O documento discute vários tópicos relacionados à física nuclear e suas aplicações pacíficas. Ele aborda a estrutura do átomo, reações nucleares, tipos de radiação, energia nuclear, usinas nucleares, radioterapia e outras aplicações da física nuclear em medicina e outros campos. O documento também discute os riscos da energia nuclear e possíveis soluções para o lixo radioativo e acidentes nucleares.

1. Aplicações Pacíficas da Física
Nuclear
Paulo R. S. Gomes
Instituto de Física
Universidade Federal Fluminense

2. Estrutura do átomo: elétrons e núcleo
com nucleons

3. Átomo: núcleo + elétrons
Núcleo: protons + neutrons
Isótopos:
mesmo no de protons (Z) mas
diferente no de neutrons (N).
O núcleo é caracterizado por
seu Z (elemento) e A = Z + N

4. 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

5. 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)

6. 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)

7. 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.

8. 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).

9. 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).

10. Exemplo de núcleos radioativos
naturais:
O Ciclo do Carbono

11. O princípio da datação por 14C
t<0 organismo vivo C(t) =cte.
t=0 organismo morre C(t=0)=C0
t>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

12. Tipos de reações nucleares
Há fortes acoplamentos entre diferentes tipos de reação.

13. Reações nucleares que liberam muita energia

14. Reações de Fusão e Fissão
que produzem muita energia
Energia de ligação por Reação em cadeia de fissão
nucleon, em função de A. nuclear.

15. 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.

16. ????????

17. 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.

18. 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.

19. Esquemas de usinas termoelétrica convencional e
nuclear (fissão)

21. Radiação após acidente em usina nuclear

22. 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!!!!!!

23. Contaminação após acidente
Ao receber radiação gama, ninguém fica radioativo. É como
pegar muito Sol. Sofremos queimaduras mas não
queimamos outras pessoas. Neste instante, todos nós
estamos recebendo radiação. Em um avião se recebe muito
mais. O perigo é receber doses altíssimas de radiação.
Mas se introduzirmos material radioativo no corpo por
respiração, beber água contaminada, comer alimentos onde
material radioativo foi depositado, podemos ficar
“radioativos”. Exemplo mais claro: acidente de Goiania.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. Fusão Nuclear no Sol

31. Aplicações em Medicina
 Tratamento de cancer
 Imagens para diagnósticos

32. Algumas aplicações em medicina:
Tratamento de cancer
Destruição de células cancerígenas por irradiação de raios
gama (radioterapia e braquiterapia) e bombardeamento,
através de aceleradores, por p, n e ions pesados.

33. Algumas aplicações em medicina:
Diagnóstico, mapeador, marcador
Mapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens
(tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo,
verifica localização, tamanho e forma das lesões etc.

34. Alcance (poder de penetração) de diferentes
radiações
Várias camadas de uma pintura Chapa de raio X
•Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram depende
muito de sua energia e do tipo de material.
•Partículas carregadas aceleradas penetram muito no material.

35. 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.

36. 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

37. Aceleradores de eletrons (fonte de
fotons) em radioterapia

38. 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.

39. Como aumentar a dose no tumor?
 Novo avanço no tratamento de cancer:
hadronterapia (com protons e carbono)

40. 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.

41. Vantagem dos hadrons: perda de energia
bem localizada

42. Vantagens da hadronterapia

43. 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.

44. AMS com 14C
Espectrometria de massa com aceleradores
 Grande fonte de informações no estudo da cronologia dos
processos geológicos, biológicos, evolução humana etc
Mede diretamente a concentração relativa entre
isótopos radioativos e estáveis de 14C e 12C.
Mede baixíssimas concentrações, de até 1 parte em
1015.
Faz cronologia de centenas a dezenas de milhares de
anos, com altíssima precisão.
- Amostras pequenas (ordem de mg): não destrutivo;
pode-se ingerir o material a ser estudado.

45. Aplicações de AMS: Arqueologia
Revolucionou a arqueologia e antropologia nas datações
de pinturas de cavernas, ossadas primitivas, sítios
arqueológicos, artefatos, igrejas medievais etc. - 14C

46. 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.

47. 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.

48. 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 de
1,8 kg do século I
precisaria estar misturada
com mais de 3 kg de
carbono atual para dar uma
data de 1355 DC.

49. Datação de Incêndios na Floresta
Amazônica
e
14C – AMS na investigação de
deposição de mercúrio em partes
remotas da Floresta Amazônica

50. Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro
dos Seis Lagos
Parque do Pico da Neblina

51. Resultados
Informações sobre clima, temperaturas, periodos secos ou
chuvas fortes intermitentes, nível do lago, incêndios, origem
da matéria orgânica, mudança na vegetação etc

52. 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.