REAÇÃO FOTONUCLEAR
Fausto Mafra Neto - MSc pelo DEN - UFMG
Físico do Instituto de Radioterapia São Francisco - MG, Brasil
abril de 2015
Introdução
O objetivo deste trabalho é estudar as interações da radiação eletromagnética com a matéria, em particular as interações foto-nucleares. A energia de um fóton incidente define o tipo de interação que deverá ocorrer.
Três efeitos distintos podem ser produzidos:
Excitação
Ionização
Ativação
No primeiro caso, a interação resulta na emissão de um fóton, enquanto no segundo caso, resulta na emissão de elétron livre.
No terceiro caso, no processo de ativação, temos a emissão de um núcleon decorrente de uma reação:
( gama, n ) ou ( gama, p )
Para emissão de um núcleon, o fóton deve ter energia mínima igual a:
ES – Energia de separação de um núcleon
que é característica de cada elemento alvo.
Para conhecer a energia de separação dos elementos químicos, é necessário conhecer antes a:
EL – Energia de Ligação
Criação do Núcleo Atômico
A energia de ligação pode ser compreendida facilmente. Basta repetir, de forma simulada, os passos da natureza ao criar o núcleo atômico. Tomamos dois prótons que são partículas de mesma massa unitária e cargas elétricas iguais e de mesmo sinal, p+.
Quando aproximamos um próton de outro, forças de repulsão, de natureza elétrica, impedem a união, tornando-se necessário criar um dispositivo, como um grampo, capaz de neutralizar as forças repulsivas.
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O núcleo atômico agora existe, com suas propriedades físicas. Entretanto a figura sugere uma perda de energia:
1 + 1 < 2
A massa perdida equivale a EL – Energia de Ligação.
Cálculo da Energia de Ligação
EL = 1,007277 x Z + 1,008665 x N - Mn
ou
EL = 1,007825 x Z + 1,008665 x N – Ma
Na tabela abaixo temos a seguinte coleção de dados por colunas:
Coluna 1 – Os elementos químicos
Coluna 2 – Percentagem de elementos presentes no corpo humano
Coluna 3 – Número de massa
Coluna 4 – Energia de ligação ( uma )
Coluna 5 – Energia de ligação por núcleon ( uma )
Coluna 6 – Energia de ligação por núcleon ( MeV )
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A representação gráfica , conhecida como curva da estabilidade, relaciona a
EL – energia de ligação com o número de massa.
Energia de Separação
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No modelo aqui adotado para o núcleo atômico, um núcleon pode ser separado desde que um fóton de raio X ou gama, com energia mínima igual ou maior do que a energia de separação, seja aplicado.
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Cálculo da energia de Separação
Como exemplo, calculamos a energia de separação – ES do 2He4.
2He4 - 1p1 ----> 1T3
ES = 1T3 + 1p1 - 2He4
3,016049 + 1,007825 – 4,002603 = 0,02127
ou
19,8 MeV
Conclusão
A representação gráfica acima apresenta a superposição dos dois resultados de EL – energia de ligação, em azul, e da ES – energia de separação, em vermelho e amarelo, como função do número de massa dos elementos químicos.
Com exceção do berilo, que pode ser visto na tabela com uma ES = 1,7MeV, os elementos apresentados mostram um limiar definido em 6MeV.
Os elementos marcados de amarelo representam aqueles que podem ser encontrados no organismo humano, como hidrogênio, carbono, oxigênio, nitrogênio, cloro, sódio e muitos outros. Esses elementos, quando submetidos a feixes de raios X ou gama, com energia suficiente, igual ou maior do que a energia de separação, tornam-se radioativos, com meias vidas características de cada um. Destes, a maioria encontra-se na faixa situada entre 6MeV e 10MeV, faixa de energia de raios X da maioria dos aceleradores lineares utilizados hoje em dia nas Instituições de Radioterapia.
Bibliografia
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GLASSTONE, S., et al - Engenieria de Reatores Nucleares. Barcelona, EDITORIAL REVERTÉ, 1975.
PODGORSAK, E. B., Radiation Oncology Physics: a handbook for teachers and students, IAEA, Viena 2005.