Aplicações pacíficas da Física Nuclear
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Aplicações pacíficas da Física Nuclear

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Após breve descrição de conceitos básicos de Física Nuclear, são apresentadas algumas aplicações importantes desta área: energia nuclear, medicina nuclear, arqueologia e ecologia.

Após breve descrição de conceitos básicos de Física Nuclear, são apresentadas algumas aplicações importantes desta área: energia nuclear, medicina nuclear, arqueologia e ecologia.

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Aplicações pacíficas da Física Nuclear Aplicações pacíficas da Física Nuclear Presentation Transcript

  • Aplicações Pacíficas da Física Nuclear Paulo R. S. Gomes Instituto de Física Universidade Federal Fluminense
  • Estrutura do átomo: elétrons e núcleo com nucleons
  • Átomo: núcleo + elétrons Núcleo: protons + neutrons Isótopos:mesmo no de protons (Z) masdiferente no de neutrons (N).O núcleo é caracterizado porseu Z (elemento) e A = Z + N
  • Aplicações de Física Nuclear MEDICINA ARTE e ARQUEOLOGIA ENERGIA Produção de Análise de feixes de ions radioisótopos Datação radioativa Energia elétrica Aceleradores Terapia do Câncer Aceleradores Tomografia (PET) Transmutação de lixo Pesquisa radioativo Detetores Técnicas Básica em AMBIENTAL Física MATERIAIS Nuclear Climatologia Implantação de ions Propriedades Nucleares ESPACIAIS Nanoestruturas Danos de radiação
  • Energia de Ligação Nuclear A massa de um núcleo de A (protons + neutrons) é menor que a massa de A (protons + neutrons) separados. Como isto é possível? Através da famosa fórmula de Einstein:  E = m c2  Eligação = [ Mnúcleo – (Z mp + N mn )] c2 E daí? Se o núcleo receber energia suficiente, ele se desintegra. (isto acontece em reações nucleares) Se ele se transformar em um núcleo parecido, porém mais ligado, ele libera energia. (isto acontece em decaimento de núcleos radioativos)
  • Núcleos Excitados E se o núcleo receber energia, mas não o suficiente para se romper? Ele fica excitado durante algum tempo, e depois ele decai para o estado de energia mais baixo, de forma análoga a energia potencial gravitacional. Ao se desexcitar, o núcleo emite radiação eletromagnética, chamada de raio gama . (os elétrons atômicos também se excitam e, ao desexcitar emitem radiação eletromagnética chamada raio X)
  • Raios gama Os raios gama, por terem alto poder de penetração na matéria, são de grande utilidade para o homem, ao mesmo tempo que podem ser nocivos. Ao interagir com um material eles podem danificá-lo (ionizá-lo). Se for o nosso corpo, pode danificar células sadias e causar danos devido à “radioatividade”. Não devemos, portanto, ficar perto de núcleos ou fontes que emitem esta radiação. Após a explosão de uma bomba atômica ou acidente em usina nuclear, muitos raios gama são emitidos.
  • Raios gama podem ser benéficos? Por outro lado, os raios gama são usados também para matar células doentes (cancer) e são a base da Medicina Nuclear, que salva tantas vidas. Eles servem também para produzir imagens bem no interior do corpo ou de materiais (muito mais que os raios X), sendo úteis em medicina (tomografia, ressonância magnética nuclear, por exemplo) e indústria (gamagrafia, por exemplo).
  • Núcleos radioativos naturais Núcleos podem se transformar em outros, de forma natural, para ficarem em uma situação de menor energia. Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice versa. Estes núcleos são chamados de radioativos. Eles são formados em reações nucleares devidas a raios cósmicos (natural) ou em laboratórios (artificial).
  • Exemplo de núcleos radioativosnaturais: O Ciclo do Carbono
  • O princípio da datação por 14Ct<0 organismo vivo C(t) =cte.t=0 organismo morre C(t=0)=C0t>0 concentração cai exponencialmente 1.00 0.80 C t   C 0 e  t Concentração C(t)/ C(0) 0.60 1  C t   0.40  t   ln  C  0.20   0   0.00 tempo decorrido (t) meia-vida Concentração inicial em equilíbrio com o meio ambiente
  • Tipos de reações nuclearesHá fortes acoplamentos entre diferentes tipos de reação.
  • Reações nucleares que liberam muita energia
  • Reações de Fusão e Fissão que produzem muita energia Energia de ligação por Reação em cadeia de fissãonucleon, em função de A. nuclear.
  • Energia Nuclear Produção de energia elétrica (reatores nucleares, combustível de navios e submarinos) Bombas de fissão e fusão. Característica: muita energia é liberada na reação nuclear. Exemplo: 1 Kg de 235U = 20.000 ton de TNT ou 300.000 Kw.dia = 2.500 ton de carvão.
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  • Isto é aplicação pacífica? Os russos garantem que sim!!!! Entre 1945 e 1949 só os americanos tinham bomba atômica, e lançaram 2 na única oportunidade que tiveram. A partir de 1949, com outro país tendo bomba, nunca mais nenhuma foi lançada. E agora? De novo só existe uma super-potência que ataca e destrói quem eles querem. Não precisa haver “motivo justificável”. Mas, o assunto da palestra não é este. Isto foi só para mostrar o quanto as interpretações são relativas.
  • Problema consequente de reações de fissão Após uma bomba de fissão (chamada bomba atômica) explodir, ou se houver um grande acidente em usina nuclear, são produzidos raios gama (radiação ambiental) em grande quantidade.
  • Esquemas de usinas termoelétrica convencional e nuclear (fissão)
  • Radiação após acidente em usina nuclear
  • Vantagens da usina nuclear É limpa (se não houver acidentes), pois é a que causa menos danos ecológicos (não polui a atmosfera, não alaga grandes regiões), não causa aquecimento global (efeito estufa). Desvantagens da usina nuclear É cara O combustível um dia vai acabar Em caso de acidente, produz radiação no ambiente. Ainda não há solução para o lixo radioativo, em escala industrial (já se sabe como fazer). As usinas estão sendo desativadas? A Alemanha fechou algumas usinas, e agora compra energia nuclear da França!!!!!!
  • Contaminação após acidenteAo receber radiação gama, ninguém fica radioativo. É comopegar muito Sol. Sofremos queimaduras mas nãoqueimamos outras pessoas. Neste instante, todos nósestamos recebendo radiação. Em um avião se recebe muitomais. O perigo é receber doses altíssimas de radiação.Mas se introduzirmos material radioativo no corpo porrespiração, beber água contaminada, comer alimentos ondematerial radioativo foi depositado, podemos ficar“radioativos”. Exemplo mais claro: acidente de Goiania.
  • Alternativas à Energia Nuclear Só há outras duas fontes de energia em larga escala: a) Energia termo-elétrica (queima de combustíveis fósseis) – causa aquecimento global e polui o ambiente b) Hidroelétricas: causa grandes danos ambientais (alaga grandes regiões) E a eólica e a solar? São em muito pequena escala. São ótimas mas não conseguem abastecer indústrias e grandes cidades.
  • O que fazer com o lixo atômico? Já se tem uma possivel solução. Aceleradores de partículas estão sendo usados para fazer reações nucleares com o material radioativo (lixo atômico), em que os produtos da reação não são radioativos. Outra vantagem é que estas reações liberam energia, que pode ser aproveitada. O problema que persiste é que ainda não se consegue produzir estas reações em quantidade suficiente para acabar com o lixo produzido e já existente.
  • É mais seguro fechar todas as usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas, sem eletricidade, a resposta é sim. Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas se cair, é um grande desastre. Se ocorre um desastre na China, sai em 1a página de jornal. O que realmente se deve fazer é melhorar a segurança das usinas e programas eficientes de evacuação da população.
  • É mais seguro fechar todas as usinas atômicas? Se estamos dispostos a voltar a viver em cavernas, sem eletricidade, a resposta é sim. Caso contrário, é análogo a andar de avião: é o meio mais seguro, onde menos morre gente. Mas se cair, é um grande desastre. Se ocorre um desastre na China, sai em 1a página de jornal. O que realmente se deve fazer é melhorar a segurança das usinas e programas eficientes de evacuação da população.
  • Usinas de 4a geração (para 2030) Estas usinas são chamadas de “intrinsecamente seguras”. Reator arrefecido a gás que utiliza uranio em grãozinhos dentro de esferas de grafite pirolítica. Se o reator parar, o calor residual é absorvido pela corrente de ar. Não precisa de sistema de resfriamento, a temperatura não ultrapassa 1600o C, evitando o perigo de liberação de radioatividade.
  • Solução energética do Mundo (para o futuro) Fusão nuclear de núcleos leves Reações 2H + 2H  3H + 1H (DD) 2H + 3H  4He + n (DT) A matéria prima é a água!!! (Não acaba) A energia por nucleon liberada na reação é muito maior que na fissão. Não há produção de radiação gama. Não há lixo radioativo Dificuldade: para se processar, tem que estar a temperaturas de milhares de graus, em condições controladas. Sem controle já se faz: bomba de hidrogênio, cujo detonador é uma bomba de fissão.
  • Fusão Nuclear no Sol
  • Aplicações em Medicina Tratamento de cancer Imagens para diagnósticos
  • Algumas aplicações em medicina: Tratamento de cancerDestruição de células cancerígenas por irradiação de raiosgama (radioterapia e braquiterapia) e bombardeamento,através de aceleradores, por p, n e ions pesados.
  • Algumas aplicações em medicina: Diagnóstico, mapeador, marcadorMapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens(tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo,verifica localização, tamanho e forma das lesões etc.
  • Alcance (poder de penetração) de diferentes radiaçõesVárias camadas de uma pintura Chapa de raio X•Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram dependemuito de sua energia e do tipo de material.•Partículas carregadas aceleradas penetram muito no material.
  • Funções Básicas da radioterapia- Destruição de células cancerígenas por irradiação de raios gama.- As células a serem destruídas devem receber bem mais radiação que as saudáveis. → a radiação deve convergir no tumor, ou com várias fontes ou rodando as fontes ou paciente.
  • Fontes de radiação para radioterapia- Fontes radioativas muito intensas (60Co (T1/2 = 5 anos) , 137Cs (T1/2 = 30 anos) (fabricadas em reatores ou ciclotrons)- Aceleradores lineares de elétrons (freiados por alvo pesado produzem fotons muito energéticos)- Quase a metade dos aceleradores do mundo são para uso médico
  • Aceleradores de eletrons (fonte de fotons) em radioterapia
  • Limitações da radioterapia com fotons Aceleradores de elétrons produzem fótons. Para Ee = 8 MeV, a absorção exponencial da matéria tem um máximo a 2 – 3 cm de profundidade de tecido soft. A cerca de 25 cm de profundidade, a dose é cerca de 1/3 que no máximo. Pelo tipo de absorção de radiação eletromagnética, células saudáveis são irradiadas. Isto limita a dose absorvida pelo tumor.
  • Como aumentar a dose no tumor? Novo avanço no tratamento de cancer: hadronterapia (com protons e carbono)
  • Características da Hadronterapia Hadron terapia usa hadrons (protons, alfa, núcleos leves) acelerados. Estas partículas carregadas tem pouco espalhamento durante a penetração na matéria e perdem boa parte de sua energia em região bem especifica, pouco antes de parar. Hadrons deixam os tecidos próximos ao tumor mais saudáveis, permitindo tratar o tumor com doses maiores. A profundidade onde haverá a perda de energia (destruição das células) depende da energia do feixe. Pode-se variar a energia do feixe ou colocar material absorvedor no caminho do feixe.
  • Vantagem dos hadrons: perda de energia bem localizada
  • Vantagens da hadronterapia
  • Algumas aplicações em Indústria, Agricultura, meio Ambiente Gamagrafia: por possuir alto poder de penetração, muito maior que raios X, os raios gama são ideais para ensaios não destrutivos de controles de materiais, soldas, fundições etc. è uma técnica amplamente utilizada na indústria. Neutrongrafia: Análogo à gamagrafia, utilizado em materiais de elementos de baixa densidade, como plástico. Agricultura: Obtenção de plantas mais produtivas, resistentes a pragas. Fertilização, produção de vacinas. Esterilização de insetos. Solos: caracterização e diagnóstico de solos, com finalidades de estudos geológicos e de meio ambiente.
  • AMS com 14C Espectrometria de massa com aceleradores Grande fonte de informações no estudo da cronologia dos processos geológicos, biológicos, evolução humana etcMede diretamente a concentração relativa entreisótopos radioativos e estáveis de 14C e 12C.Mede baixíssimas concentrações, de até 1 parte em1015.Faz cronologia de centenas a dezenas de milhares deanos, com altíssima precisão.- Amostras pequenas (ordem de mg): não destrutivo;pode-se ingerir o material a ser estudado.
  • Aplicações de AMS: ArqueologiaRevolucionou a arqueologia e antropologia nas dataçõesde pinturas de cavernas, ossadas primitivas, sítiosarqueológicos, artefatos, igrejas medievais etc. - 14C
  • Idade da ocupação do litoral sudeste do Brasil pelos construtores de sambaquis: Distribuição de sambaquis no Brasil - Antes de nosso trabalho era aceito que a ocupação do litoral sudeste brasileiro ocorreu há cerca de 6.000 anos, e a chegada ao litoral deu-se em Santa Catarina. Depois de nosso trabalho, passou a ser aceita a ocupação há 8.000 anos através do Rio de Janeiro-São Paulo.
  • Datação do Manto Sagrado (Turin Shroud) 3 famosos laboratórios de AMS dataram vários pequenos pedaços do Manto. Resultado: “O Manto Sagrado é uma bela pintura criada em 1355 pra uma nova Igreja necessitando relíquias atraentes”. Rigorosamente não se pode dizer quando foi feito, mas sabe-se que foi entre 1280 e 1390 DC.
  • Não foi dito que havia contaminação e o resultado estava errado? Realmente, se houver contaminação por material recente, com “alta” quantidade de 14C, a mistura total daria uma idade mais nova.No entanto, uma peça de1,8 kg do século Iprecisaria estar misturadacom mais de 3 kg decarbono atual para dar umadata de 1355 DC.
  • Datação de Incêndios na Floresta Amazônica e 14C – AMS na investigação dedeposição de mercúrio em partes remotas da Floresta Amazônica
  • Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro dos Seis Lagos Parque do Pico da Neblina
  • ResultadosInformações sobre clima, temperaturas, periodos secos ouchuvas fortes intermitentes, nível do lago, incêndios, origemda matéria orgânica, mudança na vegetação etc
  • Aplicações Biomédicas de AMS- 14C é um excelente bio-marcador: é introduzido em moléculas e rastreado. Em geral usam-se amostras de sangue e urina.- Estudo de propagação de tumores.- Estudos de anomalias metabólicas: rastreia toxinas e herbicidas em alimentos, estuda o metabolismo e modificações hereditárias.- Estudos de efeitos de poluição (gasolina, cigarros, química, industrial) e suas consequências no ser humano.- Estudos respiratórios, dermatológicos, datação dosimétrica e paleolítica em dentes e ossos.