissão fissão ande edecai decai decays into O barrasmolibdênio metastable emem de tecnéciotecnécioOO absorvedores molibdêniomolibdênio- 99technetium: émetaestável:metaestável: separado-- 99são99 é équimicamentesubstituídas separadoseparado quimicamentequimicamente por dos barra outross de dosdos produtoscobalto outrosoutros-59. de produtosprodutos fissão e de dedecai fissãofissão ee decaidecai Cobalto-60emem tecnécio tecnécio metaestável: metaestável: em tecnécio em metaestável: tecnécioO cobalto metaestável: -60 é instável e decai para níquel-60: em tecnécio metaestável: 99 99m T 66h 99 Mo99m Tc T 1 66h O cobalto-60 é um emissor9942 de99 m43 γ energéticos e , e Tsua1 2 produção66h é feita 99 99m999942 Mo9999mm 43Tc e T1 12 66h 60 996042MoMo99 m43TcTc T1 e66 h TT1 2 66566,3h anosh 42 Mo 4342Tc42Mo 4343Tce 2ee T1122 66h bombardeando -se cobalto-2759Co (estável)4228MoNi com43 nêutrons:Tc e e 22 99 99 9942 Mo 99 O9999 42 Mo tem meia59-vida de 6660 horas e pode ser transportado desde o produtor até O99 42MoMo tem meia-vida de 66 horas e pode ser transportado desde o produtor até 42 Mo NessOO 4242a Mo reação, tem tem meiasão meia - emitidosvida-27vidaCo de de n66 66 γ horas 27 comhorasCo e energias epode pode ser ser detransportado transportado 1,3 MeV desde edesde 1,1 o oprodutor MeV, produtor em até até O oo hospitalhospitalThe temOO meia42 Mo ouou- avidaatemhastem clinicaclinica meiaademeia half-life 66.. -No-Novida vidahoras locallocal dedeof e 6666 podedada horas horashoursutilização,utilização, ser ee transportado and podepode écané serserfeitafeita be transportadotransportado a atransporteddesde extraçãoextração o produtor químicadesdequímicadesde from o oaté produtortheprodutordodo tecnécio, tecnécio,producer atéaté aa to the o hospital ou a clinica. No local da utilização, é feita99m a extração química do tecnécio, a o hospital proporções ohospitalouo hospitalhospital a clinica or ouiguais.ou .clinic. No aa clinica clinicalocal OThe cobalto.da . No Nochemical utilização, locallocal-60 dadaé extraction conveniente utilização,éutilização, feita a extração of é é para feitafeitatechnetium99 uso amquímicaa extraçãoextração em aparelhos isdo químicamadequímica tecnécio, in in dolocododustriais. a tecnécio, tecnécio, from theO aa Mo/Tc o hospital ou a clinica. No local da utilização, é feita99 ma43 TcTcextração química do tecnécio, a valorpartir de suada misturameia-vida Mo/Tc; (da ordemo tecnécio de 5 metaestável 99anos)m permite9999 mm 43 Tctrocas emite de γfonte com em140 intervalos keV e decai Omixture; fluxopartir deda thenêutrons mistura metastable éMo/Tc; obtido technetium ono tecnécio interior metaestávelde um emitsreator99 m 43γnuclear,43Tc photons emite onde with γ algumascom 140 140 keV das keV and e decaysdecai with partirpartir da da mistura mistura Mo/Tc; Mo/Tc; o otecnécio tecnécio metaestável metaestável43Tc 43TcTc emite emite γ γcom com 14140 140 keV keV e edecai decai partir da maioresmisturapartircom da domeiaMo/Tc; mistura que-vida as o deMo/Tc;detecnécio outros6 horas o metaestávelradioisótopos, tecnéciopara o estado metaestável de fundamental meias emite -vida43 γ comdos maisemite tecnécio 140 curtas; 14γ keVcom-99 com :e1414140 decai isso,keV ae fonte decai barras deapartir absorvedoreshalf-lifecomcom dameiameia mistura of--vidavida 6 são hours dedeMo/Tc; substituídas 66 horashorasto theo paraparatecnécio ground por oo estadoestadobarra metaestávelstates fundamentalfundamentalde of cobalto technetium-99: -59. dodo emite14tecnéciotecnécio γ com--99991414:: 140 keV e decai com meia-comvidacom meia demeia 6 -horas-vidavida de parade 6 6 horasohoras estado para para fundamental o o estado estado fundamental fundamental do tecnécio do do-99 tecnécio tecnécio: --9999::14 seOcom tornacobalto meia mais-60-vida econômicaé instável de 6 horas e edecai gerapara para menoso estado níquel rejeitos fundamental-60: radioativos. do tecnécio Por causa-99: da alta energia da 99m 99 T 6h emissão γ, o transporte e o 99manuseiom Tc99 Tcdo cobalto -60 exigemT 1 meios6h de proteção como 9999m m43Tc999943Tc T 1 2 6h 99m 99 99m 43Tc99 43Tc T 6h TT1 1266hh blindagens e60 controleTc60 remoto.Tc99m43 43Tc994343Tc 1 1 2 43 43 43Tc 43Tc 2 T 1 56,T 3h1anos22 6h 27 Co28Ni 43Tce 43Tc 2 2
ComoComo aa meiameia--vidavida dodo MoMo - -9999 éé 1010 vezesvezes maiormaior queque aa dodo TcTc--99m,99m, esseesse podepode serser ComoComo a ameia meia-vida-vida do do Mo Mo-99-99 é é10 10 vezes vezes maior maior que que a ado do Tc Tc-99m,-99m, esse esse pode pode ser ser ComoNess estocado,estocado, aa meia reação,ComoComo-vida sendosendo aa são meiadomeia aMoa emitidos --vidaextraçãovidaextração-99 dodoé 10 γMo Mo químicquímic vezes com--9999 é é energiasaamaior 10 10feitafeita vezesvezes quenono de maiormaiormomentoamomento do 1,3 Tc queque MeV-99m, daadaa dodo e utilização. utilização.esse 1,1TcTc-- 99m,99m,pode MeV, esseseresseAssim,Assim, em podepode mesmomesmo serser estocado,estocado,As the sendo half-lifesendo a a extraçãoof extração Mo-99 químic isquímic 10 timesa afeita feita greater no no momento momentothan that da ofda Tc-99m,utilização. utilização. it canAssim, Assim, be stored,mesmo mesmo allowing estocado,proporções sendoestocado,estocado,tendotendo iguais. a meiameiaextração sendo sendo O-- vidavidacobalto a a químic deextraçãodeextração -apenasapenas60a éfeita convenientequímicquímic 66 horas,horas,no aamomento feitafeita oo TcTcpara nono--99m99m usomomentodamomento estará estaráutilização.em aparelhos disponíveldisponíveldada utilização.utilização.Assim, in dustriais.parapara mesmo Assim, Assim,usouso atéOaté mesmo mesmocercacerca de de chemicaltendotendo meia meia extraction-vida-vida de de apenasto apenas be carried 6 6horas, horas, out o owhenTc Tc-99m-99m needed. estará estará Therefore,disponível disponível para evenpara uso withuso até até a cercahalf-life cerca de de of only tendovalor meia detendotendo -suavidaumauma meiameia meia desemanasemana apenas---vidavidavida depoisdepois (dadede6 horas,apenasapenasordem dodo recebimentorecebimento o 66deTc horas,horas, -599m anos) oo estará do do TcTc permite material.material.--99m99m disponível estará estarátrocas disponíveldisponível parade fonte uso até emparapara cercaintervalos usouso deatéaté cercacerca 20 dede 6uma umahours, semana semana Tc-99m depois depois can do do be recebimento recebimento used within do do approximately material. material. one week after arrival at its destination. umamaiores semana umaumado depois que semanasemana as ApósdoApós de recebimentodepoisdepoisoutros oo decaimentodecaimento doradioisótopos,do recebimentorecebimento do material. dodo tecnéciotecnécio de dodo meias material.material.--99m99m-vida emem s mais tecnéciotecnécio curtas;--99,99, com esteeste isso, decaidecai a fonte emem rutênio rutênio--9999 AfterApós the decay o decaimento of technetium-99m do tecnécio into-99m technetium-99, em tecnécio-99, the estelatter decai decays em into rutênio ruthenium-99-99 Após o decaimentoApósApós oo decaimentodecaimento do tecnécio dodo-99m tecnéciotecnécio em tecnécio--99m99m emem-99, tecnéciotecnécio este decai--99,99, esteemeste rutênio decaidecai em-em99 rutêniorutênio--9999 se torna maiscom econômica Apósemissão- o decaimento e gera; a meia menos -dovida rejeitostecnécio dessa radioativos.-emissão99m em é tecnécio bastante Por causa-99, longa daeste alta, edecai, energiaportanto, em darutênio a atividade-99 withcomcom a βemissãoemissão emission; ; ;the aa meia meiahalf-life--vidavida of dessadessa this emission emissãoemissão is éé quite bastantebastante long, longalonga and ,therefore, ee,, portanto,portanto, the activityaa atividadeatividade (emissions com emissãocomcom emissãoemissão; a meia -vida;; aa meiadessameia--vida vidaemissão dessadessa é emissãobastanteemissão élongaé bastantebastante, e, portanto, longalonga, , ee , ,a portanto, portanto,atividade aa atividadeatividade emissão percom γ,(emissões(emissões ounit emissão transporte of time) porpor unidade eunidade; isoa verymeiamanuseio dede-low,vida tempo)tempo) whendodessa cobalto éé comparedmuitomuitoemissão-60 baixa,baixa, exigemé tobastante comparada comparadathat meios of longa the deà àmetastable , do doeproteção, isótopoisótopoportanto, isotope:comometastável:metastável: a atividade (emissões(emissões por por unidade unidade de de tempo) tempo) é émuito muito baixa, baixa, comparada comparada à àdo do isótopo isótopo metastável: metastável: (emissõesblindagens por(emissões(emissões eunidade controle porpor de remoto. unidadeunidade tempo) deéde muito tempo)tempo) baixa, éé muitomuito comparada baixa,baixa, comparadacomparada à do isótopo àà do dometastável: isótopoisótopo metastável:metastável: 3 99 99 T 211103 anos 99 Tc99 Ru T 1 211103 3 anos 9943 9944 e T3 1 2 211103 anos 99 99 9999 43Tc 999944 Ru T e 21110T1 1anos2 211103 anosyears 9943TcTc9944RuRu 1 e T1 2 211 10 anos 43 Tc 44 Ru 4343 Tc4444Rue ee2 T 122 211 10 anos 43Tc44 Ru e 2
FlúorFlúor--1818 Fluorine-18FlúorFlúor-18-18 Flúor-18 FlúorFlúor --1818 20 Fluorine-18 is emitter of positrons and can be obtained by bombarding oxygen-18 with OO flúorflúor--1818 éé emissoremissor dede pósitronspósitrons ee podepode serser obtidoobtido porpor bombardeamentobombardeamento dede protons. OO flúor flúor-18-18 é éemissor emissor de de pósitrons pósitrons e epode pode ser ser obtido obtido por por bombardeamento bombardeamento de de O flúor oxigêniooxigênio-18OO é flúorflúor-emissor-1818 com-com-1818 é éprótons.deprótons. emissoremissor pósitrons dede epósitronspósitrons pode ser ee obtidopodepode serserpor obtido obtidobombardeamento porpor bombardeamentobombardeamento de dede oxigêniooxigênioOxygen-18-18-18 com com isprótons. prótons.a stable isotope of oxygen and exists in small proportion in nature. It is oxigênio-18oxigêniooxigênio com prótons.--18O18O oxigênio oxigêniocomcom prótons.prótons.--1818 éé umum isótopoisótopo estávelestável dodo oxigêniooxigênio ee existeexiste emem pequenapequena proporçãoproporção possible O toO oxigênio oxigêniocarry out-18-18 ané é um enrichmentum isótopo isótopo estável estávelof water, do do oxigênio byoxigênio concentrating e eexiste existe em emthe pequena pequena molecules proporção proporção in which the O oxigênio nana natureza.natureza.OO-18 oxigêniooxigênio é um ÉÉ possívelisótopopossível--1818 éé umum estável fazerfazer isótopoisótopo um umdo estávelestáveloxigênioenriquecimentoenriquecimento dodo e oxigênio oxigênioexiste dada em água,eágua,e pequenaexisteexiste concentrandoconcentrando emem proporção pequenapequena as as proporçãoproporção moléculasmoléculas oxygennana natureza. natureza. appears É É possível inpossível this isotopicfazer fazer um um form. enriquecimento enriquecimento da da água, água, concentrando concentrando as as moléculas moléculas na natureza.nana em em Énatureza.natureza. possível qqueue oo oxigêniooxigênio É Éfazer possívelpossível um apareceaparece enriquecimentofazerfazer nessa nessa umum enriquecimento enriquecimento formaforma da isotópica.isotópica. água, concentrando dada água,água, concentrandoconcentrando as moléculas asas moléculasmoléculas em que o oxigênioememem q qForue ueque o oaparece theoxigênio Paraooxigênio oxigênio production a nessaprodução aparece aparece aparece forma of donessa nessa fluorine-18,nessaisotópica. flúor forma forma forma-18, isotópica. usamisotópica. isotópica. accelerated-se prótons protons acelerados are emused um in cíclotron:a cyclotron, gás where hydrogenem que oPara Paraoxigênio gas aa(H produçãoprodução) aparece is ionized, dodo nessa flúorflúor producing forma--18,18, usamusamisotópica. protons--sese prótonsprótons and electrons.aceleradosacelerados The emem umumprotons cíclotron:cíclotron: are accelerated gásgás Para ahidrogênio produçãoParaPara a a (Hdo produçãoprodução2 )flúor2 é ionizado,-18, dodo usam flúorflúor produzindo--se-18,18, prótons usamusam -prótons- seseacelerados prótonsprótons e elétrons. acelerados aceleradosem um Os cíclotron: prótons emem umum são cíclotron:gáscíclotron: acelerados gásgás e Para a produção2 do flúor-18, usam-se prótons acelerados em um cíclotron: gás andhidrogêniohidrogênio sent to collide(H(H2)) éé ionizado,ionizado, with an produzindo produzindoenriched water prótonsprótons target. ee elétrons.elétrons. When OsOs these prótonsprótons protons sãosão aceleradosacelerados reach nuclei ee of hidrogêniohidrogênio hidrogênio(H2) é ionizado, (H(H22)) é é produzindo ionizado,ionizado, produzindoproduzindo prótons e elétrons. prótonsprótons eeOs elétrons.elétrons. prótons Os Ossão prótonsprótons acelerados sãosão aceleradosaceleradose ee oxygen-18,hidrogênioenviados (Hcon the2)tra éfollowing ionizado,um alvo de reactionproduzindo água enriquecida. occurs: prótons Qe uandoelétrons. esses Os prótonsprótons atingemsão acelerados núcleos e de oxigênio-18, ocorre a reação:
13 13 O símbolo m indica que o isótopo está numa18 forma1 metastável.18 1 13 O símbolo m indica que o isótopo está numaO forma p metastável.F n 13 1313 O símbolo m indica que o isótopo está numa8 forma1 metastável.9 0 O símbolo 13m O Oindica símbolo símbolo que m mo indica isótopoindica que que está o o numaisótopo isótopo forma está está numametastável. numa forma forma metastável. metastável. O14 símbolo m indica que o isótopo está numa forma metastável. 14 Essa é a forma principal de decaimento; em cerca de 10% dos casos, pode ocorrer o fenômeno chamado 14 Essa é a forma principal de decaimento; em cerca de 10% dos casos, pode ocorrer o fenômeno chamado 14 1414 Essa é a forma principal de decaimento; em cerca de 10% dos casos, pode ocorrer o fenômeno chamado Essa é a forma14 Essa Essa principal é é a a forma formaO deflúor decaimento;principal principal-18 é de deinstável decaimento; emdecaimento; cerca, ede a 10%em emprincipal cerca cerca dos casosde de 10%reação 10%, pode dos dos deocorrercasos casos decaimento, ,pode opode fenômeno ocorrer ocorrer envolve chamadoo o fenômeno fenômeno a emissão chamado chamado de Essadede conversãoconversão é a forma interna:interna: principal umum de elétronelétron decaimento; absorveabsorve em aa cerca energiaenergia de 10%dodo raioraio dos casos ee éé ejetado,ejetado,, pode ocorrer podendopodendo o fenômeno ionizarionizar aa chamadomatériamatéria emem dede conversão conversão interna: interna: um um elétron elétron absorve absorve a aenergia energia do do raio raio e eé éejetado, ejetado, podendo podendo ionizar ionizar a amatéria matéria em em de conversãode interna: umsuaconversão vizinhança,pósitron: um elétroninterna: o que absorveum aumenta elétron a energia aabsorve dose doirradiada. a raio energia e édo ejetado, raio podendoe é ejetado, ionizar podendo a matéria ionizar em a matéria em desuasua conversão vizinhança,vizinhança, interna: oo queque um aumentaaumenta elétron aa absorve dosedose irradiada.irradiada. a energia do raio e é ejetado, podendo ionizar a matéria em 13sua vizinhança, o que aumenta a dose18 irradiada.18 sua vizinhança,sua The ovizinhança, que symbol aumenta o m que a indicatesdose aumenta irradiada. that a dose theF irradiada. isotopeO is in a metastableT1 form.110min 21 sua vizinhança, o que aumenta a dose9 irradiada.8 p 2 21 14 2121 This is the main decay path; in about 10% of cases, the phenomenon called internal21 conversion 2121 may occur:
an electron absorbs the energy of the γ+-ray and is ejected, ionizing- matter in its vicinity 15and increasing Logo após a emissão, o pósitron ( ) encontra um elétron (e ) em sua vizinhança ; eles these aniquilam, exposure. com a emissão de 2 fótons de 0,511 MeV em direções opostas: 25 e 2
O produto do decaimento, oxigênio-18, é estável e não tóxico.
Iodo-131
O iodo é obtido a partir do decaimento do telúrio-131. O 131Te é produzido em reator, bombardeando-se telúrio-130 com nêutrons para se transformar em 131Te, e este decai em iodo-131 por emissão :
130Te 1n131Te 52 0 52 131 131 Te I T1 25min 52 53 e 2
Após o bombardeamento, é realizada a separação química do iodo; por exemplo, pode ser feita a evaporação do gás por aquecimento. O iodo-131 decai em xenônio-131 (estado excitado) por emissão , com energia de 606 keV; em seguida, o xenônio decai ao seu estado fundamental por emissão com energia de 364,5 keV16 e meia-vida de 12 dias.
131 131 * I Xe T1 8dias 53 54 e 2 131 * 131 Xe Xe T1 12dias 54 54 2
Irídio-192
15 A distância percorrida pelo pósitron até seu encontro com um elétron e sua aniquilação, em geral, tem um valor entre 6 mm e 10 mm. 16 Esta emissão ocorre em cerca de 80% dos casos; podem ocorrer também emissões com menor energia, quando o núcleo não decai diretamente para o seu estado fundamental. 22
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio.
Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio
Emordem (A), vemos de grandezao espectro deda energia energia dos dosraios raiosX emi tidosX. São por umentão alvo emitidosde molibdênio, raios onde X comos picos valor de representamenergia bem os raios definido X característicos para cada do mate material;rial doem (B)alvo, temos denominados a ilustração da raios emissão X característicos. de raios X A Figura II-4 mostra o espectrocaracterístic de energiaos. dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio. Métodos de obtenção e características de alguns radioisótopos
Cobalto -60 Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio O cobalto-60 é um emissor de γ energéticos , e sua produção é feita bombardeando-se cobalto-59 (estável) com nêutrons: enviados contra um alvo de água enriquecida. Quando esses prótons atingem núcleos de oxigênio-18, ocorre a reação: 59 60 ordem denviadose grandeza con datra enerum giaalvo dos de águaraiosCo enriquecida.X.n SãoCo então Q uandoemitidos esses raios prótons X com atingem valor núcleosde de energia oxigêniobem definido-18, ocorrepara cada a reação: mate27rial do alvo,27 denominados raios X característicos. enviados contra um alvo de água enriquecida.18 1 Q18uando1 esses prótons atingem núcleos de A Figura II-4 mostra o espectro de Oenergia p dosF raiosn X emitidos por um alvo de ordem oxigênioenviados dOe grandezafluxo- con18, de traocorre nêutrons daum eneraalvo reação:gia éde obtido doságua raios enriquecida.no interior X.8 São1 de entãoQ 9umuando 0reatoremitidos esses nuclear, prótons raios ondeX atingem com algumas valor núcleos dasde de molibdênio.Fluorine-18 is unstable, and the 18mainO1p decay18F 1reactionn involves the emission of a energiabarras oxigênio debem absorvedores definido-18, ocorre para sãoa reação:cada substituídas mate rial pordo alvo, barra8 1denominadoss de cobalto9 0 -59. raios X característicos.
positron: A FiguraO flúor II-4- 18mostra é instável o espectro, e a principal18de energia1 18reação dos 1 raios de decaimento X emitidos envolvepor um alvoa emissão de de O cobalto-60 é instável e decai para8 O níquel1p 9-F60:0 n um pósitron:O flúor -18 é instável, e 18a Oprincipal1p18F reação 1n de decaimento envolve a emissão de molibdênio. 8 1 9 0 18 18 um pósitron:60 60 F O T1T 110 5110,min3anos min O flúor-18 é instável9, e a principal8 e reação p de2 1decaimento envolve a emissão de Figura27 CoII-4 –28 EmisNi são18 de raios18 X por um alvo2 de molibdênio O flúor - 18 é instável , e a principal reação deT 1decaimento110min envolve a emissão de um pósitron: 9 F 8 O p 2 um Empósitron: (A), vemos o espectro de18 energia18 dos+ raios X emitidos por um alvo- de molibdênio, onde os picos15 LogoNess apósa reação, a emissão são, o emitidos pósitronF O γ( com) encontra energias Tum1 deelétron110 1,3min (e MeV) em esua 1,1 vizinhança MeV, em; eles representamFigura os IIraios-4 –X Emiscaracterísticos189 são 18de8 raios do material; X porp + emum (B) 2alvo temos de amolibdênio ilustração da emissão de raios X 15 seSoon aniquilam, after the com emission, a emissãoF the de O2positron fótons + de (β 0,511) Tfinds1 MeV110 an emmin electron direções - (e-) opostas: in its vicinity15 ; they proporçõesLogo iguais. após a Oemissão cobalto, o9- 60pósitron é8 conveniente (car ) acterísticencontrap paraos2 .um uso elétron em aparelhos (e ) em suaindustriais. vizinhança O ; eles annihilate each other, with the emission of 2 photons of 0.511 MeV in opposite directions: valor dese sua aniquilam, meia-vida com (da a emissão ordem de+ 25 fótonsanos) depermite 0,511 MeVtrocas em -de direçõesfonte em opostas: intervalos 15 Logo após a emissão, o pósitron ( ) encontra um elétron (e ) em sua vizinhança ; eles + e 2 - 15 maioresseLogoMétodos aniquilam, do após que dea as emissão obtençãocom de outrosa emissão, o e pósitron radioisótopos,características de 2 ( fótons ) encontra de dede meias alguns0,511 um-vida MeV radioisótoposelétron s maisem (e direções curtas;) em sua comopostas: vizinhança isso, a fonte; eles β+ + e- → 2γ se torna se aniquilam, mais econômica com a emissão e gera menosde 2 fótons rejeitos de 0,511radioativos.e MeV2 em Por direções causa da opostas: alta energia da emissãoCobalto γ, oO- 60 transporte produto do e decaimento manuseioo, oxigêniodo cobalto-18,-60 é estávelexigem e meiosnão tóxico. de proteção como e 2 blindagens The decaye controleO produtoproduct, remoto. do oxygen-18, decaiment o, is oxigênio stable and-18, non-toxic. é estável e não tóxico. e 2 Iodo -131 O cobalto-60 é um emissor de γ energéticos, e sua produção é feita bombardeando O produto-se do cobalto decaiment-59 (estável)o, oxigênio com-18, nêutrons: é estável e não tóxico. Iodine-131 IodoO- 131produto do decaimento, oxigênio -18, é estável e não tóxico. O iodo é obtido a partir do decaimento do telúrio-131. O 131Te é produzido em Iodine is obtained from the decay of tellurium-131. Tellurium-131 is produced in a Iodoreator,-131 bombardeando -se telúrio-13059 com nêutrons60 para se transformar131 em 131Te, e este EmIodo (A), - 131vemos Oo e iodospectro é deobtido energia a dospartir raios d 27Xo Coemidecaimentotidosn por27 Co um do alvo telúrio de molibdênio,-131. O ondeTe os é picosproduzido em reactor,representam by bombardingos raios X característicos tellurium-130 do material; with em neutrons(B) temos a in ilu orderstração toda emissãoform tellurium-131, de raios X131 20 which reator, bombardeando-se telúrio -130 com nêutrons para se transformar131 em Te, e este decai Oem iodo iodo é- 131obtido por aemissão partir d o decaimento: - do telúrio-131. O Te é produzido em in turn decays into iodine-131 by caremissionacterístic osβ.: 131 Emreator, (A), decai vemos bombardeandoOO iodoem fluxoo e iodospectro é deobtido-131 nêutronsde- energiasepor a telúriopartir emissão dosé obtido - draios130o decaimento Xcom no: emi interior tidosnêutrons por do de um telúrio paraum alvo reatorse de-131. transformarmolibdênio, nuclear, O Te onde onde emé produzido os 131 algumaspicosTe, e este em das 131 representamreator,barras bombardeando de os absorvedores raios X característicos-se são telúrio substituídas do- 130material; 130 comTe porem nêutrons1n (B) barra 131temosTes depara a ilucobalto straçãose transformar- 59.da emissão emde raios Te, X e este Métodos de obtenção e características de52 alguns0 radioisótopos52 decai emO iodo cobalto-131- por60 é emissão instável e cardecai: acterístic130 paraos níquel1. 131-60: decai em iodo-131 por emissão131 131: 52Te 0 n 52Te T1 25min 52Te 53I e 2 Cobalto -60 130 1 131 Métodos de obtenção e características131 131deTe alguns n radioisótoposTe T1 25min 60 60 Te13052 I 01 131 52 T 525,3 anosmin Co 52Ni 53 e e 12 27 28 52Te 0 n 52Te 2 Após o bombardeamento,131 131 é realizada a separação química do iodo; por exemplo, O cobalto-60 é um emissor de γ energéticos T1 , e25 suamin produção é feita Cobalto-60 13152Te 13153I e 2 pode ser feita a evaporação do gás por aquecimento. T 1 25min bombardeando -Apósse cobalto o bombardeamento,-5952 Te(estável) 53I com é realizadanêutrons:e a separação2 química do iodo; por exemplo, Nessa reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em Afterpode the ser bombardment,feita a evaporação the do chemical gás por aquecimento. separation of iodine is carried out, for example, proporções O cobaltoApósO iodo oiguais.- 60bombardeamento,- 131é Oumdecai cobalto emissor em- 60 xenônioé realizadaé de conveniente γ- 131 energéticos a separação(estado para , excitado)uso químicae suaem aparelhos produçãodopor iodo; emissão porinédustriais. exemplo, feita, com O by the evaporation of the gas through59 heating.60 bombardeandopode valorenergia ser Apósde feita de-suaseO o 606acobalto iodo bombardeamento,meiaevaporação keV;-131-vida-59 emdecai (estável)(da do seguida ordemgásem27 é Cocom porrealizadaxenônio , de aquecimento.o nêutrons:n xenônio5 27anos)- 131aCo separação (estadopermitedecai ao química excitado)trocas seu estado dedo poriodo;fonte fundamentalemissão porem exemplo,intervalos ,por com - podemaioresemissãoIodine-131energia ser feita do decomque a decaysevaporação606 as energia de keV; outrosinto de emdo 364,5 xenon-131radioisótopos, gásseguida porkeV aquecimento.16, o e(excited meia xenôniode meias-vida state) decai-devida 12 sby aodias.mais emissionseu curtas; estado comβ fundamental, withisso, a energy fonte por of O iodo -131 decai em xenônio59 -1311660 (estado excitado) por emissão , com 606 se keV; Otornaemissão fluxo Othen maisiodo de the -nêutronseconômicacom131 xenon energiadecai decaysé obtidoeem degera 364,5 xenôniointo nomenosCo interior itskeVn -ground 131rejeitos e deCo meia(estado um stateradioativos.- vidareator byexcitado) de emission nuclear, 12 Por dias. porcausa onde of emissãoa γdaalgumas photon alta energia daswith, com daenergy energia de 16606 keV; em seguida27 , o xenônio27 decai ao seu estado fundamental por of 364.5emissão keV γ, oand transporte half-life e ofo 12manuseio days. do cobalto-60 exigem meios de proteção como barrasenergia de absorvedores de 606 keV; são emsubstituídas131 seguida131 , por*o16 xenôniobarras de decai cobalto Tao1- 59.seu8 dias estado fundamental por emissão com energia de53 364,5I 54 keVXe e meia e-vida de 122 dias. blindagensO cobalto e- 60controle é instável remoto. e decai para16 níquel - 60: emissão com energia de 364,5131 keV131 * e meia-vida de 12T dias.1 8dias O fluxo de nêutrons é131 obtido*I no131 Xeinterior de um reator nuclear, onde algumas das 53 54 e T1 212dias barras de absorvedores são substituídas54 Xe 54 porXe barras de cobalto-259. 131 131131 * * 131 T 8 diasdays 60 60 I Xe T 1 T581, 3daysanos12dias 13153 54131Xe54 * 54Xe e 1 2 O cobalto-6027 éCo instável28Ni e decai parae níquel -60: T21 82 dias 53I 54Xe e 2 Irídio-192 131 * 131 12 days Xe Xe T1 12dias 13154 * 13154 2 60 60 T1 12dias NessIrídioa -192 reação, são 54 emitidosXe 54 Xe γ com energias T de1 2 1,3512,3 anos MeVdays e 1,1 MeV, em 20 27 Co28Ni e 2 proporções iguais. O cobalto-60 é conveniente para uso em aparelhos industriais. O Irídio-192 valor de sua meia-vida (da ordem de 5 anos) permite trocas de fonte em intervalos IrídioNess-192a reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em maiores do que as de outros radioisótopos, de meias-vidas mais curtas; com isso, a fonte proporçõesIridium-192 iguais. O cobalto-60 é conveniente para uso em aparelhos industriais. O se torna mais econômica e gera menos rejeitos radioativos. Por causa da alta energia da valor de sua meia-vida (da ordem de 5 anos) permite trocas de fonte em intervalos3 emissão15Iridium γ, o transporte is one of the e o most manuseio dense metals;do cobalto its density-60 exigem is approximately meios de proteção 23 g/cm como. Iridium-192 maiores A do distância Oque irí asdio percorrida de é outros um pelodos radioisótopos, pósitronmetais atémais seu de densos;encontro meias- vidacomsua sumdensidade mais elétron curtas; e suaé decomaniquilação, aproximadamente isso, a em fonte geral, tem blindagenscan be obtained 3e controle in remoto.a reactor, through the capture of neutrons by iridium-191: se torna 23g/cm um 15 maisvalor A distância. entreOeconômica irídio 6 mmpercorrida - 192 e 10e gera podemm. pelo menos ser pósitron obtido rejeitos até seuem encontroradioativos.reator, compor umcapturaPor elétron causa de e da suanêutrons alta aniquilação, energia pelo em dairídio geral, - tem 191: 16 emissão15 Estum γ, a valor oemissão transporte entre ocorre 6 mm e eemo 10 manuseio cercamm. de 80% do doscobalto casos;-60 podem exigem ocorrer meios também de proteçãoemissões como com menor A distância percorrida pelo pósitron até seu191 encontro 192com um elétron e sua aniquilação, em geral, tem blindagens15 energia,16 Est e quandocontrolea emissão o núcleo remoto.ocorre não em decai cerca diretamente de 80%Ir dos(paran, casos; )o seuIr estadopodem fundamental. ocorrer também emissões com menor um A valor distância entre percorrida6 mm e 10 pelo mm. pósitron até seu77 encontro com77 um elétron e sua aniquilação, em geral, tem energia, quando o núcleo não decai diretamente para o seu estado fundamental. 16 um Est valora emissão entre 6 mmocorre e 10 em mm. cerca de 80% dos casos; podem ocorrer também emissões com menor22 A16 Estenergiaa emissão da radiaçãoocorre em varia cerca entre de 80% 0,2 dose 0,6 casos; MeV podem e decai ocorrer principalmente também emissões em platina com 20menor-192, 22 energia, quando 17o núcleo não decai diretamente para o seu estado fundamental. queenergia, é estável quando: o núcleo não decai diretamente para o seu estado fundamental. 192 192 0 22 77 Ir 78Pt1 22 T1 74 dias 20 15 Usually, the distance traveled by the positron until it meets2 an electron and they annihilate each other is betweenCarbono 6-11 mm and 10 mm. 16 This emission occurs in about 80% of cases; γ emission may also occur with lower energy, if the nucleus does notO decay carbono directly-11 toé produzidoits ground state.em cíclotron, por bombardeamento de prótons sobre um alvo gasoso de nitrogênio (N2), que contém 2% de oxigênio (O2): 26 14 N(p,)11C 7 6
11 11 É formado então, principalmente, CO2; forma-se também CO, que deve ser separado antes das próximas etapas de produção. O 11C sofre decaimento com emissão de pósitron:
11 11 0 C B T1 20 min 6 5 1 2
11 12 11 O CO2 pode ser usado para se substituir alguns átomos de C por C em moléculas orgânicas, através de procedimentos químicos, obtendo-se assim diferentes radiofármacos (substâncias preparadas usando-se radioisótopos, para uso diagnóstico ou terapêutico). Como a meia-vida do isótopo é muito curta, todo o procedimento de produção e transporte do radioisótopo, assim como a preparação do radiofármaco, deve ser feito no menor tempo possível.
Césio-137
O césio-137 obtido como produto da fissão do urânio-235 em reatores nucleares:
1 n 235U (236U* ) 97Rb137Cs 21n E 0 92 92 37 55 0
O césio é separado quimicamente dos outros produtos de fissão e preparado como cloreto de césio (CsCl) para uso como fonte de radiação β e γ. O césio-137 decai com meia-vida de 30 anos em bário-137 instável, que, por sua vez, decai para seu estado fundamental em 153 s, emitindo γ:
17 Em cerca de 5% das vezes, ocorre o decaimento em ósmio-192 (isótopo estável), por captura de 192 0 192 elétrons: 77 Ir1 76Os ; nesse decaimento, a energia da radiação e a meia-vida são da mesma ordem de grandeza que as do decaimento em platina; podem ser também formados, em pequenas quantidades, outros radionuclídeos que têm meia-vida curta (entre 30 min e 19h). 23
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. A Figura II-4 mostra o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio.
Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio
ordem de grandeza da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de energia bem definido para cada material do alvo, denominados raios X característicos. Em (A), vemos o espectro de energia dos raios X emitidos por um alvo de molibdênio, onde os picos representamA Figura os raios II-4 X mostra característicos o espectro do material; de energia em (B) dos temos raios a ilu straçãoX emitidos da emissão por umde raios alvo X de molibdênio. característicos.
Métodos de obtenção e características de alguns radioisótopos
Cobalto-60 Figura II-4 – Emissão de raios X por um alvo de molibdênio
O cobalto-60 é um emissor de γ energéticos, e sua produção é feita bombardeando-se cobalto-59 (estável) com nêutrons: O irídio é um dos metais mais densos; sua densidade é de aproximadamente 23g/cm3. O irídio-192 pode 59ser obtido 60em reator, por captura de nêutrons pelo irídio- 27 Co n27 Co 191: O irídio é um dos metais mais densos;191 sua192 densidade é de aproximadamente Ir(n, ) Ir 23g/cmO fluxo3. O irídiode nêutrons-192 pode é obtido ser obtido no interior em77 reator, de um por77reator captura nuclear, de nêutronsonde algumas pelo dasirídio - The radiationO irídio energy é um variesdos metais between mais 0.2densos; and 0.6sua MeVdensidade and éthe de radioisotope aproximadamente decays barras191: de absorvedores são substituídas por barras de cobalto-59. mainly23g/cm into platinum-192,3. O irídio-192 whichpode ser is stable:obtido17 em reator, por captura de nêutrons pelo irídio- AO cobaltoenergia- da60 radiaçãoé instável varia e decai entre para191 0,2Ir níquel( en ,0,6)192- MeV60:Ir e decai principalmente em platina-192, 191:que é estável:17 77 77
192 192 1910 192 77 Ir(n,) 77Ir 60 60 77 Ir 78Pt 1 T1 574,3 anosdays A energia da radiação27 Co varia28Ni entre 0,2e e 0,6 MeV e decai T12 principalmente 74 dias em platina-192, Em (A), vemos o 17espectro de energia dos raios X emi tidos por um alvo2 de molibdênio, onde os picos que é estável:17 representamACarbono energia os raios-11 da Xradiação característicos varia do entre material; 0,2 eem 0,6 (B) MeV temos ea decaiilustração principalmente da emissão de raiosem platinaX -192, O irídio é um dos metais 192mais densos;192 0 sua densidade é de aproximadamente Nessa reação,17 são emitidos77 Ir 78 carPt γ acterístic com1 energiasos. de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em ordem3 dque e grandeza é estável :da energia dos raios X. São então T1 emitidos74 dias raios X com valor de 23g/cm . O irídio-192 pode ser obtido em reator, por captura2 de nêutrons pelo irídio- energiaproporções bem iguais.definidoO carbono O para cobalto- 11cada é - produzidomate60192 é rialconveniente 192do em alvo, cíclotron,0 denominados para2 uso por embombardeamento raiosaparelhos X característicos. industriais. de prótons O sobre 191: Carbon-11 77 Ir 78Pt1 MétodosvalorCarbono de desua -obtenção11 meia -vida e características (da ordem de de 5 algunsanos) permiteradioisótopos T 1trocas 74 dedias fonte em intervalos Aum Figura alvo gasoso II-4 mostra de nitrogênio o es191pectro (N de2),192 queenergia contém dos 2%raios de X oxigênio emitidos (O por2): um alvo de Ir(n, ) Ir 2 molibdênio.maiores Carbon-11 do que as is de produced outros radioisótopos, in77 a cyclotron77 de meiasby bombarding-vidas mais protonscurtas; com over isso, a gaseous a fonte nitrogen ordem dCarbono e grandeza-11 da energia dos raios X. São então emitidos raios X com valor de Cobalto setarget torna (N- 60maisO ), carbono whicheconômica contains-11 ée produzidogera 2% menos of oxygenem rejeitos cíclotron,14 (O radioativos.): por11 bombardeamento Por causa da altade prótonsenergia sobreda 2 7 N(2p,) 6 C A energia energiaemissãoum da alvo bem radiação γ, gasoso o definido transporte varia de paranitrogênio entre e cadao 0,2manuseio matee (N 0,62),rial MeV que do do contém cobaltoealvo, decai denominados -2%principalmente60 deexigem oxigênio raiosmeios e(Om X 2deplatina ):característicos. proteção-192, como O carbono-11 é produzido em cíclotron, por bombardeamento de prótons sobre que é blindagens estável OA:17 Figura cobalto e controle II--604 mostraremoto.é um o esemissorpectro de de energia γ energéticos dos raios, Xe emitidossua produção por um éalvo feita de 11 11 um alvoÉ gasoso formado192 de nitrogênioentão,192 principalmente,0 (N2),14 que contém 11CO 2%2; forma de oxigênio-se também (O2): CO, que deve ser bombardeandomolibdênio. -se cobaltoIr-59 (estável)Pt comN nêutrons:(p,) C Figura II77-4 – Emis78 são1 de raios 7 T X por74 6umdias alvo de molibdênio separado antes das próximas etapas de1 produção. 11 142 11 O C sofre decaimento59 com emissãoN60 (p, de) pósitron:C Carbono -11 Co n117 Co 6 11 É formado então, principalmente,27 27CO2; forma-se também CO, que deve ser 11 11 separadoCarbon-11 antes combinesdas próximas with etapas oxygen, de produção. forming mainly CO2; CO is also formed and Figura II-4 – Emissão11 de raios11 0X por11 um alvo de molibdênio 11 20 O carbono 11-11É éformado produzido então, em principalmente,cíclotron,C B por bombardeamento CO2;T forma1 20-se minde também prótons sobreCO, que deve ser must beO fluxoseparatedO C de sofre nêutrons before decaimento éthe obtido next com6 no stages emissãointerior5 1of productionde pósitron:um reator2 take nuclear, place. onde Carbon-11 algumas dasdecays with um alvo gasososeparado de nitrogênio antes das (N próximas2), que contém etapas 2% de deprodução. oxigênio (O2): barras positron de absorvedoresemission: 11 são substituídas por barras de cobalto-59. 11 O C sofre decaimento com emissão de pósitron: 12 11 OO cobaltoCO2 pode-60 é serinstável usado11 e decaipar11a se para 0substituir níquel- 60:algunsT 20átomosmin de C por C em moléculas C14 B 11 T1 20 min 6 C N5(pB,1) C 2 orgânicas, através de 7 procedimentos6 químicos, obtendo -se assim diferentes 11 11 0 T 20 minmin radiofármacos 60 (substâncias60 preparadasC B usando-seT radioisótopos,1 520,3 anosmin para uso diagnóstico ou 11 Co Ni 6 e 5 1 1 2 12 11 O CO2 pode ser27 usado28 para se substituir11 alguns átomos2 de11 C por C em moléculas É formado terapêutico) então, . principalmente,Como a meia- vidaCO do2; forma isótopo-se tambémé muito curta,CO, que todo deve o procedimentoser de orgânicas11 , através de procedimentos químicos, obtendo-se12 assim11 diferentes separado antesOprodução dasCO próximas2 pode e transporte ser etapas usado dode par radioisótopo,produção.a se substituir assim alguns como átomos a preparação de C dopor radiofármaco, C em moléculas deve 11 Nessa reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em Oradiofármacos TheCser sofre 11feitoCO decaimento no can(substâncias menor be usedcomtempo preparadasemissãoto possível replace de. usando pósitron: a few -carbon-12se radioisótopos, atoms para with uso carbon-11 diagnóstico in ouorganic proporçõesorgânicas iguais.2, atravésO cobalto de-60 procedimentosé conveniente paraquímicos, uso em aparelhosobtendo-se in dustriais.assim diferentesO molecules,terapêutico) through. Como chemicala meia-vida procedures, do isótopo thus é muitoobtaining curta, different todo o procedimento radiopharmaceuticals de valorEm (A),deradiofármacos vemossua meia o espectro-vida (substâncias de(da energia ordem dos preparadas deraios 5 Xanos) emi usandotidos permite por- seum radioisótopos,alvotrocas de molibdênio,de fonte para emonde uso intervalos os diagnóstico picos ou produção e transporte11 do11 radioisótopo,0 assim como a preparação do radiofármaco, deve (substancesrepresentamterapêutico)Césio prepared-os137 raios . XComo característicos Cusing aB radioisotopes,meia do-vida material; doT 1 foremisó (B)topodiagnostic20 temosmin é muito a ilu orstração curta,therapeutic da emissãotodo o use).de procedimento raios X de maioresser feito do queno menor as de outrostempo6 5 radioisótopos,possível1 . de 2meias-vida s mais curtas; com isso, a fonte produção e transporte do radioisótopo,característic assimos. como a preparação do radiofármaco, deve se torna mais econômica e gera menos rejeitos radioativos. Por causa da alta energia da 11 Cesium-137ser feitoO no césio menor-137 tempo obtido possível como produto. da fissão12 do urânio11 -235 em reatores nucleares: O COemissão2Césio pode - γ, 137ser o usado transporte para ese o substituirmanuseio alguns do cobalto átomos-60 de exigem C por meios C em de moléculas proteção como MétodosEm (A), devemos obtenção o espectro e características de energia dos raios de X alguns emitidos radioisótopos por um alvo de molibdênio, onde os picos orgânicasblindagensrepresentam , Cesium-137através e controleos raiosde is X obtainedremoto. procedimentoscaracterísticos 1 as 235ado fission material;químicos,236 productem* (B) obtendo temos97 of auranium-235 ilu137-sestração assim 1da emissão indiferentes nuclear de raios reactors: X Césio-137 n U ( U ) Rb Cs 2 n E radiofármacos (substânciasO césio-137 preparadasobtido 0como usando92 produtocaracterístic-se92 radioisótopos,da fissãoos. 37 do urânio para55 uso-2350 diagnóstico em reatores ou nucleares: Cobalto -60 terapêutico) . Como a meia-vida do isótopo é muito curta, todo o procedimento de O césio-137 obtido como produto da fissão do urânio-235 em reatores nucleares: produção Métodos e transporte de obtençãoO docésio radioisótopo, e característicasé 1separado235 assim quimicamente236 de como alguns* a 97preparação radioisótopos dos137 outros do 1radiofármaco,produtos de fissãodeve e preparado O cobalto-60 é 0umn 92emissorU ( 92U de ) γ energéticos37Rb 55Cs, 2e0 nsua E produção é feita ser feito no menor como cloretotempo possível de césio. (CsCl) para uso como fonte de radiação β e γ. bombardeando -se cobalto-59 (estável)1 235 com236 nêutrons:* 97 137 1 Cobalto -60 O césio-137 decain comU meia( -vidaU ) de 30Rb anos emCs bário2 n -137E instável, que20, por sua O césio é separado0 quimicamente92 92 dos outros37 produtos55 0 de fissão e preparado Césio -137 vez, decai para seu estado fundamental em 153 s, emitindo γ: comoCesium cloreto is dechemically césio (CsCl) separated para59 usoCo from comon 60other fonteCo defission radiação products β e γ. and prepared as cesium O cobaltoO césio-60 éé separadoum emissor quimicamente27 de γ 27 energéticos dos outros, e produtossua produção de fissão é efeita preparado chloride (CsCl)O césio -for137 use decai as acom source meia of-vida β and de γ30 radiation. anos em bário-137 instável, que, por sua bombardeandoO césiocomo-137 cloreto -obtidose cobalto de como césio-59 produto (estável)(CsCl) da para comfissão uso nêutrons: docomo urânio fonte -235 de em radiação reatores β nucleares:e γ. vezCesium-137, decai para seudecays estado with fundamental a half-life em of 153 30 s ,years emitindo into γ: unstable barium-137, which, in O fluxoO de césio nêutrons-137 decaié obtido com no meia interior-vida de de um 30 reatoranos em nuclear, bário- 137onde instável, algumas que das, por sua 1 235 236 * 97 137 1 barrasturn, dedecays absorvedores to itsn ground sãoU substituídas (stateU with) 59 poraRb half-life barra60Css de of2 cobalto 153n Es, -emitting59. γ rays: vez, decai 0para 92seu estado92 fundamental27 Co37 n 55 em27 Co 1530 s, emitindo γ: O17 cobaltoEm cerca-60 de é 5% instável das vezes, e decai ocorre para o níqueldecaimento-60: em ósmio-192 (isótopo estável), por captura de
O césio elétrons: é separado 192 Ir 0 quimicamente 192 Os ; nesse dos decaimento,outros produtos a energiaT de da30 fissãoradiação anosyears e preparadoe a meia-vida são da mesma O fluxo de77 nêutrons1 13776 é obtido137 no* interior1 de um reator1 nuclear, onde algumas das 60 60 Cs Ba T 2 530,3 anosyears comobarras cloreto17 de de absorvedores césio (CsCl)Co são para55 substituídasNi uso como56 e fontepor 0 barra de radiaçãosp de cobalto β1 e γ.-59. Em ordem cerca de de grandeza 5% 27 das vezes, que 28 as ocorre do decaimento o decaimento em platinaem ósmio; podem2-192T (isótoposer30 tambémanos estável), formados, por captura em pequenas de O césio-137 decai com meia137-vida de137 30 anos* 1 em bário-137 1instável, que, por sua O cobalto192 -060 é 192instável137 e *decai137 para níquel-60: T1 2153153s s 17quantidades, outros radionuclídeos Ba Cs queBaBa têm meia-vida curta (entre 30 min e 19h ). vez, decaielétrons: para Em seu77 cercaIr estado1 de fundamental5%76 Osdas56 vezes,55; nesse em ocorre56 decaimento,15356 os ,decaimento emitindo0 a energia pγ:em da ósmio radiação2 -192 (isótopo e a meia -estável),vida são porda mesma captura de Nessa reação, são emitidos γ com energias de 1,3 MeV e 1,1 MeV, em 192 0 192 137 * 137 23 ordem de grandeza60 que as60 do decaimento em platina; podem serT 1também153 sformados, em pequenas proporçõeselétrons: iguais. 77 Ir O1 cobalto 76Os-1376056Ba é; nesseconveniente 56 decaimento,Ba para a energia usoT1 em da5153 , 2radiação3aparelhosanos s e ain meiadustriais.-vida são O da mesma A energia27 Co do γ28 doNi Cs é ede 662 keV , e sua2 meia-vida é de 30 anos. Essas valorquantidades, de sua meiaoutros- vidaradionuclídeos (da ordem que têmde meia5 anos) -vida curtapermite (entre trocas 30 min dee 19h fonte). em intervalos características ordem de grandeza físicas queper mitiramas do decaimento seu uso emem platinaequipamentos; podem ser hospitalares também formados, e industriais. em pequenas maiores do que as de outros radioisótopos,137 de meias-vidas mais curtas; com isso, a fonte 23 No Nessquantidades,entanto,a A reação, a energia outseparaçãoros são radionuclídeos do emitidos γdo do césio queCs γ detêm comé deoutros meia energias662-v ida elementoskeV curta , de e(entre sua 1,3 é 30 meiacomplicada MeV min- evida 19h e 1,1).é , dee MeV,, 30por anos. razões em Essas se17 torna mais econômica e gera menos rejeitos radioativos. Por causa da alta energia da 17 Emproporções cerca Ineconômicas aboutdecaracterísticas 5% 5%iguais. das ,of essevezes, the O foicases, físicas ocorrecobalto substituído iridium-192 oper -decaimento60mitiram é porconveniente decays outros emseu ósmio intouso radioisótopos, - para192osmium-192em (isótopoequipamentos uso em estável), como(a aparelhos stable o hospitalarespor Irisotope),- 192captura industriais., que byde eelectrontem industriais. O25% capture: 23 emissão No γ, entanto, o transporte a separação e o manuseio do césio do cobaltode outros-60 elementosexigem meios é complicada de proteção, e ,como por razões valorda192 desua 0sua emissão meia192 -comvida ; inenergia(da this ordem reaction, de 604 de thekeV,5 anos)γ radiation portanto permite energy próxima trocas and àthede do half-life fonteCs-137. em are Alémintervalos of the disso, same oorder of elétrons:blindagens 77 Ir 1 e controle76Os remoto.; nesse decaimento, a energia da radiação e a meia-vida são da mesma maioresmagnitudecloretoeconômicas do de que ascé thoseassio de, seesse ofoutros apresenta the foi decay radioisótopos,substituído intoem formaplatinum; por dede outros póothermeias que radioisótopos,radionuclides-,vida em scaso mais de curtas;which acidentecomo have com o ,Ir ase -isso,short192 houver, ahalf-lifeque fonte perdatem (between 25% ordem de grandeza que as do decaimento em platina; podem ser também formados, em pequenas se torna30do minencapsulamento,da mais suaand econômicaemissão19 h) may com podealso e geraenergiabe se formed espalharmenos de in 604rejeitos smallfacilmente keV, amounts. radioativos. portanto e provocar próxima Por contaminação. causa à do da Cs alta-137. energia Além da disso, o quantidades, outros radionuclídeos que têm meia-vida curta (entre 30 min e 19h). emissão cloreto γ, o transportede césio se e apresentao manuseio em doforma cobalto de pó-60 que exigem, em caso meios de acidentede proteção, se houvercomo perda 27 blindagensInteraçãodo encapsulamento, e controle da radiação remoto. com pode a sematéria espalhar facilmente e provocar contaminação.23
20 InteraçãoAo atingir da radiação um material, com a matériaa radiação ionizante interage com ele de diversas
formas: poderá haver transformações químicas ou nucleares, emissão de novas partículas ouAo o inícioatingir de um uma material, cadeia de a reaçõesradiação nucleares. ionizante interage com ele de diversas formas: poderá haver transformações químicas ou nucleares, emissão de20 novas Radiaçãopartículas eletromagnética ou o início de uma cadeia de reações nucleares.
RadiaçãoA radiação eletromagnética eletromagn ética (raios X e raios ) interage com a matéria em três diferentes formas: o efeito fotoelétrico, o efeito Compton e a formação de pares. No Aefeito radiação fotoelétrico eletromagn, umética fóton (raios arranca X eum raios elétron ) interage ligado coma um a átomomatéria ao em se três chocardiferentes contra formas:ele. É necessário o efeito fotoelétrico, que o fóton o tenhaefeito energia Compton igual e a ouformação maior quede pares. a energia de ligação doNo elétronefeito fotoelétricocom o átomo,, um por fóton isso aarranca emissão um de elétron elétrons ligado só ocorre a um a átomopartir deao se um chocardado limiar contra de ele. energia. É necessário Caso o fótonque o tenha fóton maistenha energia energia que igual esse ou limiar, maior oque saldo a energia de energiade ligação é recuperado do elétron como com energia o átomo, cinética por issodo elétron a emissão ejetado de .elétrons18 Esse fenômenosó ocorre aocorre partir de um dado limiar de energia. Caso o fóton tenha mais energia que esse limiar, o saldo de para energias mais baixas do fóton (FIGURA II-5A). 18 energiaNo efeitoé recuperado Compton como, um energia fóton cinéticae um elétron do elétron livre ejeoutado fracamente. Esse fenômenoligado a umocorre átomopara se energias comportam mais comobaixas duas do fóton partículas (FIGURA que IIse-5A). chocam; como resultado, temos a modificação No na efeito trajetór Comptonia e na energia, um fóton de ambos,e um elétron seguindo livre as ouleis fracamente de conservação ligado dea um energiaátomo e seda comportam quantidade como de duasmovimento. partículas Esse que fenômenose chocam; ocorre como resultado,para energias temos a intermediáriasmodificação do na fóton trajetór (FIGURAia e na II energia-5B). de ambos, seguindo as leis de conservação de energiaSe a energiae da quantidadedo fóton é bastante de movimento. alta, pode ocorrerEsse fenômenoa formação ocorre de pares para: o fótonenergias desaparece,intermediárias dando dosurgimento fóton (FIGURA a um elétron II-5B). e a um pósitron. A energia mínima do fóton deve corresponderSe a energia às massas do fóton do é elétronbastante e alta, do pósitron.pode ocorrer Caso a formaçãoo fóton possua de pares energia: o fóton maiordesaparece, que o valor dando mínimo, surgimento o saldo a emum energiaelétron eserá a um convertido pósitron. emA energia energia mínima cinética do das fóton partdeveículas corresponder criadas. A formação às massas de dopares elétron deve eacontecer do pósitron. nas vizinhançasCaso o fóton de possuaum núcleo, energia que maiorrecua, que para o quevalor se mínimo, tenha conservação o saldo em daenergia quantidade será convertido de movimento em energia (FIGURA cinética II- das 5C).part ículas criadas. A formação de pares deve acontecer nas vizinhanças de um núcleo, queO recua, pósitron para criado que se dessa tenha forma conservação logo encontra da quantidade um elétron de ,movimento e o par se ( FIGURAaniquila, II- gerando5C). fótons de energia correspondente às massas e às energias do par.19 O pósitron criado dessa forma logo encontra um elétron, e o par se aniquila, gerando fótons de energia correspondente às massas e às energias do par.19
18 Após a emissão do fotoelétron, o átomo se acomoda emitindo raios X ou um elétron mais fracamente ligado, que é chamado de elétron Auger. 18 Após a emissão do fotoelétron, o átomo se acomoda emitindo raios X ou um elétron mais fracamente 19 A radiação emitida na aniquilação de pares é chamada radiação , embora não tenha origem nuclear. ligado, que é chamado de elétron Auger. 24 19 A radiação emitida na aniquilação de pares é chamada radiação , embora não tenha origem nuclear. 24
The energy of the γ emission is 662 keV, and the half-life of the decay chain is 30 years. These physical characteristics allow them to be used in hospital and industrial equipment. However, the separation of cesium from other elements is complicated, and for economic reasons, for use in brachytherapy, it has been replaced by 192Ir, which has 8% of its emission with energy of 604 keV, therefore close to the one of the 137Cs. In addition, cesium chloride is obtained in the form of a powder which, in the event of an accident, such as the loss of encapsulation, can spread easily and cause contamination.
Interaction of radiation with matter When ionizing radiation strikes matter, there may be chemical or nuclear transformations, emission of new particles or the start of a series of nuclear reactions.
Electromagnetic radiation Electromagnetic radiation (X-rays and γ rays) interacts with matter in three different forms: the photoelectric effect, the Compton effect, and the production of pairs. In the photoelectric effect, a photon removes an electron bound to an atom as it strikes against it. It is necessary that the photon has energy equal to or greater than the binding energy between the electron and the atom, then the emission of electrons only occurs from a given threshold of energy. If the photon has more energy than this threshold, the energy balance is recovered as the kinetic energy of the ejected electron.18 This phenomenon occurs for lower energies of the photon (FIGURE II-5A). In the Compton effect, a photon and a free or weakly bound electron behave like two colliding particles; as a result, we have a change in the trajectories and energies of both, following the laws of energy and momentum conservation. This phenomenon occurs for intermediate energies of the photon (FIGURE II-5B). If the photon energy is quite high, pair production may occur: the photon disappears, giving rise to an electron and a positron. The minimum energy of the photon must correspond to the masses of the electron and the positron. If the energy of the photon is greater than the minimum value, the energy balance will be converted into kinetic energy of the particles created. The pair production must occur in the vicinity of a nucleus, which recoils, in order to conserve moment (FIGURE II-5C). The positron thus created soon finds an electron, and the pair annihilates itself, generating photons of energy corresponding to the masses and energies of the pair.19
18 After the emission of the photoelectron, the atom accommodates emitting X-rays or a loosely bound electron, which is called an Auger electron. 19 The radiation emitted in a pair annihilation is called g radiation, although it does not have nuclear origin. 28 Figure II-5 – Illustration of the photoelectric effect (A) of the Compton effect (B) and pair production (C) scattered incoming stripped photon photons electrons
incoming photon free electron
scattered electron (A) (B) photon
e-
(C) e+
Figure II-6 shows the energy range where each of the three phenomena is most likely to occur, as a function of the size of the target nucleus.
Figure II-6 - Interaction of a photon with matter, as a function of its energy and the atomic number of the target element
Ztarget 120
100 dominant 80 dominant photoelectric pair effect production 60 dominant Compton 40 effect
20
0 0,01 0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 Ephoton (MeV)
29 Charged particles Charged particles are more likely to collide with atoms than to interact directly with nuclei. They then interact with matter primarily by excitation or ionization of the atoms. When they collide with the nuclei, the particles are absorbed and affect the nuclear structure. During interaction with matter, the charged particles undergo deceleration or change in trajectory and emit electromagnetic radiation, while losing energy. The electrons interact with the matter causing ionization or emitting braking radiation (bremsstrahlung). α particles cause ionization or capture electrons, becoming neutral He atoms. The travel range of the α particles is always very small, and the energy transfer occurs at the end of its trajectory. Fission fragments have large masses: they can cause ionization, but their range is still smaller. Neutrons Since they have no electric charge, neutrons interact with matter by scattering or capture. In scattering, neutrons collide with other particles and there is energy exchange. The exchange is most effective if the colliding particles have the same or similar masses. The capture of neutrons takes a nucleus to an excited state, provoking nuclear reactions or the fission of the nucleus. These two types of neutron interaction occur in a fission reactor. Taking as an example a uranium-235 reactor: we know that the 235U captures slow neutrons and suffers fission, emitting fast neutrons. In order for the reaction to continue, it is necessary to decrease the kinetic energy of the neutrons emitted;20 this is achieved by forcing them to collide with atoms of mass slightly larger than their own. Usually, the following are used: light water (scattering by hydrogen nuclei), heavy water (more effective moderation by deuterium atoms),21 or bars of graphite or of metallic sodium. Graphite and sodium nuclei are slightly larger than the neutron and will take up most of the energy after the collision. The simplified schematic of a reactor is shown in Figure II-7.
Figure II-7 – Schematic of a reactor control rod
moderator moderator
fuel rod fuel rod
absorption
fission
H2O
Neutrons that reach the fissile material of the fuel rod cause fission, with release of other neutrons; these are thermalized (have their kinetic energy reduced) when they collide with the nuclei in the moderator; while some neutrons are captured by the nuclei of the control rods, only a few of the released neutrons will be available to start new fission processes.
20 Slow neutrons are called thermal neutrons, as their energy is the one they would have at ambient temperature. The action of reducing the neutron energy is called thermalization of the neutron. 21 We call "light water" the water in which the nuclei of the two hydrogen atoms have only one proton, and no neutrons; in "heavy water", at least one of the hydrogen atoms has one or more neutrons at its core. 30 Interaction of radiation with living beings In living beings, when ionizing radiation strikes organs or tissues, it first provokes physical effects; then chemical effects and, lastly, biological effects. Upon impacting a cell, radiation can directly ionize a target molecule or ionize the water contained in the cell, generating free radicals, which, in turn, react with the target molecule. The second hypothesis is more likely to occur because water is the main component of the cell. Radiation can damage any component of the cell, but the most severe damage is caused when the DNA inside the cell's nucleus is reached. After the ionization, and depending on the degree of damage to the cell nucleus, the following may occur:
a) repair of the damage so the cell continues to reproduce normally; b) reproduction of the cell, but death of offspring; c) mutations in the DNA of the cell and transmission of these mutations to the offspring; d) or, if the damage is very severe, the cell may die ("apoptosis"). This is desirable, in order to prevent the damage from being transmitted.
Regarding the cell cycle, the most radiation sensitive cells are those in the mitosis stage (cell division) and those that are not differentiated. This is because during mitosis the DNA is replicated, and any damage can prevent cell reproduction; the undifferentiated cells divide more often than the differentiated ones and need all the information contained in the DNA, whereas the differentiated cells use only part of the DNA information and replicate less frequently (or in some cases, they do not even replicate at all). Then, if the damage affected only part of the DNA, it may not be important to the differentiated cells. Following this reasoning, we can conclude that, in the human body, the cells most affected by the ionizing radiation are those of bone marrow and some components of the blood (for example, the leukocytes), which replicate very fast; followed by the cells in the gastrointestinal tract walls and in the reproductive organs, which also reproduce considerably fast. The least affected cells are neurons and muscle cells, which do not multiply.
Lethal dose for fauna and flora components Living organisms have distinct resistances to the biological effects of ionizing radiation. In general, the greater its organic, structural and neurological complexity, the lesser its resistance. The more simplified the organism, the greater its resistance22. Figure II-8 shows approximate lethal dose ranges for different living organisms.
22 This rule is known as the Law of Bergonié-Tribondeau, in tribute to the two French doctors who first established it in 1906: J.A.Bergonié (1857-1925) and L.M.Tribondeau (1872-1918). 31 Figure II-8 – Lethal dose of radiation for various living organisms
Viruses Mollusks Protozoa Bacteria Moss, lichen, algae Insects Crustaceans Reptiles
TAXONOMIC GROUPS TAXONOMIC Amphibians Fish Higher plants Birds Mammals 1 10 100 1.000 10.000
ACUTE LETHAL DOSE (Gy)
The dose is given in Gray units (Gy), representing the amount of energy absorbed per unit mass. (Based on: UNSCEAR 2008, Report to the General Assembly, Annex E. Available at:
Radiation detection The development of detectors for each type of radiation is based on the ways it interacts with matter. Generally, a radiation detector consists of a radiation-sensitive element or material and a system that transforms the effects of radiation into a measurable quantity related to the amount of radiation. Frequently, the energy of the radiation is transformed into an electric quantity, which can be easily and accurately measured.
First detectors The first radiation detector was accidentally used by Becquerel: he wrapped a radioactive mineral with photographic film and later found that the film had been darkened by radiation, which at the time was of unknown origin. The photographic emulsion consists of grains of silver halide, mostly bromide (AgBr). The radiation ionizes the Ag ions turning them into metallic silver. After being developed with revealing and fixing solutions, the film shows the regions affected by the radiation. Photographic emulsions were used early in the past to control the radiation received by professionals working with ionizing radiation. They were replaced by thermo-luminescent dosimeters, which will be described later.
Current detectors The most common detectors currently used are gas detectors, scintillators and semiconductors. In gas detectors, the radiation ionizes the gas placed in a chamber, causing the conduction of electric current through a circuit. The best known of these is the Geiger-Müller counter, named after the physicists who invented it in the early 20th century. It consists of a cylindrical metal chamber that has a central conductive wire in it and is filled with gas at low pressure. The wire and the metal casing are subjected to an electrical potential. The 32 radiation that penetrates the chamber ionizes the gas, the ions move through the potential causing an electrical discharge when they reach the filament or the case (FIGURE II-9). These detectors are compact and are portable for external measurements.
Figure II-9 – Schematic of a Geiger-Muller counter
helium, neon or argon positive electrode gas at low pressure (central wire)
electric pulse radioactive + - 450 V source
thin mica electric window pulse pulse electric negative electrode (aluminum tube) scale meter
Scintillators Currently, most of the detectors use scintillators, which are crystals that emit light after the ionization caused by the passage of radiation, or semiconductor detectors: in these, the radiation hits a p-n junction,23 creating pairs of electrons and holes which later meet and emit an electric or luminous signal, multiplied and analyzed by electronic devices. The various types of detectors are adapted in order to characterize the kind of radiation, the amount of particles or their energy. In general, ionization processes are efficient for photons and charged particles. In order to distinguish different forms of radiation, there are shields that eliminate the less penetrating particles from the detection, allowing us to compare the measurements made with the shield and without it. The most common type of scintillator is the sodium iodide detector with small amounts of thallium [NaI(Tl)], but there are also scintillators that use organic or plastic crystals; the photons emitted by the scintillation generate electrons, through the photoelectric effect; the electrical signal needs to be amplified and analyzed using electronic devices, for example, by a photomultiplier tube. Figure II-10 shows a scintillator detector coupled to a photomultiplier. Radiation excites the atoms in the scintillating crystal, and when they return to the ground state, they emit photons. The emitted light is directed to the photomultiplier and it strikes a metal plate, from where it strips electrons due to the photoelectric effect. The stripped electrons are accelerated by an electrical potential between the photoelectric plate and another plate, called dynode; when colliding with the dynode, the electrons strip other electrons, which are accelerated towards a second dynode, and so on. At each collision, the number of electrons is multiplied; at the end of the process, there are enough electrons to be measured as an electric pulse.
23 A junction p-n is a region where a material containing excess free electrons (n-type, negative) is superimposed upon a material lacking free electrons (p-type, positive). The excess or lack of electrons is obtained by inserting in the semiconductor small amounts of other atoms, called dopants or impurities.. 33 Figure II-10 – Schematic of a scintillator detector, with photomultiplier
charged particle scintillator detector
photons light guide
photocathode
photomultiplier dynodes
An example of a scintillation detector is the scintillation camera used in Nuclear Medicine for diagnostic exams with radioisotopes that emit γ radiation. In this chamber, the scintillator crystal, when bombarded with γ radiation, emits photons in the visible range. The photons strike a series of small photomultipliers that have their signals compared to each other. It is possible to locate the source of the scintillation by checking which photomultipliers showed the strongest signal. After analysis, the electrical signals are sent to a computer that builds an image of the object that emitted the radiation. By taking measurements of the emission at various angles around the emitter, a three- dimensional reconstruction of the image (tomography) can be obtained. The use of the scintillation camera is described in Appendix A2.
Scintillators with coincidence circuit In order to detect the g emission from pair annihilation, it is necessary to use a more sophisticated scintillation system. Annihilation occurs when a positron encounters an electron and the two annihilate each other, generating two g photons whose sum of energy is equivalent to the masses of the two particles. The two photons are emitted in opposite directions. In this case, detection is accomplished through two sets of small scintillators, placed on opposite sides of the emitter. The signals will only be taken into account when they are detected simultaneously by two photomultipliers, placed at 180o from each other, that is, when there is a temporal coincidence between the two signals. The photomultiplier position indicates the point where annihilation occurred. This device is used for the detection of b+ emitters, since annihilation occurs in a region that is very close to that of emission.
34 Semiconductor detector The principle of operation of semiconductor detectors is based on the fact that, in semiconductor materials, the electrons completely fill the energy level we call the valence band, from where it is very difficult to displace the electrons. The higher energy level, called the conduction band, is empty and could allow the flow of electrons, but there is a separation between the two bands (the forbidden band), which must be overcome by supplying energy to the material. An example of a semiconductor detector is the TLD (Thermoluminescent Dosimeter). It is a small detector placed inside a plastic holder, carried by a person exposed to radiation, and analyzed every 30 days to check the radiation dose received by the worker (FIGURE II-11). 24
Figure II-11 – Thermoluminescent Detectors (TLDs)
(A) (B) 2 cm © Cláudio R. Soares © Peterson L. Squair pellets shields
© Luiz Cláudio M. Belo © Regina Carvalho P. (C) (D)
(A): detector for calibration (golden) and for use in badges (blue); (B): disassembled detector, showing the semiconductor pellets and shields; (C): equipment for measuring the dose absorbed by the TLD; (D): luminescence of a heated pellet
24 TLDs may also be attached to rings, wristbands or safety glasses, used to measure absorbed doses in the hands or eye lenses, when these may receive larger exposures than the rest of the body. 35 The TLD is constructed of a pellet of semiconductor material - generally CaF or LiF, containing impurities; the impurities create levels of energy in the forbidden band, which act as "traps" for electrons or "holes”.25 Upon receiving the radiation, the crystal is ionized, and the emitted electrons become trapped in the impurities (FIGURE II-12). Later, in order to determine the dose of radiation absorbed by the TLD, it is heated and the trapped electrons return to their initial energy levels and emit photons. A photomultiplier transforms the photons into electrical pulses. The intensity and number of electrical pulses inform the radiation dose received and its energy. After heating, the TLD returns to its original state and can be used again.
Figure II-12 – Energy levels of a semiconductor material containing impurity
conduction band conduction band
electron trap
hole trap
valence band valence band transition corresponding to the emission of a thermoluminescent photon
The electrons of the semiconductor are in the valence band; in order to reach the conduction band, they need to absorb a large quantity of energy. The presence of an impurity creates intermediate levels between the conduction and valence bands, which trap the electrons. Through heating, the trapped electrons return to their fundamental level and emit photons.
In order to detect different types of emission, several pellets are used on the same support, placing convenient shields in some of them. The comparison between the radiation received by the covered and uncovered pellets will inform the type of radiation received by them. Another type of detector is the germanium detector, used in radioisotope production labs. The germanium element is a semiconductor with a narrow band. The incidence of g radiation promotes the transfer of electrons from the valence band to the conduction band. When an electric field is applied to the crystal, the electrons move, generating electric pulses which can be measured; the number of pulses is proportional to the number of g photons received by the detector. The germanium detector functions at the liquid nitrogen temperature (-196 ºC). This is necessary due to the narrowness of the forbidden band. At higher temperatures, the thermal energy of the electrons is enough to overcome the energy barrier of the forbidden band. If there is no cooling of the detector, the measurement of the pulses produced by the electrons will take into account not only those produced by the absorption of g photons, but also those produced by the thermal agitation of the crystal.
25 The "holes" are lacks of electrons and behave as if they were "positively charged electrons". 36 III - USES OF IONIZING RADIATION IN PROMOTING HEALTH
When ionizing radiation travels through a material, it may cause changes in the atoms and molecules, while, at the same time, the radiation itself is attenuated. The consequences of these changes are used for diagnosis of illnesses, treatments, sterilization of hospital supplies or food, control of disease transmitting insects, among other applications in the field of health care. Radioisotopes are chosen with regard to their energy and characteristic half-life bearing in mind the intended specific use.26 Diagnosis X-rays The attenuation of X-rays when traversing matter depends on the atomic number and density of the material. For example, in our body, bones attenuate radiation more than soft tissue; attenuation may also indicate tissue changes (inflammation, infection or the presence of unexpected formations, such as benign or malignant nodules). It is then possible to use the radiation to acquire an anatomical image from the capture of the modified X-rays transmitted. X-rays are collimated toward the patient's organs by adjusting the equipment for reaching the region of interest. In order to avoid scattered radiation to regions of the body that do not need to be irradiated, protections for specific organs such as gonads or thyroid are used. In diagnostic radiology, X-rays are attenuated differently, depending on the density of the organ under study. The simplest equipment uses photographic plates for obtaining the image. In more sophisticated equipment, the photographic plate is replaced by scintillator detectors, whose information is processed with digital techniques, producing images directly on the screen of a computer.
26 This chapter shows only some of the many applications of radiation in medicine. These examples were chosen in order to display the most important characteristics of the radioisotopes in each case. 37 Raios g-rays Os raios permitem a obtenção de uma imagem fisiológica de órgãos internos usandoThe- seg-rays radiofármacos, allow the acquisitionobtidos incorporando of a physiological radioisótopos image ofemissores internal deorgans a using radiopharmaceuticals,determinadas moléculas. obtained Esses radiofármacos by incorporating são administrados g emitting radioisotopesao paciente por into via certains molecules.intravenosa, These intramuscular radiopharmaceuticals ou oral, e são are absorvidosadministered preferencialmente to the patient porby intravenous,alguns intramuscularórgãos. or oral means, and are absorbed preferentially by given organs. A gammaUm detector scintillation gama de detector cintilação can (chamado rotate dearound câmara the de patientcintilação), or situadodo a horizontal em um equipamento chamado de gama câmara, pode girar em torno do paciente ou fazer sweep, recording the locations of radiopharmaceutical accumulation. Subsequently, using Raios uma varredura horizontal, registrando os locais de acumulação do radiofármaco. computationalPosteriormente tools,, usando a 3-dimensional-se ferramentas image computacionais, is constructed, faz-se allowing a reconstrução the construction de uma of a Os raios permitem a obtenção de umadynamicimagem imagem image em fisiológica 3 dimensões.of the organde órgãos Assim of interest. internos é possível The obter processes uma ofimagem image dinâmica acquisition do andórgão processing de usando-se radiofármacos, obtidos incorporandoareinteresse. explained radioisótopos in Appendix emissores 2. de a determinadas moléculas. Esses radiofármacos sãog radiationadministradosA radiação has theao tem pacienteadvantage a vantagem por of via monochromaticity das monocromaticidade (the photons(os fótons emitted emitidos in ema certain intravenosa, intramuscular ou oral, e são transitionabsorvidosdeterminada havepreferencialmente transição the same têm energy). apor mesma alg Thisuns energia), is important o que to sedifferentiate torna importante the photons para se emitted órgãos. diferenciar os fótons provenientes da emissão do radiofármaco de outros fótons que by the radiopharmaceutical from other photons, which may accidentally be detected. Um detector gama de cintilação (chamadoRaioseventualmente de câmara depossam cintilação), ser detectado situados. em um equipamento chamado de gama câmara,Radiopharmaceuticals pode girar em torno do paciente for oudiagnosis fazer uma varredura horizontal, registrando os locais Raios Radiofármacos de Os acumulaçãoraios parapermitem diagnóstico do radiofármaco.a obtenção de uma imagem fisiológica de órgãos internos Posteriormente, usando-se ferramentas computacionais,usando Radiopharmaceuticals-se fazradiofármacos,-se a reconstrução obtidosare substances de umaincorporando prepared radioisótopos with the use emissores of radioisotopes, de a which imagem em 3 dimensões. Assim é possível willobterdeterminadas be uma absorbedOsRadiofármacos imagemraios moléculas. preferentiallypermitem dinâmica são Esses substânciasado obtenção radiofármacosórgãoin the de organsdepreparadas uma são toimagem be administradosusando analyzed fisiológica-se radioisótopos, or ao treated. dpacientee órgãos The que porinternos radioisotope serãovias intravenosa,absorvidas preferencialmenteintramuscular ou nosoral, órgãos e são que absorvidos se deseja analisarpreferencialmente ou tratar. O radioisótopopor alguns interesse. isusando chosen-se according radiofármacos, to its propertiesobtidos incorporando (half-life, typeradioisótopos and energy emissores of emission, de asa well as órgãos.é escolhido de acordo com suas propriedades (meia-vida, tipo e energia da emissão, A radiação tem a vantagem da monocromaticidadeeasedeterminadas of transportation). moléculas. (os fótons The Esses emitidos radiopharmaceutical radiofármacos em são administrados is prepared and ao pacienteshipped porto the via splace of facilidadeUm detectorde transporte). gama de O cintilaçãoradiofármaco (chamado é preparado de câmara e transportado de cintilação), até situado o local em de determinada transição têm a mesma energia),intravenosa, o que se intramuscular torna importante ou oral, para e sesão absorvidos preferencialmente por alguns application,umaplicação equipamento, seguindofollowing chamado-se radiationnormas de gama e safety regulamentoscâmara regulations, pode de girar proteçãoto em protect torno radiológica thedo pacientepersons das ouinvolved pessoas fazer in its diferenciar os fótons provenientes da emissãoórgãos. do radiofármaco de outros fótons que handling.umaenvolvid varreduraas no processohorizontal,. registrando os locais de acumulação do radiofármaco. eventualmente possam ser detectados. Um detector gama de cintilação (chamado de câmara de cintilação), situado em PosteriTheormente radioisotope, usando -mostse ferramentas used in diagnosticscomputacionais, is 99fazm -se(technetium-99 a reconstrução de meta-stable). uma um equipamentoO radioisótopo chamado mais de usado gama em câmara diagnóst, podeicos giraré o em43Tc torno(tecnécio do paciente-99 metaestável). ou fazer imagem em 3 dimensões. Assim é possível obter uma imagem dinâmica do órgão de Radiofármacos para diagnóstico OneumaUma advantage varreduravantagem of horizontal,do technetium-99m tecnécio registrando-99m é queis that osele it locaistem has valências valencesde acumulação ofde 44 toa 7,do sopodendo radiofármaco. different marcar molecules interesse. canPosteridiferentes be marked;ormente moléculas;, whichusando é - makessepossível ferramentas it entãopossible obtercomputacionais, to diversos obtain severalradiofármacos, faz- sedifferent a reconstrução usados radiopharmaceuticals, em dediversos uma Radiofármacos são substâncias preparadasusedimagemtipos forusando deA em diversediagnóstico,radiação -3se dimensões. radioisótopos, types temconforme of aAssim diagnoses,vantagem queo órgãoé possívelserão da emaccording monocromaticidade estudo. obter umaOutra to imagemthe vantagem organ (os dinâmica fótonsébeing ser emissor emitidos dostudied. órgão e em nãodeAnother absorvidas preferencialmente nos órgãos que sedeterminadainteresse.ser deseja emissor analisar β,transição já ouque tratar. as têm câmaras O aradioisótopo mesma de cintilação energia), usadas o que para se diagnóst torna icoimportante somente detectampara se advantagediferenciar is os that fótons it is aprovenientes g emitter and da notemissão a β emitter, do radiofármaco since the scintillationde outros fótons chambers que used é escolhido de acordo com suas propriedades radiação(meiaA-vida radiação γ, , etipo assim e energiatem se evitaa vantagemda radiação emissão, da desnecessária monocromaticidade para o (os paciente. fótons Alémemitidos disso, em a foreventualmente diagnosis only possam detect ser detectadoγ radiation,s. thus avoiding unnecessary radiation to the patient. facilidade de transporte). O radiofármaco é determinadapreparadoenergia da e suatransportadotransição emissão têm até (140a omesma localkeV) de energia),é suficiente o quepara se que torna ela importanteescape do corpopara sedo aplicação, seguindo-se normas e regulamentosIn addition, de proteção the energyradiológica of itsdas g emissionpessoas27 (140 keV) is sufficient for it to escape from the diferenciarpaciente e sejaos fótons facilmente provenientes detectada da. emissão27 do radiofármaco de outros fótons que patient'sRadiofármacos body99m and para be diagnóstico easily detected. envolvidas no processo. eventualmente O Tc possam é administrado ser detectado aos. paciente como sal (pertecnetato) ou ligado a uma 99m 43 O radioisótopo mais usado em diagnóst icosThe é o 43Tc (tecnéciois administered-99 metaestável). to the patient as a salt (pertechnetate), or bound to a moléculaRadiofármacos que será absorvida são substâncias preferencialmente preparadas em usandoum órgão-se doradioisótopos, corpo. que serão Uma vantagem do tecnécio-99m é que ele moleculetemRadiofármacos valências that dewill para 4 be adiagnóstico 7, preferentially podendo marcar absorbed in an organ of the body. absorvidas O preferencialmentepertecnetato se acumula nos órgãos principalmente que se deseja nosanalisar locai ous ondetratar. estiverO radioisótopo havendo diferentes moléculas; é possível então obter diversos Pertechnetate radiofármacos, accumulates usados em diversos mainly in regions that are undergoing bone tissue é regeneraçãoescolhido de do acordo tecido ósseocom suas(fraturas, propriedades inflamações (meia ou- vidatumores)., tipo e energia da emissão, Radiofármacos são substâncias preparadas usando-se radioisótopos, que serão tipos de diagnóstico, conforme o órgão em estudo.regenerationfacilidade OutraO devantagemtecnécio (fractures,transporte). ligadoé ser inflammation emissor Oà radiofármacoexametazima e não or ésetumors). preparado acumula noe transportadocérebro, permitindo até o local estudar de absorvidas preferencialmente nos órgãos que se deseja analisar ou tratar. O radioisótopo ser emissor β, já que as câmaras de cintilação usadasaplicaçãoalteraçõesThe para ,technetium seguindo diagnóstno fluxo-icose sanguíneo attachedsomentenormas detectame desse toregulamentos exametazime órgão. Outro de proteçãoaccumulatesradiofármaco radiológica muitoin the utilizadodas brain, pessoas éallowing o radiação γ, e assim se evita radiação desnecessáriaé escolhido para de o acordo paciente. com Além suas disso,propriedades a99 m (meia-vida, tipo e energia da emissão, forenvolvidSestamibi: the studyas no nprocesso este,of blood um. átomoflow alterationsde 43Tc sewithin liga this a 6organ. moléculas Another de MwidelyIBI used energia da sua emissão (140 keV) é suficientefacilidade para de que transporte). ela escape O doradiofármaco corpo do é preparado99 me transportado até o local de 27 radiopharmaceutical aplicação(metoxiisobutilnitrila);O ,radioisótopo seguindo-se ismais essnormas“Sestamibi”:e usado composto e emregulamentos diagnóst iné absorvido whichicos deone épreferencialmente oproteção 43Tc (tecnécio atomradiológica is pelos -bound99 metaestável). dasmúsculos topessoas 6 molecules do paciente e seja facilmente detectada. 99m 99m ofUmacoração MIBI vantagem (methoxyisobutylnitrile);e é dousado tecnécio em -diagnósticos99m é quethis ele compoundcardiológicos. tem valências is absorbed O de 4 aTc preferentially 7, podendoligado ao marcar byMDP the heart O Tc é administrado ao paciente comoenvolvid salas (pertecnetato) no processo. ou ligado a uma 43 43 diferentes moléculas; é possível então obter diversos radiofármacos,99m usados em diversos muscles Oand radioisótopo is used in maiscardiological usado em diagnoses.diagnósticos The é o 43Tc ,(tecnécio when linked-99 metaestável). to MDP (methyl molécula que será absorvida preferencialmente em um órgão do corpo. diphosphonate),tiposUma devantagem diagnóstico, dois preferentiallytecnécio conforme-99m o órgão éabsorbed que em ele estudo. intem bones valênciasOutra and vantagem allowsde 4 a é the 7,ser podendo investigationemissor marcar e não of bone O pertecnetato se acumula principalmenteser emissor nos β, locai já que s onde as câmaras estiver dehavendo cintilação usadas para diagnóstico somente detectam regeneração do tecido ósseo (fraturas, inflamaçõesmetastasesdiferentes ou tumores). moléculas;(FIGURE é III-1).possível então obter diversos radiofármacos, usados em diversos radiação27 γ, e assim se evita radiação desnecessária para o paciente. Além disso, a O tecnécio ligado à exametazima se tiposacumula A faixade diagnóstico, node eficiênciacérebro, conforme dospermitindo detectores o órgão estudarde NaI, em mais estudo. usados Outra nesse vantagem caso, é de é100 ser keV emissor a 300 keV, e não que energiacompreende da asua energia emissão da emissão (140 do Tc keV)-199m. é suficiente para que ela escape do corpo do alterações no fluxo sanguíneo desse órgão. serOutro emissor radiofármaco β, já que asmuito câmaras utilizado de cintilação é o usadas para diagnóstico somente detectam paciente e seja facilmente detectada.27 34 99m radiação γ, e assim se evita radiação desnecessária para o paciente. Além disso, a Sestamibi: neste, um átomo de Tc se liga 99ma 6 moléculas de MIBI 43 O Tc é administrado ao paciente como sal (pertecnetato) ou ligado a uma energia da 43sua emissão (140 keV) é suficiente para que ela escape do corpo do (metoxiisobutilnitrila); esse composto é absorvido preferencialmente pelos músculos27 do moléculapaciente e que seja será facilmente99m absorvida detectada preferencialmente. em um órgão do corpo. coração e é usado em diagnósticos cardiológicos.27 O pertecnetato99mO 43Tc seligado acumula ao MDPprincipalmente nos locais onde estiver havendo The efficiencyO 43Tc rangeé administrado of the most aocommonly paciente used como NaI saldetectors (pertecnetato) in this case ouis fromligado 100 a keVuma to 300 keV, regeneração do tecido ósseo (fraturas, inflamações ou tumores). moléculawhich comprises que será the absorvida emission preferencialmenteenergy spectrum of emTc-99m. um órgão do corpo. O tecnécio ligado à exametazima se acumula no cérebro, permitindo estudar O pertecnetato se acumula principalmente nos locais onde estiver havendo alterações no fluxo sanguíneo desse órgão. 38Outro radiofármaco muito utilizado é o regeneração do tecido ósseo (fraturas, inflamações ou tumores). 27 A faixa de eficiência dos detectores de NaI, mais usados nesse caso, é de 100 keV a 300 keV, que99m Sestamibi: neste, um átomo de 43Tc se liga a 6 moléculas de MIBI compreende a energia da emissão do Tc-199m. O tecnécio ligado à exametazima se acumula no cérebro, permitindo estudar (metoxiisobutilnitrila); esse composto é absorvido preferencialmente pelos músculos do alterações no fluxo sanguíneo desse órgão.34 Outro radiofármaco muito utilizado é o 99m 99m coraçãoSestamibi: e én este,usado um em átomodiagnósticos de 43cardiológicos.Tc se liga Oa 6 43Tcmoléculas ligado deao MDPMIBI (metoxiisobutilnitrila); esse composto é absorvido preferencialmente pelos músculos do 99m coração e é usado em diagnósticos cardiológicos. O 43Tc ligado ao MDP
27 A faixa de eficiência dos detectores de NaI, mais usados nesse caso, é de 100 keV a 300 keV, que compreende a energia da emissão do Tc-199m. 34 27 A faixa de eficiência dos detectores de NaI, mais usados nesse caso, é de 100 keV a 300 keV, que compreende a energia da emissão do Tc-199m. 34
Figure III-1 – 99mTc-sestamibi (A) and 99mTc-MDP (B) (A) (B) O O O O HO N OH OH O P P N C N O O 99m Tc 99m C Tc O N N O N P O P O HO OH OH O O O
Positron Emission Tomography Another radiodiagnostic technique is called PET-Scan (Positron Emission Tomography). When a positron-emitting radioisotope is administered to the patient, the emitted positron is annihilated upon encountering a neighboring electron, thereby generating two photons with energies of 0.511 MeV each (corresponding to the sum of the masses of one electron and one positron). The photons produced travel in opposite directions and can be detected by the scintillation chamber, normally called a PET Scanner. The most commonly used radioisotope is fluorine-18. It can be incorporated into some organic molecules such as fluorodeoxyglucose (FDG), a glucose analog, with a fluorine atom replacing a hydroxyl (FIGURE III-2). When injected intravenously into the patient, FDG tends to concentrate in organs that absorb glucose, such as the brain, which uses it in synapses; the muscles, to generate movement; in cells with faster growth, such as cancerous ones, or in inflammatory processes. The sites in which there is FDG concentration will have a more pronounced emission of photon pairs, detected by scintillators with coincidence circuit, as described in Chapter II. After the injection, the patient should remain at rest for one hour, to avoid the accumulation of FDG in the muscles, and in silence and penumbra, to avoid accumulation in the brain.
Figure III-2 – Structure of glucose (A) and fluorodeoxyglucose 18[ F-FDG] (B)
OH (A) OH (B)
O O HO HO HO HO OH 18F OH OH
FDG is not metabolized by the body: after the decay of fluorine-18 into oxygen-18, the molecule captures a proton, thus forming "heavy" glucose (which contains oxygen-18 in the place of oxygen-16), which is metabolized in the same way as "normal" glucose. After 2 hours, 20% of the radioisotope administered is excreted through the urinary system.
39 Fluor-18 has a number of advantages for its use in imaging diagnostics:
• the emitted positron has a low energy level; • there is no g emission in the decay reaction; the only emitted photons come from electron-positron annihilation, and their energies are well defined (0.511 MeV each, corresponding to the annihilation of the two particles). This facilitates the detection of these photons. • Fluorine-18 decays into oxygen-18, a stable and non-toxic element.
Another example of a radiopharmaceutical is C11-choline (a vitamin of the B group), in which one of the carbon-12 choline atoms is replaced by carbon-11 (FIGURE III-3). It is used for analysis of the prostate or central nervous system.
Figure III-3 Structure of the choline (B) H (A) H 2 2 11 H HO C CH HO C C 3 + 3 + C N C H N 2 H2
CH3 CH3
CH CH3 3 (A) Structure of the choline; (B) one of the carbon-12 atoms is replaced by carbon-11, forming the 11C-choline.
Treatment Radiation therapy is used in cancer treatment through the use of g sources external to the body (teletherapy), sources inserted directly into the site to be irradiated (brachytherapy) or radiopharmaceuticals (internal doses). Emitters of charged particles may also be used; in this case, since charged particles have a very short range, the emitters are useful in the therapy of superficial lesions, brachytherapy and as radiopharmaceuticals. g sources for teletherapy Initially, cobalt-60 equipment for teletherapy was widely used. However, since the end of the 20th century, these have been replaced by linear accelerators. Although, cobalt-60 sources are still widely used in industry.
Braquiterapia Brachytherapy 192 One of theUm most dos radioisótoposcommonly used mais radioisotopes empregados nain brachytherapybraquiterapia é iso 77 Ir , inna theforma form de of fine fioswires finos made feitos with com an umaalloy liga of Irde (30%) Ir (30%) and e Pt (70%).(70%). OThe fio wireé revestido is coated com with uma platinum capa or stainlessde platina steel, ou which aço inox, shields que bblinda radiation a radiação resulting proveniente from the do decay, decaimento, while usinge apenas only a g radiationradiação in the étreatment. aproveitada no tratamento. The wireO is fio inserted é inserido into dentrothe tumor, do tumor, and the e a g radiaçãoradiation destroysdestrói as the células tumor tumorais; cells; healthy as cells, thatcélulas are sadias, more maisdistant distantes, from the são g preservadas.source, are preserved. SinceComo the o radioisotoperadioisótopo isé verymuito dense, denso, the os wires fios canpodem be small ter pequenas in size and dimensões yet the dose e, no will be high.entanto, Irradiation a dose decan radiação be performed será alta. in A a pequena few minutes, dimensão on daan fonteoutpatient permite basis, o tratamento hence the patientambulatorial does not need (o paciente to be hospitalized. não precisa ficar internado).
Radiofármacos para tratamento 40
O iodo-131 é um emissor e , administrado ao paciente por via oral, como solução aquosa do sal iodeto de sódio (131I-NaI). O iodo acumula-se principalmente na tireoide, e a radiação β pode destruir nódulos benignos, metástases ou tecidos remanescentes de cirurgia no caso de carcinoma. O radiofármaco meta-iodobenzilguanidina (131I-MIBG) é usado para tratamento de ferrocrocitomas e neuroblastomas, originados pela glândula tireoide e localizados no sistema neuroendócrino. Para acompanhar a evolução da terapia, a radiação γ do 131I é aproveitada para realizar imagens cintilográficas.
Esterilização de material hospitalar e alimentos
A esterilização de instrumentos hospitalares ou alimentos pode ser feita usando radiação , que destrói as células dos micro-organismos presentes no material. Como a irradiação é feita sem alterar a temperatura do material, o procedimento não afeta as características dele. As fontes usadas são os aceleradores (raios X de alta energia) ou fontes de Co-60 (raios ). O material hospitalar pode ser irradiado dentro de embalagens especiais, que resistam à radiação, e assim se evita contaminação posterior. Usando doses bem determinadas de radiação, é possível eliminar micro- organismos presentes na superfície dos alimentos sem modificar as suas características. A técnica foi testada com sucesso em grãos e temperos, que tiveram sua durabilidade prolongada. O sangue para transfusão pode ser irradiado com fontes de Co-60: baixas doses eliminam linfócitos, que poderiam ser rejeitados pelo paciente que recebe o sangue; doses mais altas matam micro-organismos, mas é preciso tomar cuidados especiais para não deteriorar componentes importantes do sangue (por exemplo, manter o material congelado durante a irradiação).
Controle de insetos
Certos insetos constituem pragas que destroem lavouras ou causam doenças no ser humano. Uma das técnicas de controle é a SIT (do inglês Sterile Insect Technique, técnica de esterilização de insetos). A técnica é usada há cerca de 50 anos para controle de moscas da fruta e moscas tsé-tsé e está atualmente sendo testada no Brasil para 37
Radiopharmaceuticals for treatment The iodine-131 is a b and g emitter, administered to the patient orally as an aqueous solution of the sodium iodide salt (131I-NaI). Iodine accumulates mainly in the thyroid, and β radiation can destroy benign nodules, metastases, or the remaining tissue from surgery, in the case of carcinoma. The metaiodobenzylguanidine radiopharmaceutical (131I-MIBG) is used for the treatment of pheochromocytomas and neuroblastomas, which are originated by the thyroid gland and situated in the neuroendocrine system. In order to follow the evolution of the approach, the 131I γ radiation is recorded by scintillographic imaging.
Sterilization of food and of hospital supplies Sterilization of food and of hospital instruments may be performed using g radiation, which destroys the cells of the microorganisms present in the material irradiated. As the irradiation is carried out without altering the temperature of the material, the procedure does not affect its characteristics. The sources used are accelerators (high-energy X-rays), or sources of cobalt-60 (g rays). Medical instruments may be irradiated inside special packs which are radiation resistant, protecting the material from further contamination prior to its use. By applying specific doses of radiation, it is possible to eliminate microorganisms present on the food surface without modifying its characteristics. The technique has been successfully tested on grains and seasonings, which had their durability extended. Blood for transfusion can be irradiated with cobalt-60 sources: low doses eliminate lymphocytes, which could be rejected by the patient receiving the blood; higher doses kill microorganisms, but special care must be taken not to deteriorate important blood components (e.g. by freezing the material during irradiation).
Pest control Certain insects are pests that destroy crops or may cause disease in humans. One of the pest management methods is SIT (Sterile Insect Technique), which has been used for about 50 years in the control of fruit flies and tsetse flies. It is currently being tested in tropical countries for controlling the Aedes aegypti mosquito, which is a vector of dengue, yellow fever, chikungunya and zika viruses. In this technique, a large number of mosquitoes are laboratory bred and raised, and the males are irradiated so that they become sterile. In the case of Aedes aegypti, the males are separated from the females in the pupa phase, since female pupae are larger than males, thereby making filtration a viable approach for the separation. Figure III-4 shows the stages of an insect life-cycle. After reaching adulthood, male insects are subjected to g radiation, which in correct doses modifies the sperm of the mosquito, making it sterile without eliminating its mating ability. Sterile males are released in nature, where they compete with wild males in mating. Females only mate once in their lifetime; therefore, by mating with a sterile male, a wild female will not breed offspring, and the mosquito population will be reduced.
41 Figure III-4 – Life cycle stages of a mosquito
blood-fed female lays eggs
adult eggs emerges
mosquito life cycle
pupa larva
42 IV - MYTHS AND FACTS ABOUT RADIOACTIVITY
Radioactivity is an atomic characteristic with which the public at large is not very familiar, and we often come upon statements which are totally or partially wrong about this subject. In this chapter, we will try to clarify some of the most common doubts.
Radioactivity first appeared during World War II: FALSE. Radioactive elements have existed on Earth ever since it was formed. The radionuclides with short half-lives have decayed over time, leaving those with a half-life greater than the age of the Earth (uranium, polonium, radium, etc.). In nature there are also radioactive elements with shorter half-lives, which are the result, for example, of collisions between stable nuclei and particles from the solar wind. One of these elements is carbon-14, formed in the upper layers of the atmosphere when carbon-12 is bombarded; it has a half-life of 5,730 years, and is used in the dating of prehistoric fossils. The idea that radioactivity appeared during World War II arose perhaps from the fact that the atom bomb was developed during that period, using uranium fission to generate a large amount of energy; this fission has as a byproduct a series of radioactive elements. However, radioactivity was already being used in Medicine at the beginning of the 20th century (and therefore prior to the war).
The atomic bomb was invented by Einstein: FALSE. Einstein did not work directly on the development of the atom bomb. He did propose the equation E = Mc2, which, although it explains phenomena such as nuclear fission and fusion and thus provides the theoretical basis for the process, is not sufficient for the construction of a nuclear device. Fundamentally, his equation relates the concepts of mass and energy as two manifestations of the same property of matter,28 explaining, for example, the development of energy from the fission of large nuclei (as in nuclear reactors) or through the fusion of small nuclei (as in the Sun and other stars), with the transformation of small amounts of mass into large amounts of energy.
28 It is said that the Einstein equation is the most quoted, and least understood, equation in Physics. 43 Any material exposed to radiation becomes radioactive: DEPENDS. A distinction needs to be made between ionizing and non-ionizing radiation. Ionizing radiation has enough energy to ionize the atoms to which it is applied, i.e., it is able to strip electrons from these atoms. Potentially, ionizing radiation can also interact with the nuclei, whereas, non-ionizing radiation lacks sufficient energy to ionize the atoms or interact with the nuclei. Thus, non-ionizing radiation is never capable of generating radioactive material. Examples of non-ionizing radiation are microwaves, visible light, ultraviolet or infrared radiation, and radio waves. Brief and/or slight exposures to this radiation may be beneficial, but damage may be caused if the exposure is too long or too intense (different from the one caused by ionizing radiation). These types of radiation are not able to interact with nuclei nor generate radioactive elements. On the other hand, ionizing radiation has enough energy to strip electrons from the atoms or interact directly with the nuclei. In the latter case, unstable nuclei can be generated, which decay to a lower energy state by emitting photons or particles; however, this depends on the type of radiation, its intensity and the type of irradiated material.
Food prepared in a microwave oven becomes radioactive and can cause cancer: FALSE. Microwaves are electromagnetic waves of a longer wavelength than that of visible light (lower frequency and therefore lower energy). Therefore, it consists of non- ionizing radiation, which does not have sufficient energy to interact with the nuclei of the impacted atoms, yet interacts with certain molecules of the food by increasing their energy of vibration, thus heating the food. Along the same lines, if the microwave radiation directly impacts a person, it can cause burns.
Once it becomes radioactive, a material will be radioactive forever: FALSE. For example, if an object is irradiated with neutrons or charged particles, and some of its atoms are transformed into radioisotopes, it may be possible to make a chemical or physical extraction of the elements in question, and the rest of the object will not be radioactive. Even if this procedure is not possible, the radioactivity does not last "forever", since radioisotopes have well-defined half-lives. After 5 to 10 half-lives, it is considered that the activity of this element has ceased. It is only when the half-life of the formed element is very long that the object will remain radioactive for a long period.
A person who has suffered radiation damage can contaminate other people: DEPENDS. Radiation damage ranges from skin burns to internal lesions and changes in DNA. Lesions are not transmitted; only changes in the reproductive cells may have a damaging effect on the unborn offspring. In general, people who have suffered radiation damage should be isolated because their immunity is lowered; it is the other people around them that can contaminate them with microorganisms against which they have no adequate defense. When persons are contaminated by ingestion or inhalation of a radioisotope, and if it remains in their body, they will be radioactive; in this case, the people around them do need to be protected, and all secretions should be isolated for a period equivalent to 5 to 10 half-lives of the radioisotope. When the biological half-life of the element is shorter than its physical half-life, the person will be decontaminated more rapidly.
44 Any level of radiation is harmful to health: FALSE. Our bodies continuously receive ionizing radiation from natural sources, both on the surface of the Earth or coming from space. We are adapted to support this background radiation, which is even considered by some to be responsible for the genetic changes that have contributed to the evolution of the human being. At low doses, this radiation can be innocuous or even beneficial, as when it is used under controlled conditions as an instrument for diagnosis or treatment of various health problems. However, high doses of ionizing radiation can cause cell destruction or DNA modifications. As for non-ionizing radiation, it can be beneficial and even necessary for the development of living beings: plants absorb visible, infrared and ultraviolet radiation in small doses to carry out photosynthesis, transforming water and carbon dioxide into organic matter; we need small doses of this same radiation from the Sun for the proper functioning of our bodies.
Ingesting non-radioactive iodine neutralizes the effects of radioactivity: DEPENDS. When ingested or inhaled, radioiodine accumulates mainly in the thyroid. Potassium iodide floods the thyroid with non-radioactive iodine and prevents the uptake of the radioactive molecules, which are subsequently excreted in the urine. Therefore, when exposed to radioactivity such as that resulting from a nuclear power plant accident, with loss of combustible material, non-radioactive potassium iodide tablets may prevent the incorporation of the radioactive isotope into the thyroid, provided they are administered prior to the incorporation of radioactive iodine into the body. However, radioactivity may be derived from other radioactive elements, in which case the ingestion of the tablets is useless.
People receiving the same dose of radiation suffer the same type of damage: FALSE. The damage varies from person to person, depending on several factors: age, sex, physical condition. Children are more sensitive to radiation because their organs are still under development, and some biological responses may present different intensity or time from those of an adult. The physical condition of the individual exposed to radiation influences radiosensitivity. If a person is in good health, strong and well-nourished, his/her response to possible radiation damage will be attenuated when compared to that of a weak, undernourished and immunologically deficient person.
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V - CLASSROOM ACTIVITIES
Subjects for discussion 1) Describe a case of radiation use in your daily life. 2) Describe a case of radiation use in Medicine, which you or someone you know has already experienced. 3) Can radioactivity be considered unnatural? 4) What is being done with waste from nuclear applications? 5) A radioactive substance has, initially, a number N of radioactive particles. What will be the number of radioactive particles after a half-life? And after two half-lives?
Prepare yourself to discuss these issues in the classroom; for this, carry out a previous research using the sources recommended at the end of the book, interviews with your acquaintances and family, or input from other pertinent sources. Simulation of a radioactive decay Physicists have discovered a new particle, called “candyon” for fun, and we will investigate its properties. One of these particles, dubbed "M & M", presents the interesting property that it tends to decay, that is, it tends to disappear, but in a very odd way, as we will see in the following experiment.
Materials A large package of “M&M” chocolates29 A tray with raised edges
Directions a) Obtain and count an initial amount of candies (candyons). Record the count as C(0). b) Pour the particles into a tray. When the “M & Ms” lose their energy and come to a resting state, you will notice that some of the particles are different. Some "M & Ms" have
29 The candies can be replaced by coins. 47 a white "M" visible. Such particles have decayed and are now edible (eat all the "M & Ms" that have the "M" facing up). c) Count the number of candyons remaining (those with the "M" facing down). Record the number as C(1). d) Repeat steps b) and c), by changing the count number to C(2), C(3), etc., until 10 trials have been completed or until the candies are gone (if the particles run out, do not include the zero count in your data). e) Plot the number of remaining "M&Ms" as a function of the number of trials. That is, the number of "M&Ms" will be on the y-axis (dependent variable), and the number of trials on the x-axis (independent variable). f) The half-life of the particles is the number of trials required for half of the initial number of particles to decay. What is the half-life of the candyons? Compare your results with those of your colleagues, taking into account that they started with a different number of particles.
(adapted from: Science snacks – Radioactive-decay Model at www.exploratorium.edu - accessed on: may/ 2017 and from: Lesson Plans, Modern Physics, written by Lisa M Besozzi, NSF grant, Ohio Wesleyan University – not yet available on owu site)
Now let´s try another version of the experiment using other particles, calling them dicyons:
Materials 100 or more dice 1 tray with raised edges 1 sheet of white paperboard
Directions a) Throw your dicyons on the tray. Set aside the ones that have fallen with the number 6 side up: these are the ones that have “decayed”. b) Make a column with dicyons that have “decayed” in the left corner of the paperboard. c) Pick up the dicyons that were left on the tray, mix them and throw them again. There will be a new set fallen with the number 6 facing up. d) Make a new column with the dicyons that “decayed” in item c), placing it on the right side to the first. e) Repeat steps c) and d) until completing 10 columns, or until the dicyons all show the number 6. f) Analyze the figure that has been formed on the paperboard: it represents the decay curve of the dicyons, where the number of throws is on the horizontal axis, and the number of decayed particles is on the vertical axis (FIGURE V-1). g) Based on the figure obtained, determine the half-life of the dicyons. What are the similarities and differences between the decay of candyons and dicyons?30
30 Note that the measured quantities are different in the two experiments: for the candies, the plotting shows the amount of "particles" that did not “decay”, whereas, for the dice, the plotting shows the amount of "particles" that did “decay”. The two quantities, however, follow the same decay law, so the graphs are similar. In real radioactive samples, what is measured is the number of particles that have decayed. 48 Figure V-1 – Dicyons decay curve
N number
N/2 Dicyons
N/4
N/8 © Regina Carvalho P.
T½ 2T½ 3T½ Trials
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APPENDICES
A1 - Radiation units
The activity of a radioactive sample is measured as the number of disintegrations occurring in a given unit of time. The historical activity unit is the curie (Ci), which expresses the activity of 1 g of the element radium (Ra):
1 Ci = 3.7.1010 s-1
The SI unit for activity is the becquerel:
1 Bq = 1 s-1 = 2.7.10 -11 Ci
The exposure to a radioactive source refers to the ionization ability of this source. It is expressed as the charge produced by mass of dry air. The SI unit for exposure is given as coulombs per kilogram of air:
C/kg
The most commonly used unit is the roentgen:
1 R = 2.58.10 -4 C/kg
The absorbed dose is expressed as the energy delivered by the radiation to a certain amount of mass of the absorber. The most commonly used unit is the rad (Radiation Absorbed Dose):
1 rad = 0.01 J/kg
The SI unit for absorbed dose is the Gray (Gy):
1 Gy = 100 rad = 1 J/kg 51 The equivalent dose is the energy absorbed by a biological tissue; it takes into account the effect caused on the tissue by each type of radiation. The most commonly used unit is the rem (Roentgen Equivalent Man) and is obtained by multiplying the exposure given in roentgen by a factor that depends on the type of radiation, the RBE (Relative Biological Efectiveness):
1 rem = 1 rad.RBE
The SI unit for the equivalent dose is the sievert (Sv):
1 Sv = 100 rem = 1 Gy .RBE
The effective dose takes into account the epidemiological effects due to the equivalent dose in the various organs, through a parameter w that varies for each organ of the body and is obtained from statistics of cancer incidence due to radiation. The unit for measurement of the effective dose is also the sievert.
52 A2 - Obtention of scintillographic images
Following the administration of a radiopharmaceutical, it accumulates in certain organs of the patient and emits radiation. The g photons are absorbed by a crystal, which transforms its energy into visible or ultraviolet light, in a process called scintillation. The visible light then generates an electrical signal by means of a set of small photomultipliers. A computer transforms the electrical signals into the spatial coordinates x and y, related to the position of the photon emission, providing a scintillographic image, which can be used for diagnosis. Acquisition of planar images The scintillographic image of a patient's organ is formed by the analysis of the g photons emitted by the accumulated radiopharmaceutical. However, part of the photons is absorbed on tissues or scattered by the Compton effect, instead of reaching the detection system. It is then necessary to use a set of collimators, small lead cylinders that allow only the photons emitted in a given direction to be collected. The image is thus obtained by excluding a large part of the radiation emitted by the radiopharmaceutical. There is low photon density in the images because the photons absorbed or scattered by the tissues are eliminated. The geometry of the collimators has an influence on the detection efficiency of the non-scattered photons. This geometric efficiency is a function of the size of the aperture and an inverse function of the length and thickness of the collimator cylinder. The selected g photons then reach the scintillating crystal. The thickness of the crystal is important: it cannot be too thin, in order to absorb all the g photons energy, producing visible or ultraviolet light, which will interact with the photomultipliers; at the same time, if the crystal is too thick, the photons of visible light may not reach the photomultiplier. The majority of the detectors use sodium iodide doped with thallium, NaI(Tl). 53 Next to the crystal are the photomultipliers, coupled to the crystal with optical grease, material that holds them and is transparent to the photons generated in the crystal.31 When stimulated by a few light signals or even by β particles, they produce electrical pulses. Usually the crystal-photomultiplier assembly is known as a scintillation detector, or "detection head". The system is assembled so that there is a minimum loss due to reflection. The light falls on the photocathode, releasing low energy electrons, which are accelerated, due to an electrical potential between the photocathode and the first dynode. When colliding with the dynode, the electrons cause the release of a larger number of electrons, which accelerate to the second dynode, and so on. The electrons produced in the photomultipliers are collected as an electric pulse that can be measured by a suitable electronic circuit. The set of collimators, scintillator crystal and photomultipliers is called the gamma camera. The pulses emitted by photomultipliers are analyzed by electronic processing. The Pulse Height Analyzer (PHA) discards signals from the background, backscattered, or having a value of energy different from that stipulated by the energy window of interest, thus determining when a pulse represents a photon that should be computed in the formation of the image. The acquisition system used for image formation is illustrated in Figure A2-1.
Figure A2-1 – Schematics of a gamma camera detection system
gamma camera
control photomul- electronics tipliers scintillator collimators
image displayed on a computer screen
Based on: WAGENNAR, Douglas J. Gamma camera basics. Joint Program in Nuclear Medicine, March 1996. Available at:
Tomographic imaging SPECT Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT) is an imaging technique very similar to the planar imaging described above: it uses a gamma camera that detects the radiation emitted by the absorbed radiopharmaceutical in the organ under observation. Using this technique, however, images can be obtained in planes with different orientations, presented as cuts or reconstructed to show a 3-dimensional image.
31 The large amount of electronic equipment raises the temperature of the examination room, that must be cooled to prevent melting and loss of optical grease. 54 In SPECT acquisition, the images obtained are projections from the source internal to the patient. The detection system rotates around the patient, collecting these projections and storing the information at each angle. The most known form of presentation of these projections is the sinogram, also known as Radon transform, which is a function of the intensities (counts) along the projection angles (FIGURE A2-2).
Figure A2-2 – Sinogram obtained based on the projections of a point source, with acquisitions in the range of 0o to 180o
r φ 00
projection profiles
point source 1800 sinogram
ZANZONICO, Pat. Routine quality control of clinical nuclear medicine instrumentation: a brief review. Journal of Nuclear Medicine, v.49, n. 7, p.1114-1131, Jul. 2008.
The information provided by the sinogram is used to obtain an image of the object in three anatomical planes (coronal, sagittal and axial).32 The greater the number of projections acquired, the better and closer to the original image will be the resulting image.
Positron Emission Tomography For Positron Emission Tomography (PET), a positron-emitting radiopharmaceutical is administered to the patient, and the g photons from the annihilation of a positron with an electron from its vicinity are analyzed. The detection is made by a set of scintillators assembled in a ring (FIGURE A2-3). When there is annihilation, two diametrically opposite photons reach the detectors, generating an electronic signal. This occurs only if the photons move in the plane of the detector ring. Simultaneous pulses on two opposing detectors (coincidence) indicate that annihilation occurred.
32 A coronal plane divides the body into anterior and posterior parts; a sagittal plane divides the body into right and left regions; an axial plane divides the body into upper and lower portions. 55 Figure A2-3 – Schematic of a detection ring for PET analysis
LINKS, Jonathan M. Instrumentation. in: BERNIER, Donald R.; CHRISTIAN, Paul.E.; LANGAN, James K. (ed.). Nuclear Medicine technology and techniques. 3. ed. St. Louis: Mosby-Year Book, Inc., 1994.
The scintillation crystals most used as detectors in PET equipment are BGO (bismuth germanate), LSO (lutetium oxyorthosilicate) and GSO (gadolinium oxyorthosilicate). The image obtained with the PET technique can be distorted since the photons are attenuated as they pass through the patient's body. To correct this effect, the technique is combined with Computed Tomography (CT). In this technique, radiographic images of "slices" of the region of interest are obtained, which can be processed to form a three- dimensional image. The CT provides information on the density of the tissues traversed by the g photons, and the attenuation effects can be adjusted. Figure A2-4 shows a detail of the CT-PET equipment.
Figure A2-4 – CT-PET equipment assembly (Faculdade de Medicina, UFMG, Brazil)
PET detection ring
CT system (emitter and detector) © Regina Carvalho P. 56 Equipment for the research of new radiopharmaceuticals Before approval for human use, new radiopharmaceuticals must be animal tested. Figure A2-5 shows the CT-PET equipment used for radiopharmaceutical tests in small animals.
Figure A2-5 – CT-PET equipment used for small animal tests (CDTN/CNEN, Brazil) © Regina Carvalho P.
The pen next to the equipment gives a scale reference for its opening.
57 A3 - Radiation doses in medical procedures
The doses absorbed in organs can come from external irradiation (in X-ray diagnosis and therapy with linear accelerators or brachytherapy sources) or internal irradiation (with radiopharmaceuticals, both for diagnosis and therapy). When the source of irradiation is external, it is possible to verify the dose absorbed in the target organ. In the case of incorporation of radionuclides, the doses cannot be measured directly in the organs, but it is possible to estimate them based on models or on bio-dosimetrics. Radiation doses absorbed during a medical procedure may give rise to stochastic or deterministic effects of radiation. In general, doses in diagnostic procedures are likely to cause stochastic effects, whereas in therapeutic (treatment) procedures, they may cause controlled deterministic effects. For this reason, patient protection has been emphasized by the International Atomic Energy Agency (IAEA) to ensure the safety of the procedures employed. In every exam that uses ionizing radiation, the dose received by the patient must be taken into account, and must always be the minimum required. The health professional will evaluate the need of the test, the time that must elapse before its repetition, the dose to be administered. The use of more sensitive detectors allows the administration of lower doses, and it is important to evaluate the cost-benefit ratio for the patient. Stochastic effects of ionizing radiation – probability proportional to dose Stochastic effects do not have dose thresholds and occur when the cell is modified by damage to its DNA, but remains viable (i.e., capable of dividing by mitosis), and the damage eventually appears through cell proliferation. The stochastic effects of radiation are cancer after a period of latency of many years (for example, from 2 to 10 years for leukemia and 10 to 40 years for solid tumors) and severe hereditary defects. The risk of cancer depends on the irradiated tissue, and the organs and tissues which are responsible for cellular reproduction are usually more radiosensitive. These effects are strongly dependent on the age of the individual at the time of irradiation and hence on life expectancy. 58 To estimate the probability of stochastic effects in a given population, the effective dose is used. Its unit of measurement is the sievert (Sv), and 1 mSv indicates the probability of occurrence of a stochastic effect for every 100 thousand patients. Deterministic effects of ionizing radiation - severity proportional to dose Deterministic effects occur when there is loss of the organ or tissue function due to cell death or intracellular damage, or loss of the cells’ ability to divide (mitosis). The number of affected cells increases proportionally with the radiation dose, and the functional loss of the tissue becomes evident above a dose threshold, which is characteristic for each type of tissue. In therapies, dose thresholds absorbed in organs or tissues may be purposely exceeded in the target tissue (tumor). Deterministic effects depend on dose rates, where lower rates allow sufficient time for recovery actions (repair mechanisms and cell repopulation). Bone marrow, gonads and eye lenses are the most sensitive tissues for deterministic effects. Dosimetry In terms of diagnostic procedures, the safety conditions are based on routine protocols that use dose estimates for homogeneous groups of patients, established through clinical trials. For radiopharmaceuticals, doses absorbed for each organ or tissue can be estimated using published data or directly measuring radionuclide activity in the human body, by means of Bio-dosimetry methods (collection of biological samples) or of activity quantification through of a set of images. In the case of radiotherapy, the patient's safety and the quality of the treatment are taken into account at the same time; plans are made with complex imaging data so that the dose released in the target volume is the maximum possible while still sparing the adjacent normal tissues. When doses cannot be measured directly, simulators are used, which represent the size and composition of the organs of adults, adolescents or children, based on anatomical studies. By means of these simulators, all the physical interactions of the radiation with the absorber can be calculated and conversion factors may be determined for the administered activity in doses absorbed in organs and tissues. These factors depend on the type of radiation, the energy emitted by interaction, the mass of the target organ and the geometry of the simulators. The availability of data from individuals submitted to CT scans has permitted the development of three-dimensional simulators representing real individuals, not just an average individual within a hypothetical population. Advances in the technology of equipment and imaging systems have improved dosimetry methods. In this way, uncertainties in individual dose estimates can be reduced.
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SUGGESTED READING
The concepts of Nuclear Physics and its applications, discussed in this book, can be found in basic books, such as:
BRIMICOMBE, Michael W. Physics in Focus. Melbourne: Nelson Thornes Ltd., 1990. DENNAN, Suzanne; DECRISTOFORO, Clemens. (ed.). The Radiopharmacy: a Technologist’s Guide. Vienna: European Association of Nuclear Medicine, 2008. HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALK ER, Jearl. Fundamentals of Physics. 10th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2014. v.2. HEWITT, Paul. Conceptual Physics. 12th ed. Boston: Pearson Education, Ltd., 2015. JONES, Edwin R.: CHILDERS, Richard L. Contemporary College Physics. 3d ed. New York: McGraw-Hill, Inc., 2000. REP, Sebastjan et. al. (ed). Radiation Protection and Dose Optimisation: a Technologist’s Guide. Vienna: European Association of Nuclear Medicine, 2016. SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. 8th ed. Belmont: Brookscole, 2009.
Some websites offer information on nuclear energy and its applications:
AUSTRALIAN NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY ORGANISATION. Production and decay of radioisotopes: a resource for NSW HSC chemistry and physics teachers and students. Nov. 2011. Available in:
62 © Rodrigo Gadelha Gontijo
Regina Pinto de Carvalho is a retired professor and researcher of the department of Physics at the Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Brazil, where she has always sought to promote the teaching of Physics at all levels, through advising students or training future teachers and professors. She remains dedicated to this goal, both inside and outside the University, and continues training teachers while also producing texts and books to make the study of Physics more accessible and captivating. Regina was born in Belo Horizonte, in 1950, where she currently lives, after having worked and studied in other cities in Brazil and abroad. She has two children and three grandchildren.
Silvia Maria Velasques de Oliveira holds a degree in Physics and a PhD in Biology. She is a retired researcher at the Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), Brazil, where she worked on the licensing, standardization and inspection of medical and industrial facilities and conducted research in Medical Physics and Individual Dosimetry She acted as a consultant to the International Atomic Energy Agency for the control of radiation sources and has given several courses to students and professionals in Brazil and abroad.
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