Radiação

Radiação
Comparação esquemática da penetração de partículas alfa, partículas beta e radiação gama em diferentes materiais.
Símbolo internacional de advertência para a presença de radiação ionizante. A radiação, em sentido geral, também ocorre na natureza sob formas como a luz e o som.
Fenômeno fenómeno físico
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Na física, radiação é a emissão ou transmissão de energia na forma de ondas ou partículas através do espaço ou de um meio material. O termo abrange:

Radiação não é sinônimo de radioatividade. A radioatividade é a propriedade de núcleos instáveis de se transformarem espontaneamente com emissão de radiação, e a atividade de uma amostra mede a taxa dessas transformações. A radiação também pode ser produzida sem o uso de material radioativo, como ocorre em geradores de raios X e aceleradores de partículas.

A distinção entre ondas e partículas tem limites na mecânica quântica. A luz pode produzir padrões de interferência e ser detectada em unidades discretas, os fótons. Feixes de elétrons também podem produzir interferência, embora cada elétron seja detectado individualmente. Esse comportamento é chamado de dualidade onda-partícula.

A radiação costuma ser classificada como ionizante ou não ionizante, conforme sua capacidade de produzir íons na matéria. A energia necessária para ionizar um átomo ou uma molécula depende da espécie e de seu estado. Valores da ordem de 10 elétrons-volt, eV, são uma aproximação, não um limiar universal. A ionização também pode ocorrer indiretamente, pela ação de partículas secundárias. Alterações em ligações químicas e danos biológicos podem ocorrer sem ionização. Uma fonte comum de radiação ionizante são os materiais radioativos, que emitem radiação α, β ou γ, constituída, respectivamente, por núcleos de hélio, elétrons ou pósitrons, e fótons. Outras fontes são os raios X usados em exames de radiografia e os múons, mésons, pósitrons, nêutrons e outras partículas dos raios cósmicos secundários, produzidos quando os raios cósmicos primários interagem com a atmosfera terrestre.

Os raios gama, os raios X e a faixa de maior energia do ultravioleta compõem a parte ionizante do espectro eletromagnético. Ionizar um átomo significa retirar dele um ou mais elétrons, processo que exige as energias relativamente altas dessas ondas eletromagnéticas. Na parte de menor energia do ultravioleta, a absorção de fótons pode danificar moléculas mesmo sem ionizá-las. A queimadura solar é um exemplo de dano causado por ultravioleta não ionizante. A luz visível, o infravermelho e as micro-ondas têm maior comprimento de onda e menor energia por fóton. Sua absorção pode provocar excitação eletrônica, movimentos moleculares ou aquecimento, conforme a frequência e o material. A transferência de energia por radiação térmica é uma forma de transferência de calor. As ondas de rádio de baixa intensidade geralmente não provocam danos biológicos, embora exposições intensas possam aquecer e lesar os tecidos. Os efeitos não têm limites perfeitamente definidos entre as faixas de frequência. A luz visível intensa, por exemplo, pode causar lesões fotoquímicas ou térmicas na retina.

A palavra "radiação" vem do fenômeno de ondas que se irradiam de uma fonte, ou seja, que se propagam para fora, em todas as direções. Esse comportamento permite estabelecer medidas e unidades físicas aplicáveis aos diferentes tipos de radiação. Para uma fonte pontual que emite igualmente em todas as direções, sem absorção ou espalhamento no percurso, a potência recebida por unidade de área diminui com o quadrado da distância à fonte, conforme a lei do inverso do quadrado. Para a radiação eletromagnética, essa grandeza é a irradiância. A aproximação de fonte pontual exige distâncias grandes em relação às dimensões da fonte.

Mecanismos de emissão

Diagrama dos tipos de radiação

A radiação eletromagnética pode ser produzida por processos físicos diferentes. Cargas elétricas aceleradas emitem ondas eletromagnéticas, princípio usado nas antenas de transmissão. Elétrons de alta energia desacelerados ao atingir um material produzem Bremsstrahlung, enquanto partículas carregadas desviadas para trajetórias curvas podem emitir radiação síncrotron.

Transições de elétrons entre níveis de energia também liberam fótons. Uma transição para uma camada eletrônica interna pode produzir raios X característicos. Núcleos excitados podem liberar energia na forma de fótons gama, e decaimentos nucleares também podem emitir partículas alfa ou beta.

Radiação ionizante

Alguns tipos de radiação ionizante podem ser detectados em uma câmara de nuvens.

A radiação com energia suficiente pode ionizar átomos, arrancando elétrons e formando íons. Quando um elétron é removido da eletrosfera, o átomo fica com carga elétrica líquida positiva. Esse processo pode danificar células vivas e seu DNA, e a exposição à radiação ionizante aumenta o risco de câncer. A categoria "radiação ionizante" reúne formas de radiação corpuscular e eletromagnética capazes de produzir ionização. Uma única célula contém trilhões de átomos, mas apenas uma pequena fração deles é ionizada em exposições de intensidade baixa ou moderada. O risco de desenvolvimento de câncer depende da dose absorvida, da taxa de dose, do tipo de radiação e dos tecidos irradiados, além de fatores como a idade da pessoa exposta. A dose equivalente e a dose efetiva são grandezas usadas na proteção radiológica para considerar o tipo de radiação e a sensibilidade dos tecidos.

Quando a fonte é um material radioativo ou um processo nuclear, como a fissão ou a fusão, também pode haver emissão de radiação corpuscular. Ela é formada por partículas subatômicas que transportam energia e momento linear, algumas a velocidades próximas à da luz. Partículas carregadas podem ionizar a matéria por interações elétricas com os elétrons dos átomos. Os nêutrons não têm carga elétrica e provocam ionização indiretamente, por meio dos produtos de suas interações nucleares. Entre as partículas emitidas estão as partículas alfa, as partículas beta, os nêutrons e os prótons. Nas energias usuais de decaimento radioativo, partículas alfa e beta geralmente têm menor alcance que os raios X e gama. Não existe, porém, uma ordem de penetração válida para todas as energias e materiais.

Grande parte da radiação ionizante vem de materiais radioativos e do espaço, na forma de raios cósmicos. Ela está presente no ambiente, pois a maioria das rochas e dos solos contém pequenas concentrações de materiais radioativos. Como é invisível e não pode ser percebida diretamente pelos sentidos humanos, sua detecção costuma exigir instrumentos, como o contador Geiger. Em certas situações, a interação com a matéria produz luz visível, como no efeito Cherenkov e na radioluminescência.

Relações entre a radioatividade e a radiação ionizante detectada.

A radiação ionizante tem aplicações na medicina, na pesquisa e na construção, mas oferece riscos à saúde quando usada de maneira inadequada. A exposição pode danificar tecidos vivos. Doses elevadas de radiação penetrante recebidas pelo corpo inteiro ou por grande parte dele em pouco tempo podem causar síndrome aguda da radiação, com danos à medula óssea, ao sistema digestório e, nos casos mais graves, morte. A exposição intensa também pode provocar lesões localizadas, como queimaduras e queda de cabelo. Mesmo doses menores podem aumentar a probabilidade de câncer e de danos genéticos. O câncer de tireoide merece atenção quando a exposição envolve produtos de fissão de armas ou reatores nucleares, pois o iodo-131 radioativo pode se acumular nessa glândula. A estimativa exata do risco de câncer envolve incertezas. Entre os dados usados estão os de pessoas expostas aos bombardeamentos de Hiroshima e Nagasaki e os do acompanhamento de acidentes em reatores, como o acidente nuclear de Chernobil. A Comissão Internacional de Proteção Radiológica reconhece as "incertezas e a falta de precisão dos modelos e dos valores dos parâmetros". A comissão afirma que "a dose efetiva coletiva não se destina a ser uma ferramenta de avaliação de risco epidemiológico, e seu uso em projeções de risco é inadequado" e que, em particular, "deve-se evitar o cálculo do número de mortes por câncer com base em doses efetivas coletivas resultantes de doses individuais triviais".

Radiação ultravioleta

A radiação ultravioleta com comprimentos de onda entre 10 e 200 nm é fortemente absorvida pelos gases atmosféricos. A parte de maior energia dessa faixa pode ionizar moléculas do ar. A faixa também é chamada de ultravioleta de vácuo, pois é fortemente absorvida pelo ar e costuma ser estudada em sistemas evacuados. A radiação ultravioleta ionizante praticamente não atravessa a atmosfera terrestre. Embora exista no espaço, ela não alcança os organismos na superfície da Terra.

Nos estudos dos efeitos do ultravioleta sobre a saúde, a faixa entre 100 e 400 nm é dividida em UV-A, de 315 a 400 nm, UV-B, de 280 a 315 nm, e UV-C, de 100 a 280 nm. A radiação UV-A constitui cerca de 95% do ultravioleta que chega à superfície terrestre.

Gráfico da concentração de ozônio com a altitude e da penetração das faixas de radiação ultravioleta.
Perfil vertical de ozônio e penetração das faixas UV-A, UV-B e UV-C na atmosfera. A radiação solar UV-C não alcança a superfície, e grande parte da UV-B é absorvida.

A camada de ozônio, concentrada entre cerca de 15 e 30 km de altitude na estratosfera, absorve grande parte da radiação ultravioleta nociva. A atmosfera impede a passagem da radiação UV-C e absorve boa parte da UV-B. Parte do ultravioleta que chega ao solo não é ionizante, mas ainda pode causar danos biológicos. Seus fótons têm energia suficiente para excitar elétrons em moléculas biológicas e provocar reações indesejadas. Um exemplo é a formação de dímeros de pirimidina no DNA, observada mesmo após exposição à radiação UV-A, que é não ionizante. Por esse motivo, o ultravioleta pode causar alguns dos danos biológicos da radiação ionizante sem que haja ionização. A ausência de ionização não estabelece, por si só, a gravidade de uma exposição. Os efeitos da luz visível e do infravermelho também dependem do comprimento de onda, da intensidade e do tecido atingido.

Raios X

Esquema de uma ampola de raios X, com cátodo, ânodo e circuito de refrigeração.
Esquema de uma ampola de raios X com ânodo refrigerado a água. Elétrons emitidos pelo cátodo, C, são acelerados até o ânodo, A, onde são produzidos os raios X.

Os raios X são ondas eletromagnéticas de comprimento de onda muito curto. Por exemplo, para comprimentos de onda no vácuo inferiores a aproximadamente 10−9 m, a frequência é superior a 3 × 1017 Hz e a energia do fóton supera 1.240 eV. Quanto menor o comprimento de onda no vácuo, maior a energia do fóton, pela relação E = hc/λ. Nessa expressão, E é a energia, h é a constante de Planck, c é a velocidade da luz e λ é o comprimento de onda. Quando um fóton de raios X interage com um átomo, sua energia pode ser absorvida e promover um elétron a um nível de energia mais alto. Se houver energia suficiente, o elétron pode ser removido do átomo, provocando ionização. Em geral, átomos de maior número atômico absorvem raios X com mais facilidade. Os tecidos moles do corpo humano são formados principalmente por átomos mais leves que os de cálcio presentes nos ossos, o que produz diferenças de absorção. Os aparelhos de raios X usam essa diferença para formar imagens das estruturas internas do corpo.

A atmosfera terrestre também absorve os raios X provenientes do Sol. Embora o Sol emita menos raios X que radiação ultravioleta, esses raios têm alta energia e não chegam diretamente à superfície.

Radiação gama

Detecção de radiação gama em uma câmara de nuvens com isopropanol.

A radiação gama, γ, é constituída por fótons de alta energia. Na física nuclear, os raios gama emitidos em transições nucleares são diferenciados dos raios X produzidos por transições eletrônicas ou pela desaceleração de elétrons. Sua emissão pode ocorrer quando um núcleo atômico excitado libera o excesso de energia após uma reação nuclear. Partículas alfa e beta têm massa e carga elétrica e interagem com os átomos ao longo de sua trajetória. Os fótons gama não têm massa de repouso nem carga elétrica e, em geral, atravessam uma espessura maior de matéria que essas partículas.

Camadas espessas de material podem atenuar intensamente os raios gama. A atenuação depende da energia dos fótons, da composição e da espessura do material. Materiais densos, como o chumbo e o urânio empobrecido, permitem construir blindagens mais compactas, mas sua vantagem em relação à mesma massa de água ou concreto varia com a energia. Não há uma porcentagem fixa válida para todas as situações. Em um feixe estreito de fótons de uma única energia, a intensidade da componente que atravessa o material sem interação diminui exponencialmente com a espessura. A blindagem reduz essa intensidade, sem uma espessura única que detenha todos os fótons. O ar também atenua raios gama, e a espessura necessária para reduzir a intensidade pela metade depende da energia dos fótons e da densidade do ar.

Radiação alfa

Partícula alfa detectada em uma câmara de nuvens com isopropanol.

As partículas alfa são núcleos de hélio-4, formados por dois prótons e dois nêutrons. Sua carga e sua massa fazem com que interajam intensamente com a matéria. Nas energias usuais de emissão radioativa, percorrem apenas alguns centímetros no ar e pequenas espessuras de outros materiais. Por isso, certos tubos de contadores Geiger têm janelas de mica muito finas, que permitem a entrada dessas partículas. As partículas alfa emitidas no decaimento alfa comum não atravessam a camada externa de células mortas da pele e não atingem os tecidos vivos abaixo dela.Núcleos de hélio constituem cerca de 9% dos núcleos dos raios cósmicos primários. Com energias muito altas, podem atravessar o corpo e chapas finas de metal. Essa exposição preocupa especialmente os astronautas, pois o campo magnético e a atmosfera terrestres protegem a superfície contra essas partículas.

A radiação alfa oferece riscos quando radioisótopos emissores são inalados ou ingeridos. Dentro do corpo, eles podem ficar próximos de tecidos sensíveis, onde a radiação danifica as células. Na proteção radiológica, atribui-se à radiação alfa um fator de ponderação de 20, em comparação com 1 para raios X e gama, para levar em conta seu maior potencial de dano por unidade de energia absorvida. Essa comparação se relaciona à eficácia biológica relativa da radiação. Isótopos emissores alfa de rádio, radônio e polônio podem ser muito tóxicos. A atividade de uma quantidade de material radioativo depende de sua meia-vida, e isótopos de meia-vida curta apresentam mais decaimentos por unidade de tempo para o mesmo número de átomos.

Radiação beta

Elétron, uma partícula de radiação beta, detectado em uma câmara de nuvens com isopropanol.

A radiação beta menos, β−, é formada por elétrons de alta energia. Ela penetra mais na matéria que a radiação alfa e, em geral, menos que a gama. A radiação beta do decaimento radioativo pode ser barrada por alguns centímetros de plástico ou poucos milímetros de metal. Sua emissão ocorre quando um nêutron do núcleo se transforma em um próton, liberando um elétron e um antineutrino. Feixes de elétrons produzidos por aceleradores lineares podem ter energia e poder de penetração muito maiores que os da radiação beta natural. Eles são usados em radioterapia para tratar tumores superficiais.

A radiação beta mais, β+, corresponde à emissão de pósitrons, partículas de antimatéria que são as antipartículas dos elétrons. Quando um pósitron perde velocidade no material e encontra um elétron, os dois podem se aniquilar, liberando dois fótons gama de 511 keV, que seguem em direções aproximadamente opostas. Essa radiação gama de aniquilação também é ionizante.

Radiação de nêutrons

Os nêutrons são classificados conforme sua velocidade ou energia. A radiação de nêutrons é formada por nêutrons livres, que podem ser emitidos na fissão nuclear espontânea ou induzida. Eles são produzidos em grandes quantidades em reações em cadeia de fissão e em reações de fusão. Numa explosão termonuclear, essa produção intensa ocorre em um pulso breve. Num reator nuclear em funcionamento, ela é contínua e cai rapidamente quando o reator se torna subcrítico.

Os nêutrons podem tornar outros materiais radioativos. Esse processo, chamado ativação neutrônica, é usado para produzir fontes radioativas para a medicina, a pesquisa e a indústria. Mesmo os nêutrons térmicos, de velocidade relativamente baixa, podem provocar ativação com grande eficiência. Como não têm carga elétrica, os nêutrons não ionizam a matéria pelo mesmo mecanismo das partículas carregadas. Eles interagem com os núcleos e podem produzir partículas carregadas ou radiação secundária capazes de ionizar outros átomos. Por isso, são classificados como radiação indiretamente ionizante, mesmo quando sua energia cinética é pequena.

A captura de um nêutron nem sempre produz um isótopo radioativo. Na água, os isótopos mais comuns de hidrogênio e oxigênio podem capturar um nêutron e formar isótopos estáveis mais pesados. Considerando apenas capturas sucessivas, o hidrogênio-1 precisa absorver dois nêutrons para formar trítio, e o oxigênio-16 precisa absorver três para formar oxigênio-19. Isso não exclui outras formas de ativação da água. Nêutrons rápidos podem transformar oxigênio-16 em nitrogênio-16, com emissão de um próton. O nitrogênio-16 radioativo é produzido dessa maneira na água de refrigeração de reatores. O sódio presente no sal, como na água do mar, precisa capturar apenas um nêutron para formar sódio-24, um emissor beta com meia-vida de 15 horas.

Nêutrons de alta energia também podem transferir energia aos núcleos por colisão. Um núcleo atingido pode recuar, romper ligações na molécula e dar origem a radicais livres. Em energias ainda maiores, reações de espalação podem expulsar prótons e outros fragmentos do núcleo. Nas colisões com núcleos de hidrogênio, o nêutron pode transferir grande parte de sua energia ao próton, de maneira semelhante à colisão entre duas bolas de bilhar. Os prótons e outros produtos carregados dessas interações provocam ionização diretamente.

Nêutrons de alta energia podem ter grande poder de penetração, mas seu alcance não é fixo. A blindagem depende da energia dos nêutrons, dos materiais empregados e da redução de dose necessária. Materiais ricos em hidrogênio, como água e concreto, são usados para desacelerá-los por colisões com núcleos. A captura dos nêutrons e a radiação secundária produzida também precisam ser consideradas. Uma fonte comum de radiação de nêutrons é o interior de um reator nuclear, onde a água e outras estruturas fornecem blindagem.

Interação com a matéria

Quando encontra um material, a radiação eletromagnética pode ser transmitida, refletida, absorvida ou espalhada. As proporções dependem do comprimento de onda, das propriedades do material e da geometria da interação.

Partículas carregadas, como elétrons e partículas alfa, depositam energia em muitas interações com elétrons e núcleos ao longo de seu percurso. Elétrons também podem perder parte de sua energia pela emissão de Bremsstrahlung. Nêutrons não têm carga elétrica e interagem principalmente com núcleos, podendo produzir núcleos de recuo, partículas carregadas ou radiação secundária que causam ionização.

Os raios X e gama podem transferir energia à matéria pelo efeito fotoelétrico, pelo efeito Compton e pela produção de pares. A probabilidade de cada processo depende da energia do fóton e do número atômico do material. No efeito fotoelétrico, o fóton é absorvido e um elétron é ejetado do átomo. No efeito Compton, o fóton transfere parte de sua energia a um elétron e muda de direção, seguindo com energia menor.

Na produção de pares, a energia de um fóton pode dar origem a um elétron e a um pósitron na presença do campo elétrico de um núcleo. Esse processo exige uma energia mínima de aproximadamente 1,02 MeV, correspondente à energia de repouso das duas partículas.

Medição

Diagrama de um contador Geiger, com tubo detector ligado a um circuito eletrônico.
Esquema de um contador Geiger, com tubo detector, circuito de contagem e sinal sonoro.

Grandezas distintas medem a emissão de uma fonte e a energia depositada pela radiação. A atividade de uma amostra radioativa corresponde ao número de decaimentos por unidade de tempo. Sua unidade no Sistema Internacional de Unidades é o becquerel, Bq, equivalente a um decaimento por segundo.

A dose absorvida mede a energia depositada por unidade de massa e é expressa em gray, Gy, sendo 1 Gy igual a 1 J/kg. A dose equivalente combina a dose absorvida em um tecido com fatores de ponderação que levam em conta os tipos de radiação. A dose efetiva é a soma das doses equivalentes nos tecidos, ponderadas por fatores de sensibilidade radiológica. As duas últimas são expressas em sievert, Sv. Essas grandezas não são intercambiáveis. A atividade de uma fonte, por si só, não determina a dose recebida por uma pessoa. A dose efetiva usa fatores de uma população de referência para fins de proteção radiológica. Ela não fornece uma estimativa precisa do risco individual de câncer.

A dose cumulativa é o total de dose recebido pela mesma região do corpo ou pelo corpo inteiro ao longo de exposições repetidas.

Radiação cósmica

Simulação de trajetórias de partículas que se multiplicam na atmosfera em direção ao solo.
Simulação de um chuveiro atmosférico iniciado por um próton de 1 TeV a cerca de 20 km de altitude. As linhas mostram trajetórias de partículas na simulação.

As partículas de alta energia que chegam à atmosfera terrestre a partir do espaço vêm do Sol e de regiões mais distantes. O Sol também emite continuamente o vento solar, um fluxo de partículas de energia geralmente muito menor que a dos raios cósmicos. Erupções solares e choques produzidos por ejeções de massa coronal podem acelerar partículas a energias muito mais altas.

As partículas provenientes de regiões distantes da Galáxia ou de outras galáxias são menos frequentes, mas podem ter energias muito maiores. A maioria é formada por prótons, e boa parte das demais é composta por núcleos de hélio, ou partículas alfa. Há também núcleos completamente ionizados de elementos mais pesados. A origem desses raios cósmicos ainda não é inteiramente compreendida. Choques em remanescentes de supernovas podem acelerar partículas a altas energias. Para os raios cósmicos de energias ainda maiores, são investigados ambientes como os das erupções de raios gama e dos quasares.

Radiação não ionizante

O espectro eletromagnético.

Na classificação usada em proteção radiológica, a radiação não ionizante não produz ionização pelos processos usuais de absorção de um único fóton nos materiais biológicos. Na radiação eletromagnética não ionizante, os fótons podem alterar os estados de rotação, vibração ou excitação eletrônica de moléculas e átomos. Os efeitos sobre os tecidos vivos dependem do tipo de radiação, e sua investigação abrange diferentes mecanismos biológicos.

Mesmo a radiação não ionizante pode, indiretamente, provocar ionização térmica se depositar energia suficiente para elevar muito a temperatura do material. Esse processo exige uma concentração de energia muito maior que a necessária para a ionização causada por uma única partícula de alta energia. O aquecimento também provoca alterações químicas sem exigir ionização, como o escurecimento dos alimentos ao assar ou grelhar, favorecido pela absorção de radiação infravermelha. Nesse caso, ocorrem reações químicas como as de açúcares com aminoácidos.

O espectro eletromagnético reúne todas as frequências possíveis da radiação eletromagnética. O espectro de um objeto é a distribuição característica da radiação que ele emite ou absorve.

Na classificação de proteção radiológica, a parte não ionizante do espectro é formada por ondas cujos fótons, considerados individualmente, não têm energia suficiente para ionizar os principais constituintes dos tecidos biológicos. Nela estão as ondas de rádio, as micro-ondas, o infravermelho e a luz visível. As frequências mais baixas do ultravioleta podem provocar alterações químicas e danos moleculares semelhantes aos da ionização, mesmo sem ionizar a matéria. As frequências mais altas do ultravioleta, os raios X e os raios gama são ionizantes.

A possibilidade de ionização pela absorção de um único fóton depende de sua energia e da energia de ligação do elétron. Aumentar o número de fótons não aumenta a energia de cada um deles. Em campos de laser muito intensos, porém, um átomo pode absorver energia de mais de um fóton e ser ionizado, mesmo quando cada fóton tem energia insuficiente para isso. Esse processo é chamado de ionização multifotônica e não exige aquecimento prévio até a ionização térmica.

Luz ultravioleta

A parte de menor energia do ultravioleta, por vezes chamada de ultravioleta mole, inclui a radiação UV-A e UV-B. Ela é classificada como não ionizante em proteção radiológica, embora não exista um limiar de ionização igual para todos os átomos e moléculas. Seus efeitos químicos e os danos que pode causar aos organismos expostos, como oxidação, mutações e câncer, levam a comparações com a radiação ionizante mesmo nessa faixa de energia.

Luz visível

A luz visível ocupa uma faixa estreita do espectro eletromagnético que pode ser percebida pelo olho humano, aproximadamente entre 380 e 780 nm de comprimento de onda. Esses valores correspondem a frequências de cerca de 790 a 384 THz, respectivamente. Os limites da percepção não são abruptos. Em física, o termo "luz" também pode ser usado em sentido mais amplo para a radiação eletromagnética de qualquer comprimento de onda, visível ou não.

Infravermelho

Comparação entre imagens infravermelhas e fotografias em luz visível de um cubo de Leslie.
Imagens de um cubo de Leslie no infravermelho, acima, e na luz visível, abaixo. O contraste no infravermelho depende da emissão e da reflexão de radiação pelas superfícies.

A radiação infravermelha, abreviada como IV ou IR, ocupa uma faixa situada entre a luz visível e as micro-ondas. Uma delimitação usada em proteção radiológica vai de 780 nm a 1 mm, correspondentes a frequências de aproximadamente 384 THz a 300 GHz. O infravermelho pode ser percebido à distância pelo aquecimento que provoca e constitui parte da radiação solar. Algumas serpentes têm órgãos sensíveis a essa radiação, chamados fossetas, que permitem detectar fontes de calor com uma disposição semelhante à de uma câmera de orifício.

Micro-ondas

Na radiação eletromagnética, como nas micro-ondas emitidas pela antena da figura, parte do campo eletromagnético transporta energia para longe da fonte. No campo distante, a intensidade em uma direção fixa diminui com o quadrado da distância, se não houver absorção. A potência total que atravessa uma superfície esférica em torno da antena permanece constante. O campo próximo também contém componentes reativas, que armazenam energia nas proximidades da fonte.

As micro-ondas têm comprimentos de onda entre 1 mm e 1 m, correspondentes a frequências de 300 MHz a 300 GHz. Essa definição abrange as faixas UHF e EHF, esta última também chamada de ondas milimétricas, mas os limites adotados podem variar. A faixa de frequência superalta, SHF, de 3 a 30 GHz, ou de 10 a 1 cm, está incluída nessa definição. Os limites adotados para o termo "micro-ondas" podem variar entre áreas de aplicação.

Ondas de rádio

Símbolo de advertência para ondas de rádio.

As ondas de rádio são radiações eletromagnéticas de comprimento de onda maior que o infravermelho. Como as demais ondas eletromagnéticas, propagam-se no vácuo à velocidade da luz. Raios atmosféricos e certos objetos astronômicos emitem ondas de rádio naturalmente. As ondas produzidas artificialmente são usadas em radiocomunicação fixa e móvel, radiodifusão, radares, sistemas de navegação, comunicação por satélite e redes de computadores, entre outras aplicações. Quase todo fio percorrido por corrente alternada também emite parte de sua energia como ondas de rádio, que podem causar interferência.

As diferentes frequências têm comportamentos distintos na atmosfera terrestre. Ondas longas podem acompanhar a curvatura da Terra e cobrir uma região de maneira relativamente constante. Ondas mais curtas podem percorrer grandes distâncias por reflexões sucessivas entre a ionosfera e a superfície terrestre. Ondas de comprimento ainda menor sofrem pouca difração ou reflexão e se propagam principalmente pela linha de visada.

Frequência muito baixa

A faixa de frequência muito baixa, VLF, vai de 3 a 30 kHz, com comprimentos de onda de aproximadamente 100.000 a 10.000 m, respectivamente. Como a largura de banda disponível é pequena, apenas sinais simples podem ser transmitidos, como os usados em radionavegação. A faixa também é chamada de ondas miriamétricas, pois seus comprimentos de onda vão de 100 a 10 km. O miriâmetro é uma unidade métrica obsoleta equivalente a 10 km.

Frequência extremamente baixa

Na nomenclatura da União Internacional de Telecomunicações, a faixa de frequência extremamente baixa, ELF, vai de 3 a 30 Hz, correspondentes a comprimentos de onda de 108 a 107 m. Em textos sobre efeitos biológicos e proteção contra campos eletromagnéticos, a designação ELF também é usada para frequências abaixo de 300 Hz. Uma extensa antena militar em Michigan transmitia mensagens em baixa velocidade para receptores de difícil acesso, como os de submarinos submersos. O sistema foi encerrado em 2004.

Radiação térmica

Gráfico da potência térmica emitida por unidade de área em função da temperatura absoluta.
Potência térmica emitida por unidade de área por um corpo negro, em função da temperatura absoluta. A curva segue a lei de Stefan-Boltzmann. O gráfico mostra a emissão, não a troca líquida de calor com o ambiente.

O termo "radiação térmica" é usado com frequência para a radiação infravermelha emitida por objetos nas temperaturas encontradas na Terra. Ele se refere à radiação e ao processo pelo qual um objeto emite sua energia térmica como radiação eletromagnética, cujo modelo ideal é a radiação de corpo negro. A emissão infravermelha ou avermelhada de um radiador doméstico ou de um aquecedor elétrico é um exemplo, assim como a energia irradiada por uma lâmpada incandescente acesa. A radiação térmica é produzida quando a energia do movimento de partículas carregadas da matéria é emitida na forma de radiação eletromagnética.

Mesmo a radiação térmica de baixa frequência pode provocar ionização por aquecimento se depositar energia suficiente para elevar muito a temperatura. Em temperaturas suficientemente altas, um gás pode tornar-se parcialmente ionizado e formar um plasma. O aquecimento também provoca alterações moleculares, como as reações que fazem os alimentos dourarem durante o preparo, embora esse escurecimento não exija ionização.

Radiação de corpo negro

Curvas de radiância espectral de um corpo negro a três temperaturas e comparação com a previsão clássica.
Radiância espectral de um corpo negro a 3.000, 4.000 e 5.000 K. As curvas coloridas seguem a lei de Planck. A curva preta mostra a previsão clássica da lei de Rayleigh-Jeans para 5.000 K.

A radiação de corpo negro é a radiação térmica emitida por um absorvedor ideal em equilíbrio térmico. A forma de seu espectro depende da temperatura absoluta e é dada pela lei de Planck. A emissão abrange todas as frequências positivas, embora possa ser extremamente pequena longe da região de máximo. A lei de Wien relaciona a temperatura ao comprimento de onda em que a emissão por intervalo de comprimento de onda é máxima. Se o espectro for expresso por intervalo de frequência, o máximo ocorre em outra posição, que não se obtém simplesmente convertendo aquele comprimento de onda em frequência.

Para uma mesma área e temperatura, um corpo negro emite a maior potência possível em cada intervalo de comprimento de onda no modelo usual de emissão térmica. Ele também absorve toda a radiação incidente. Um corpo negro à temperatura ambiente ou abaixo dela pareceria inteiramente preto, pois não refletiria a luz recebida nem emitiria luz visível suficiente para os olhos humanos detectarem. Seu espectro é contínuo.

A cor de um corpo negro aquecido depende da distribuição da luz em toda a faixa visível, não apenas da posição do máximo de emissão. Esse comportamento explica aproximadamente as cores das estrelas, que passam de tons avermelhados a esbranquiçados e azulados com o aumento da temperatura. O Sol, com temperatura efetiva próxima de 5.800 K, tem luz aproximadamente branca quando observado fora da atmosfera terrestre, embora o máximo de seu espectro por comprimento de onda esteja perto de 500 nm.

Descoberta

As primeiras formas de radiação eletromagnética descobertas fora da faixa visível foram o infravermelho e o ultravioleta, no início do século XIX. O astrônomo William Herschel descobriu a radiação infravermelha e apresentou seus resultados à Royal Society em 1800. Assim como Ritter faria depois, Herschel usou um prisma para refratar a luz do Sol. Com um termômetro, detectou um aumento de temperatura além da parte vermelha do espectro.

Em 1801, o físico alemão Johann Wilhelm Ritter descobriu a radiação ultravioleta ao observar que os raios além da faixa violeta do espectro produzido por um prisma escureciam preparações de cloreto de prata mais rapidamente que a luz violeta. Seus experimentos antecederam o desenvolvimento da fotografia. Ritter constatou que esses raios provocavam reações químicas.

As primeiras ondas de rádio detectadas foram produzidas artificialmente pelo cientista alemão Heinrich Hertz, em 1887. Hertz usou circuitos elétricos calculados para gerar oscilações na faixa das radiofrequências, com base nas equações de James Clerk Maxwell.

Wilhelm Röntgen descobriu os raios X e lhes deu esse nome. Em 8 de novembro de 1895, enquanto experimentava altas tensões aplicadas a um tubo evacuado, percebeu fluorescência em uma placa revestida de material fluorescente que estava por perto. Em um mês, havia determinado as propriedades básicas dos raios X.

Em 1896, Henri Becquerel descobriu que certos minerais emitiam raios capazes de atravessar papel preto e velar uma chapa fotográfica que não havia sido exposta à luz. Marie Curie investigou o fenômeno e constatou que apenas determinados elementos químicos emitiam esses raios. Ela deu a esse comportamento o nome de radioatividade.

Ernest Rutherford distinguiu a radiação alfa da beta em 1899, por meio de experimentos simples. Ao estudar a radiação de compostos de urânio, verificou que ela continha componentes com diferentes poderes de penetração. Chamou de raios alfa a componente mais facilmente absorvida e de raios beta a mais penetrante. As partículas alfa têm carga positiva, e as partículas beta emitidas nesse processo têm carga negativa. A radiação emitida pelos sais de urânio já havia sido detectada por Becquerel. Em 1900, o cientista francês Paul Villard descobriu um terceiro tipo de radiação emitida pelo rádio, sem carga elétrica e com maior poder de penetração. Rutherford concluiu que se tratava de um tipo distinto e lhe deu o nome de raios gama em 1903.

Becquerel demonstrou que os raios beta eram elétrons de alta velocidade. Rutherford e Thomas Royds demonstraram, em 1909, que as partículas alfa formavam átomos de hélio ao serem neutralizadas. Em 1914, Rutherford e Edward Andrade demonstraram que os raios gama eram radiação eletromagnética como os raios X, mas de comprimento de onda menor.

A chegada de radiação cósmica à Terra foi confirmada em 1912, quando Victor Hess levou um eletrômetro a diferentes altitudes em um voo de balão livre. A natureza dessa radiação foi esclarecida aos poucos nas décadas seguintes.

James Chadwick descobriu o nêutron em 1932. A observação de raios cósmicos em câmaras de nuvens também levou à descoberta de pósitrons e múons. Os píons foram descobertos em 1947 com emulsões fotográficas expostas a raios cósmicos. Na segunda metade do século XX, outros tipos de radiação corpuscular foram produzidos artificialmente em aceleradores de partículas.

Aplicações

Medicina

Esquema de tomografia por emissão de pósitrons, com anel de detectores e reconstrução da imagem.
Princípio da tomografia por emissão de pósitrons. Pares de fótons produzidos pela aniquilação de um pósitron com um elétron são detectados em coincidência para reconstruir a distribuição do radiofármaco.

A radiação e as substâncias radioativas são usadas no diagnóstico, no tratamento de doenças e na pesquisa. Os raios X atravessam músculos e outros tecidos moles com mais facilidade que materiais densos, como os ossos. Essa diferença permite detectar fraturas e localizar certos tumores no corpo. Na medicina nuclear, substâncias radioativas podem ser injetadas no organismo, e sua distribuição é acompanhada pela radiação emitida, o que ajuda a diagnosticar doenças. Na radioterapia, usa-se radiação ionizante para tratar o câncer. Ao retirar elétrons dos átomos, ela forma íons nas células dos tecidos atravessados, podendo matar essas células ou danificar seus genes e impedir sua multiplicação. Ondas de rádio, micro-ondas e luz visível são formas não ionizantes, pois seus fótons não têm energia suficiente para provocar esse processo.

Comunicação

Os sistemas de comunicação usam formas de radiação eletromagnética para transmitir informação. Variações na intensidade ou em outras propriedades das ondas codificam sons, imagens e outros dados. Uma voz humana, por exemplo, pode ser transmitida por ondas de rádio ou micro-ondas cujas variações acompanham as do sinal sonoro. Músicos também experimentaram a sonificação de raios gama, convertendo a detecção de radiação nuclear em sons e música.

Ciência

Átomos radioativos permitem estimar a idade de materiais que fizeram parte de organismos vivos. A quantidade de carbono radioativo presente nesses materiais é medida pelo método de datação por radiocarbono. Outros elementos radioativos permitem estimar a idade de rochas, formações geológicas e até certos objetos produzidos pelo ser humano, por meio da datação radiométrica. Na pesquisa ambiental, traçadores radioativos permitem acompanhar os caminhos percorridos por poluentes no ambiente.

A radiação também é usada para determinar a composição dos materiais pela análise por ativação neutrônica. Nesse método, uma amostra é bombardeada com nêutrons. Alguns de seus átomos capturam essas partículas e se tornam radioativos. A radiação emitida permite determinar quais elementos estão presentes na amostra.

Indústria e agricultura

Na indústria, a radiação ionizante é usada na radiografia industrial para examinar peças e soldas sem destruí-las, em instrumentos que medem propriedades de materiais e em processos de esterilização ou modificação de produtos. Irradiadores de raios gama e aceleradores de elétrons são usados no processamento de materiais, inclusive polímeros e produtos médicos.

A irradiação de alimentos pode reduzir microrganismos e insetos, retardar o amadurecimento ou impedir a brotação de determinados produtos. Na agricultura, o melhoramento por mutação expõe sementes ou tecidos vegetais à radiação ionizante para aumentar a frequência de mutações, após o que plantas com características desejadas podem ser selecionadas. Na técnica do inseto estéril, insetos machos são esterilizados por irradiação e liberados para acasalar com fêmeas selvagens, reduzindo a reprodução da população-alvo.

Possíveis danos à saúde e ao ambiente

AGM2015, mapa mundial do fluxo de antineutrinos eletrônicos, ν̄e. O mapa reúne os geoneutrinos produzidos pelo decaimento natural do urânio-238 e do tório-232 na crosta e no manto da Terra e os antineutrinos emitidos pelos reatores nucleares de geração de energia.
Diagrama de lesões no DNA, com alterações nas bases e quebras de uma ou das duas fitas.
Tipos de lesões que a radiação ionizante pode causar ao DNA, entre elas alterações nas bases e quebras de uma ou das duas fitas.

A radiação não é perigosa em todas as circunstâncias, e os diferentes tipos não oferecem os mesmos riscos, apesar de ideias equivocadas comuns sobre o assunto. As bananas, por exemplo, contêm isótopos radioativos naturais, principalmente potássio-40, 40K, que emitem radiação ionizante ao decair. A quantidade emitida é pequena demais para provocar síndrome aguda da radiação, e o consumo de bananas não oferece perigo radiológico. A ingestão de mais potássio não leva ao seu acúmulo indefinido no organismo, pois o corpo regula sua quantidade e elimina o excesso. Por isso, não seria possível comer bananas em quantidade suficiente para provocar intoxicação aguda por radiação.

Exposição à radiação e contaminação radioativa são situações diferentes. Uma pessoa é irradiada quando a energia da radiação atinge seu corpo. Há contaminação quando material radioativo fica sobre a pele ou a roupa, ou entra no organismo por inalação, ingestão ou uma ferida. Um exame de raios X causa exposição, mas não deixa material radioativo no paciente.

A radiação está presente em toda a Terra, e os seres humanos convivem com os níveis naturais encontrados na superfície. A relação entre a dose e a toxicidade pode ser não linear. Muitas substâncias tóxicas em doses muito altas têm efeitos neutros ou benéficos em doses menores, e algumas são essenciais ao organismo, um comportamento discutido no estudo da hormese. A hipótese da hormese por radiação propõe que doses baixas de radiação ionizante possam estimular mecanismos de reparo do DNA, e há trabalhos que defendem essa possibilidade. Essa hipótese não estabelece que a exposição seja benéfica ou livre de risco. Para a proteção radiológica em doses baixas, a Comissão Internacional de Proteção Radiológica adota um modelo em que o aumento do risco de câncer é aproximadamente proporcional à dose, sem um limiar abaixo do qual esse aumento seja considerado nulo. A exposição prolongada a doses baixas de radiação ionizante também pode aumentar o risco de câncer. Em intensidade ou dose suficientemente elevada, qualquer forma de radiação pode causar danos letais.

A radiação ionizante pode danificar organismos vivos, provocar câncer e causar danos genéticos. A radiação não ionizante também pode causar lesões, como queimaduras, em determinadas condições de exposição. Em 2011, a Agência Internacional de Pesquisa em Câncer, IARC, da Organização Mundial da Saúde, classificou os campos eletromagnéticos de radiofrequência, que abrangem micro-ondas e ondas milimétricas, como possivelmente cancerígenos para seres humanos.

O EMF-Portal, mantido por um centro de pesquisa do hospital universitário da Universidade Técnica de Aachen, reúne publicações sobre os efeitos dos campos eletromagnéticos na saúde humana e nos sistemas biológicos. Em março de 2020, a base continha cerca de 30.750 publicações e mais de 6.700 resumos de conteúdo biomédico.

Acidente radiológico de Goiânia

Parte desmontada do aparelho que continha a fonte radioativa do acidente de Goiânia.
Parte do aparelho de radioterapia que continha a fonte de césio-137 envolvida no acidente radiológico de Goiânia, em 1987. Fotografia do acervo da Agência Internacional de Energia Atômica.

Em 13 de setembro de 1987, em Goiânia, o manuseio de um aparelho de radioterapia que continha césio-137 e havia sido abandonado nas antigas instalações do Instituto Goiano de Radioterapia deu início a um acidente que atingiu direta e indiretamente centenas de pessoas. O equipamento foi retirado para aproveitamento como sucata, desmontado e vendido a um ferro-velho. A manipulação da fonte e a distribuição de partes do material espalharam a contaminação.

O acidente foi um dos mais graves envolvendo uma fonte radioativa fora de uma instalação nuclear. Recebeu nível 5 na Escala Internacional de Acidentes Nucleares, cuja classificação vai do nível 0, para eventos sem repercussão na segurança, ao nível 7, para os acidentes de maior gravidade.

Radioatividade ambiental

A radiação ambiental tem fontes naturais e artificiais. Materiais radioativos presentes no solo, nas rochas e nos seres vivos emitem radiação por decaimento nuclear. A Terra também recebe radiação solar e raios cósmicos, que não devem ser confundidos com a radioatividade dos materiais terrestres.

Ver também

Referências

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Ligações externas

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