Radiação ionizante

Autor: 
Cely da Silva

A radiação pode ser caracterizada como ionizante e não-ionizante, sendo a principal diferença entre elas a energia e portanto a freqüência ou, se você preferir, o comprimento de onda.

A radiação não-ionizante (parte da eletromagnética) é caracterizada por não possuir energia suficiente para arrancar elétrons dos átomos do meio por onde está se deslocando, mas tem o poder de quebrar moléculas e ligações químicas. Dessa radiação fazem parte os tipos: radiofreqüência, infravermelho e luz visível.

A radiação ionizante é definida como aquela que tem energia suficiente para interagir com os átomos neutros do meio por onde ela se propaga. Em outras palavras: essa radiação tem energia para arrancar pelo menos um elétron de um dos níveis de energia de um átomo do meio, por onde ela está se deslocando. Assim esse átomo deixa de ser neutro e passa a ter uma carga positiva, devido ao fato de que o número de prótons se torna maior que o de elétrons. O átomo neutro se torna um íon positivo.

A radiação ionizante pode ser classificada em dois grupos: aquela que tem carga elétrica associada e a neutra. Alguns tipos de radiação corpuscular como partículas alfa e beta, elétrons e prótons possuem carga, assim se referem ao primeiro grupo, já o nêutron é uma partícula sem carga e por este motivo se enquadra no segundo. Alguns tipos de radiação eletromagnética também são ionizantes, como os raios UV, X e gama, mas como não possuem carga também fazem parte da segunda categoria.

As diferenças entre cada tipo estão no método de produção, no poder de penetração e na interação com a matéria. Com relação a este último item podemos afirmar que as partículas eletricamente carregadas interagem diretamente com a matéria, produzindo ionização direta, já as partículas neutras e os fótons (não possuem carga e têm massa de repouso nula) das ondas eletromagnéticas provocam ionização indireta. Por exemplo, um nêutron, com uma determinada quantidade de energia, interage com o núcleo de um átomo do meio por onde passa, transferindo toda ou parte de sua energia.

O núcleo em recuo, por ser carregado, vai provocar os efeitos. Assim, o nêutron indiretamente provoca a ionização do material. Dessa forma ele pode ser considerado uma partícula ionizante. Pode acontecer de partículas não carregadas e ondas eletromagnéticas não interagirem com nenhum átomo do meio por onde se propagam. As partículas carregadas sempre vão interagir e perder energia gradativamente.

O poder de penetração da radiação ionizante está diretamente relacionado com a energia inicial que ela tem e com a interação que ela sofre durante seu movimento. Por exemplo, a partícula alfa possui duas cargas positivas, dessa forma ela perde energia para os átomos do meio muito rapidamente e isto implica em um alcance bem pequeno (no ar não ultrapassa alguns centímetros e no corpo humano chega somente à superfície da pele). Essa partícula também pode ser considerada pesada em comparação às demais, assim se movimenta em linha reta, e tem alto poder de ionização, ou seja, ela deposita grande quantidade de energia por centímetro que percorre (grande densidade de ionização).

A partícula beta tem apenas uma carga positiva e massa pequena, assim não se movimenta em linha reta e sua interação com a matéria é menor que a da alfa, resultando num alcance de aproximadamente 1 metro no ar. O poder de ionização da partícula beta é mais baixo do que o da alfa e sua densidade de ionização é baixa.

Como mencionado anteriormente os nêutrons são partículas eletricamente neutras, com isso seu poder de ionização é pequeno e mesmo ionizando o meio por onde estão se propagando seu poder de penetração é muito grande. Materiais ricos em hidrogênio como a água e a parafina servem como blindagem para os nêutrons.

Neste ponto você pode estar se perguntando: Se os nêutrons são freados por um elemento tão leve como o hidrogênio, por que eles têm alto poder de penetração? Isto ocorre porque o poder de penetração de uma partícula (ou radiação) está diretamente relacionado com a energia que ela perde quando se propaga por um material.

Através da força elétrica isso pode ocorrer mais facilmente, mas no caso dos nêutrons esta força não age, pois eles são neutros. Nesse caso a única forma de transmitirem sua energia é através de colisões. Se a colisão for elástica um nêutron consegue transferir parte de (ou toda) sua energia para um átomo e assim diminuir seu alcance.

Como a colisão elástica é favorecida quando os dois integrantes possuem massas muito parecidas, o átomo com melhor possibilidade de “parar” o nêutron será o hidrogênio (possui apenas um próton em seu núcleo). Dados da literatura mostram que são necessárias 18 colisões elásticas em um material composto de hidrogênio para diminuir significativamente a energia de um nêutron, já se o material for composto de oxigênio este número aumenta para 152, enquanto que podem ocorrer até 2.172 colisões se o material for composto de urânio.

A ionização que os fótons dos raios X e gama provoca na matéria é indireta, pois primeiro eles promovem a criação ou a aniquilação de elétrons ou de pósitrons, que por sua vez ionizam a matéria. Essa interação ocorre através de diferentes mecanismos, entre eles os efeitos fotoelétrico e Compton e a produção de pares.

O esquema mostra as quatro radiações mais ionizantes e o poder de penetração de cada uma.

Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico ocorre quando um fóton transfere toda a sua energia para um dos elétrons das camadas mais internas de um átomo do meio no qual o fóton incide e essa transferência de energia faz com que o elétron seja arrancado de sua órbita atômica. O elétron ejetado passa a ionizar o meio. Esse efeito é predominante para fótons de baixa energia e para átomos com número atômico (Z) alto, assim utiliza-se para blindagem de raios X e gama de baixa energia materiais com elementos de Z alto, como o chumbo.

Efeito Compton

O efeito Compton, observado pela primeira vez por Arthur Compton em 1923, acontece quando um fóton incidente é desviado de sua trajetória por um elétron situado em uma órbita mais externa de um dos átomos do meio no qual ele incidiu. A transferência de energia do fóton para o elétron é parcial, assim o fóton continua transferindo sua energia para outros elétrons. Os elétrons ejetados passam a ionizar a matéria. O efeito Compton é predominante para radiações com energias intermediárias.

Produção de par

A produção de par ocorre quando um fóton incidente interage com um núcleo atômico do material por onde se propaga, transformando-se em um elétron e um pósitron (o par formado por uma partícula e sua antipartícula). Para a produção de um par ocorrer é necessário que o fóton tenha energia maior ou igual a 1.022 keV (quiloelétrons-volt), a saber: a energia de repouso do elétron é igual a 511 keV.

As partículas são criadas simultaneamente em sentidos opostos. O elétron criado pode continuar ionizando o meio, já o pósitron se recombina com um elétron livre do meio, emitindo dois fótons e estes tem a capacidade de continuar ionizando o meio. A criação de pares ocorre para altas energias e elementos de Z elevado.

Usos

Como a radiação ionizante tem o poder de interagir com a matéria por onde passa, pode ser utilizada em diversas áreas, entre elas:

  • na conservação de alimentos – hoje muitos alimentos são conservados através da incidência de radiação ionizante sobre eles. A conservação dos alimentos, através deste método, depende da intensidade da radiação. Quanto maior a intensidade, maior o tempo de duração do produto e menores os cuidados adicionais de conservação que devem ser tomados. Como exemplo podemos citar experiências em que produtos cárneos irradiados e devidamente acondicionados passam a ter prazo de validade indeterminado, mesmo sendo conservados em temperatura ambiente. Incidindo-se um valor menor de radiação sobre um alimento é possível reduzir sensivelmente o número de bactérias patogênicas. No caso de alimentos frescos a dose usada pode ser ainda menor, mesmo assim aumenta o tempo de maturação de frutas e verduras, auxiliando na distribuição dos mesmos;

  • na medicina nuclear – através de tratamentos terapêuticos, como a radioterapia, e na esterilização de materiais cirúrgicos (como luvas, seringas, etc.), eliminando bactérias por meio de radiação. Este método pode ser prejudicial para alguns materiais como o plástico, pois quando irradiado pode ter sua estrutura molecular modificada de modo que se torna quebradiço;
  • em exames diagnósticos (como o raio X, o PET e os traçadores radioativos);
  • na agricultura – onde algumas técnicas conseguem obter novas variedades de plantas, através da irradiação de semente e plantas. Também no controle e eliminação de insetos, esterilizando os machos por meio da irradiação;
  • na indústria do petróleo – usando a radiografia e a gamagrafia para detectar descontinuidade em chapas e tubulações;
  • no estudo da poluição atmosférica – isto é feito utilizando-se o método PIXE (Particle Induced X ray Emission), que consiste em irradiar com prótons ou partículas alfa uma amostra de ar coletado;
  • na medição da espessura e densidade de materiais, na medição de nível de líquidos e na detecção de fumaça – a primeira baseia-se no fato de que a radiação que atravessa o material pode perder energia ou sofrer espalhamento antes de ser detectada. Assim a quantidade de radiação que chega ao detector pode fornecer informações sobre a espessura e a densidade do material. A medição do nível de um líquido também utiliza radiação ionizante e um detector. Nos detectores de fumaça o princípio utilizado é parecido com o da determinação da espessura;
  • na geração de energia – através de reatores nucleares.

Existe uma série de outras aplicações para radiações ionizantes, que não apresentaremos aqui, mas que podem ser encontradas na Internet, em livros e em apostilas. Pelo que vimos, o uso desse tipo de radiação trouxe uma grande melhora na qualidade de vida das pessoas, mas sempre devemos ter em mente que a diferença entre o uso seguro ou inseguro de uma fonte radioativa depende de alguns fatores. Na próxima seção vamos aprender alguns detalhes a esse respeito.