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PRINCÍPIOS DE RADIOATIVIDADE
RADIOBIOLOGIA
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Estrutura e representação dos átomos
ÁTOMOS
✓ prótons
✓ nêutrons
✓ partículas β- (negatron)
✓ partículas β+ (positrons)
NÚCLEO ÓRBITAS
✓ Eletrons
Energia nuclear
Energia que mantém a ligação de p+ e n
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XA
Z
X símbolo do elemento
Z número atômico (número de prótons)
A número de massa (prótons + nêutrons)
A-Z = N (número de nêutrons)
Átomos
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Elementos químicos naturais
Atualmente, a tabela periódica contem 118 elementos confirmados: do elemento 1(hidrogênio) até o 118 (oganesson).
Os elementos 113 (Nihonium), 115 (Moscovium), 117 (Tennessine) e 118 (Oganesson)foram confirmados oficialmente pela União Internacional de Química Pura e Aplicada(IUPAC), em dezembro de 2015.
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Elementos químicos naturais
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Emissão espontânea de partículas ou energia a partir do núcleo de um átomo
Radioatividade
Radiação
ionização de átomos e moléculas
modificação química
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Radioatividade (Origem)
Natural –
✓ fontes naturais na superfície (“anomalias”)
✓ radiações cósmicas (sol)
Artificial – Fissão e fusão nucleares
Casal Joliot-Curie, Frederic e Irene, demonstrou aexistência do nêutron e descobriu, em 1934, aradioatividade artificial, bombardeando núcleos deboro e alumínio com partículas alfa, o que lhe valeu oprêmio Nobel de Química de 1935.
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Fontes artificiais de radiação
Geradores de Radiação:
✓ Tubo de raios X nos equipamentos de radiodiagnóstico;
✓ Aceleradores de partículas;
✓ Fontes de nêutrons;
✓ Irradiadores com radioisótopos.
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Como usar a energia armazenada no núcleo do átomo?
Fissão nuclear
Bombardeamento de núcleos – transmutação de elementos
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Ex. Urânio 235Reação em cadeia
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Fusão nuclear
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Elementos químicos capazes de produzir radiação
1) ISÓTOPOS
2) ISÔMEROS
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ISÓTOPOS átomos de mesmo elemento químico com massas diferentes
✓ mesmo lugar na classificação periódica dos elementos
✓ mesmo número de prótons
✓ varia o número de nêutrons
Duas classes:
✓ Estáveis não se modificam espontaneamente (não são
radioativos). Ex: C12, N14, O16, ...
✓ Instáveis emitem espontaneamente partículas ou energia
pelo núcleo (radioisótopos). Ex: H3,I125, I131
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Isótopos de urânio
Para a ocorrência de fissão nuclear em cadeia e produção de
energia em um reator nuclear, a amostra de urânio deve ter 32
átomos U235 para 968 U238 (3,2%)
Urânio na natureza - dióxido de urânio (UO2) (99,284% do
isótopo U238; 0,711% do isótopo U235; quantidade desprezível de
U234.
Em 1000 átomos, 7 são U235 e 993 são U238 (0,7 %)
Urânio enriquecido é aquele cujo teor de U235 foi aumentado por
tratamento industrial do isótopo natural.
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O urânio enriquecido tem entre 90% e 99% de U-235. Por essa
altíssima concentração, o produto gera uma energia absurda em
frações de segundo durante a fissão nuclear.
Por isso, o urânio enriquecido é usado nas bombas atômicas.
Alguns gramas dele causam mais destruição do que a observada
em Hiroshima, no Japão, em 1945.
Reator nuclear – 3,2 % / Bomba atômica – 90 %
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor
originada na fissão nuclear
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Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor
originada na fissão nuclear
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Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor
originada na fissão nuclear
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Alguns gramas de urânio enriquecido fornecem energia equivalente à da
queima de toneladas de carvão ou de milhões de litros de gasolina
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor
originada na fissão nuclear
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ISÔMEROS
Possuem mesmo número de prótons e nêutrons, masdiferem no conteúdo de energia do núcleo.
Dois estados:
✓ Metaestáveis (m) excesso de energia.
✓ Fundamental após a emissão de energia
O estado metaestável de um átomo é causado pelaexcitação de um próton ou nêutron no seu núcleo atômico,de modo que estes sofram uma mudança de spin(angulação estrutural) antes que possam liberar suaenergia extra.
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ISÔMEROS conhecidos
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Emissões radioativas - Primárias
Emissão alfa um nuclídeo emite uma partícula e setransforma em outro átomo.
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Emissão beta um nuclídeo emite uma partícula β-
(negatron) ou β+ (positron) e se transforma em outroátomo.
Partícula
Massa de um elétron
β- - elétron
β+ - anti-elétron
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Emissão gama um átomo, após emissão de partícula,sofre rearranjo nuclear e emite radiação gama (energiaeletromagnética).
Não tem carga elétrica
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Captura de elétrons (CE) núcleo absorve elétron daórbita K. Ao chegar no núcleo, o excesso de energia doelétron é emitido como radiação gama ou Raios X.
Emissões radioativas - Secundárias
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Transição isomérica (TI) Emissão de energia gama,após rearranjo energético das partículas intra-nucleares.
Bromo, Tecnécio, Índio
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Captura isomérica (CI) A radiação gama emitida pelo núcleo na transição isomérica é absorvida por elétrons orbitais, que são ejetados.
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Propriedades das emissões radioativas
1) Capacidade de ionização da matéria
2) Capacidade de penetração da matéria
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Propriedades das emissões radioativas
✓ Alfa partícula mais pesada. Altamente ionizante. Mínimapenetração.
✓ Beta massa ínfima. Menos ionizante, porém mais penetranteque a partícula alfa.
✓ Gama radiação menos ionizante de todas, porém altamentepenetrante
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Múltiplos:✓ Kilo elétron volt - keV 103 eV✓ Mega elétron volt - MeV 106 eV✓ Giga elétron volt - GeV 109 eV
Energia das radiações - Elétron volt
Emissões radioativas ELÉTRON VOLT (eV)Alta energia
1 eV = 1,6 x 10-19 J (unidade muito pequena)
Energia cinética adquirida por um átomo acelerado entre 2 pontos cuja diferença de potencial é 1 volt
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Obs: Reações químicas 2 a 10 eV de Energia
keVMeV
Comuns em radioisótopos
usados em Biologia
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Meia - Vida
Radioatividade de um material diminui ao longo do tempo (decaimento).
tempo necessário para a radioatividade cair à
metade
Decaimento do iodo-131
MEIA VIDA (T ½)
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Unidades
Atividade de um radioisótopo – emissões na unidadede tempo
✓ Becquerel (Bq) = 1 desintegração por segundo
✓ Curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq (Referência – 1 grama de Ra226)
✓ Becquerel (Bq) = 2,7 x 10-11 Ci
Atividade específica – atividade x massa
✓ Ci.g-1 = 3,7 x 1010 . g-1
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Dose de radiação (exposição)
✓ Roentgen – r - dose de exposição (quantidade de radiação necessária paraproduzir 1,61o x 1012 pares de íons / kg ar seco a 0°C)
✓ Rem (roentgen equivalent man) - uma unidade de dose de radiação
✓ Sievert - 1 Sv = 100 rem
Dose absorvida (D)
✓ Rad – rd - dose absorvida de radiação (unidade antiga)
✓Gray – Gy – absorção de energia (quantidade de radiação que depositaenergia de 1 joule por kg de massa do material absorvente)
Grandeza Unidade antiga ou especial Unidade SI Equivalência
Atividade (A) Ci (curie) Bq (becquerel) 1 Ci = 37 G Bq
Exposição (X) R (roentgen) Gy (gray) 1 Gy ≈ 100 R
Dose de radiação rem (roentgen equivalent man) Sv (sievert) 1 Sv = 100 rem
Dose absorvida (D) rad (Radiation absorbed dose) Gy (gray) 1 Gy = 100 rad
Dose equivalente (H) Sv (sievert)
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Radiações ionizantes e excitantes
Alta frequência Baixa frequência
✓ Radiações ionizantes Raios X e raios gama (possuem energiasuficiente para ionizar a matéria)
✓ Radiações excitantes Raios ultra violeta (U. V.)
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Raios-X: Duros (muito energéticos); Médios e Moles (poucoenergéticos)
Raio X - propriedades
Tecido a ser radiografado
Tecido duro
Tecido mole
Tecido oco
Classificação – dependendo da capacidade de penetração da
radiação no tecido:
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As cinco densidades radiográficas:
A propriedade que têm os raios x de atravessar a matéria com diferentes remoções
dependendo da substância e do seu estado físico faz com que no corpo possamos
encontrar cinco densidades fundamentais.
- Ar (preto) a menor absorção de raio-X. Engloba o ar ou outro gás que nos
encontremos dentro do organismo. Exemplo: pulmões, tubo digestivo.
- Gordura (cinza): absorve algo mais de radiação. Nós a encontramos entre os
músculos, no abdômen cercando as vísceras.
- Água (cinza pálido): é a densidade normal dos tecidos moles e / ou dos órgãos
cheios de líquido. Coração, fígado, baço bexiga urinária, músculos, sangue.
- Osso (branco): grande absorção. Ossos, cartilagens calcificados.
- Metal (branco absoluto): Não existe no organismo. Bário, iodo, corpos estranhos
metálicos.
- Terminologia Radiológica de acordo com o tipo de densidade.
- Rádio Lúcido: objetos ou tecidos que são totalmente penetrables pelos raio-X.
Cor Preta: ar densidade: Ar.
- Rádio Opaco: objetos ou tecidos que são total ou parcialmente impenetráveis pelos
raio-X.
Opacidade branca brilhante: meio de contraste, metal: densidade metálica.
Opacidade Branca: osso densidade óssea: Cálculos.
Opacidade cinza: músculos, gordura, líquidos, massas, pneumonia, órgãos sólidos.
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Usos da luz UV/ benefícios:
✓ Acelerar reações fotossensíveis
✓ Esterilização (UVB)
✓ Luz negra (leitores óticos, lanternas)
✓ Germicida
✓ Polimerização de resinas
✓ Emprego terapêutico (fototerapia)
✓ Síntese de vitamina D (raquitismo)
✓ Antidepressivo “sazonal” (serotonina)
Luz Ultra-Violeta (UV) - Energia excitante
energizando o átomo (calor, radiação γ ou X, eletricidade) -
elétrons absorvem energia e saltam para orbitais mais externas.
Na volta, a energia é devolvida como luz UV.
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Radiação UV - principal fonte - sol (a porção UV < 10% de sua
energia total).
- Toda radiação com comprimento de onda menor que 400nm.
- O espectro UV é subdivido em faixas:
• UVA para 320 -400nm,• UVB para 280 - 320nm,• UVC para 200 - 280nm.
UVC - Praticamente todo absorvido pelo ozônio. Pouquíssimo ounada chegam à biosfera.
UVB - Boa parte é absorvida pelo ozônio. A faixa dos maiorescomprimentos é espalhada e atenuada, mas mesmo assim chega àbiosfera.
UVA - Não é absorvida pelo ozônio. É a parte UV que mais atinge abiosfera.
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Estudo dos efeitos das emissões radioativas na Natureza,
especialmente nos seres vivos.
Radiobiologia
Radiação de fundo - ambiental
Jazidas
Brasil
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Emissões radioativasagem nos sistemas biológicos
Formação de íons e
radicais livres na matéria
Radicais reagem em caminhos metabólicos
diferentes dos normais
Resultados biológicos
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✓Ação direta radiação choca-se diretamente com asmoléculas biológicas (DNA, proteínas, lipídeos, etc)
✓ 20 % do efeito total
Mecanismos do efeito biológico das radiações
proteína
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Mecanismos do efeito biológico das radiações
✓Ação indireta radiação é absorvida pela água, formação
de radicais muito reativos – lesão de biomoléculas.
✓ 80 % do efeito total
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Efeitos biológicos das radiações
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Níveis estruturais e efeitos das radiações
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Níveis estruturais e efeitos das radiações
✓ Níveis SUPRAMOLECULARES:
sensibilidade diferencial para células etecidos.
✓ Nível MOLECULAR (lesões).
Podem:
✓ Limitar-se a uma estrutura.
✓ Ser reversível ou irreversível.
✓ Ser transmitida geneticamente (mutações).
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Níveis estruturais e efeitos das radiações
✓ Níveis supramoleculares sensibilidade diferencialpara células e tecidos.
Muito sensíveis Medianamente sensíveis Menos sensíveis
1.0 – Tecido Hematopoiético
(Linfócitos, Eritroblastos)
3.0 – Células Endoteliais 6.0 – Células Ósseas
2.0 – Células Epiteliais
(Testículo, Ovário e Pele)
4.0 – Tecido Conectivo 7.0 – Células Nervosas
5.0 – Células Tubulares dos Rins 8.0 – Células Musculares
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Radiossensibilidade animal é maior
✓ animais mais jovens
✓ mais evoluídos na escala zoológica + sensíveis.
Fatores de sensibilidade tissular. Ordem decrescente
1. Maior quantidade de água 3. Taxa elevada de reprodução
2. Maior concentração de DNA 4. Baixo grau de diferenciação celular
(indivíduos mais jovens)
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Radioisótopos
Aplicações
✓ Uso diagnóstico
Medicina nuclear ✓ Uso terapêutico
✓ Agricultura (pesquisa, melhoramento)
✓ Indústria de alimentos
✓ Indústria
✓ Pesquisa médica / biológica (estudos ambientais)
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Uso diagnóstico
Radioisótopos administrados a pacientes emitem radiação do
órgão onde se concentram.
Iodo-131 (I-131) - emite partícula beta, radiação gama e tem meia-
vida de oito dias.
O iodo é absorvido preferencialmente pela
glândula tireoide, onde se concentra.
O paciente ingere solução de I-131 (absorvido
pela glândula),
Um detector na frente do pescoço do paciente
registra a distribuição / concentração do iodo
em relação ao um padrão.
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Uso diagnóstico
Tecnécio-99 (Tc-99m) - utilizado para mapeamento de diversos
órgãos (cintilografia) :
• cintilografia renal, cerebral, hepato-biliar (fígado), pulmonar e
óssea, de placenta.
• diagnóstico do infarto agudo do miocárdio / estudos circulatórios;
Samário-153 (Sm-153) – aplicado em pacientes com metástase
óssea (paliativo para a dor).
Os radiofármacos usados em medicina no Brasil são, em grande
parte, produzidos pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e
Nucleares - IPEN, em São Paulo.
Distribuídos regularmente aos usuários.
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Uso terapêutico
Radioterapia – contra células cancerosas.
Fontes radiativas de césio-137 e cobalto-60 - usadas para
destruir células de tecidos neoplásicos (mais sensíveis à
radiação que dos tecidos sadios - radiosensibilidade).
Aparelho de radioterapia mais conhecido - Bomba de Cobalto -
fonte cobalto-60 (Co-60), encapsulada e blindada.
Fonte de césio-137 - substituída pela de Co-60 - maior
rendimento terapêutico.
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Uso na indústria de alimentos/agricultura
Uma aplicação importante - irradiação para a conservação de
produtos agrícolas (batata, cebola, alho e feijão).
Batatas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano
sem murcharem ou brotarem.
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Uso na indústria de alimentos/agricultura
Cebolas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano
sem murcharem, brotarem ou apodrecerem.
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Uso na pesquisa biológica
Estudos ambientais/agricultura
O uso de traçadores radioativos possibilita o estudo do
comportamento de insetos, como abelhas e formigas.
Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, passam
a “emitir radiação”, e seu “raio de ação” pode ser acompanhado.
No caso de formigas, descobre-se onde fica o formigueiro e, no
caso de abelhas, até as flores de sua preferência.
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Uso na pesquisa biológica
Estudos ambientais/agricultura
“Marcação” de insetos - útil para eliminação de pragas.
Identifica que predador se alimenta de determinado inseto
indesejável. Neste caso, o predador é usado em vez de
inseticidas.
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Uso na pesquisa biológica
Estudos ambientais/agricultura
Outra forma de eliminar pragas - esterilizar machos
por radiação gama - soltá-los no ambiente para
competirem com os normais,
- redução sucessiva da reprodução, até a eliminação
da praga, sem poluição com produtos químicos.
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Uso na pesquisa biológica
Fósseis de madeira, papiros e animais contêm C-14 (meia-
vida - 5.600 anos). Ou seja, a cada 5.600 anos, a atividade
do C-14 é reduzida à metade. Medindo-se a proporção de C-
14 ainda presente é possível saber a “idade” do material.
Exemplo - determinação da idade dos Pergaminhos do
Mar Morto.
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Uso na pesquisa biológica
Estudo de processos que ocorrem nos sistemas biológicos.
Podem ser usados sob duas formas:
• Radionuclídeos - efeitos biológicos relacionados ao
próprio nuclídeo (H3, C14, Na24, I131). Ex: transporte de
sódio, metabolismo do ferro.
• Radiocompostos (Radiofármacos) - radionuclídeos
incorporados em moléculas. Permite verificar o que
aconteceu com o composto. Ex: metabolismo da glicose.
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Uso na indústria
Gamagrafia industrial - aplicação de radioisótopos -
radiografia de peças metálicas.
Fabricantes de válvulas – gamagrafia para Controle da
Qualidade - defeitos ou rachaduras no corpo das peças.
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Uso na indústria
As empresas de aviação fazem inspeções frequentes nos
aviões, para verificar se há “fadiga” nas partes
metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço
(asas e turbinas) - gamagrafia.
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Uso na indústria (farmacêutica)
Uso de fontes radioativas – esterilização de seringas,luvas cirúrgicas, gaze e material farmacêuticodescartável, em geral.
Seria praticamente impossívelesterilizar, pelos métodosconvencionais (altas temperaturas),tais materiais, que se deformariamou se danificariam.
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