Radiação gama

Emissão de um raio gama, γ, por um núcleo atômico

Um raio gama, também chamado de radiação gama, de símbolo γ, é uma forma penetrante de radiação eletromagnética produzida em interações de alta energia, como o decaimento radioativo de núcleos atômicos, ou em fenômenos astronômicos, como as erupções solares. A radiação gama de menor energia se sobrepõe à faixa superior dos raios X, e as duas são diferenciadas pela origem. Na extremidade inferior do espectro gama, as energias dos fótons vão de 104 a 107 eV. Os raios gama de energia ultra-alta ultrapassam 1014 eV. O químico e físico francês Paul Ulrich Villard descobriu essa radiação em 1900, enquanto estudava a radiação emitida pelo rádio. Em 1903, Ernest Rutherford deu-lhe o nome de raios gama por sua elevada capacidade de penetrar na matéria. Ele já havia chamado duas formas menos penetrantes de radiação de raios alfa e raios beta, nessa ordem de poder de penetração.

Os raios gama do decaimento radioativo têm energias entre 10 quiloelétron-volts, ou keV, e 10 megaelétron-volts, ou MeV. Essa faixa corresponde aos níveis de energia habituais de núcleos com tempos de vida relativamente longos. O espectro de energia permite determinar quais radionuclídeos estão decaindo, por meio da espectroscopia gama. Raios gama com energias de 100 a 1.000 teraelétron-volts, ou TeV, foram observados em fontes astronômicas, como o microquasar Cygnus X-3.

Na Terra, as fontes naturais de raios gama resultam sobretudo do decaimento radioativo e da radiação secundária produzida quando partículas dos raios cósmicos interagem com a atmosfera. Há também fontes naturais menos frequentes, como os flashes terrestres de raios gama, nos quais elétrons acelerados em tempestades emitem radiação ao interagir com átomos da atmosfera. Entre as fontes artificiais estão a fissão, que ocorre nos reatores nucleares, e experimentos de física de altas energias, como os que envolvem o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.

Como as faixas de energia dos raios gama e dos raios X se sobrepõem no espectro eletromagnético, a terminologia varia entre as áreas científicas. Em certos ramos da física, a distinção depende da origem, com os raios gama produzidos pelo decaimento nuclear e os raios X gerados fora do núcleo. Na astrofísica, convencionou-se chamar de raios gama os fótons com energias acima de 100 keV, estudados pela astronomia de raios gama. A radiação abaixo de 100 keV é classificada como raios X e estudada pela astronomia de raios X.

Os raios gama são uma forma de radiação ionizante e podem prejudicar os seres vivos. Podem causar mutações no DNA, câncer e tumores. Em doses elevadas, podem provocar queimaduras e síndrome aguda da radiação. Seu poder de penetração permite que atinjam a medula óssea e os órgãos internos. Eles atravessam com facilidade muitos materiais comuns, o que exige blindagens de materiais densos, como chumbo ou concreto, para a proteção radiológica. Na Terra, a magnetosfera desvia partículas carregadas da radiação cósmica, mas não os raios gama. A atmosfera absorve grande parte desses raios antes que cheguem à superfície.

Descoberta

A primeira fonte de raios gama descoberta foi o processo de decaimento radioativo chamado de decaimento gama. Nele, um núcleo em estado excitado emite um raio gama quase imediatamente após sua formação. Em 1900, Paul Villard descobriu a radiação gama enquanto estudava a radiação emitida pelo rádio. Ele percebeu que ela penetrava mais na matéria do que os tipos de radiação do rádio já conhecidos, entre os quais estavam os raios beta e os raios alfa. Henri Becquerel havia descoberto a radioatividade em 1896, e Rutherford distinguiu as radiações alfa e beta em 1899. Villard, porém, não deu à nova radiação um nome que a separasse dessas outras formas.

Em 1903, Rutherford reconheceu que a radiação de Villard era de um tipo diferente e a chamou de "raios gama", por analogia com os raios alfa e beta. Os raios emitidos pelos elementos radioativos receberam os nomes das três primeiras letras do alfabeto grego em ordem crescente de poder de penetração. Os raios alfa eram os menos penetrantes, seguidos pelos beta e pelos gama. Rutherford também observou que os raios gama não eram desviados, ou ao menos não eram facilmente desviados, por um campo magnético, outra diferença em relação aos raios alfa e beta.

De início, pensou-se que os raios gama fossem partículas com massa, como os raios alfa e beta. Rutherford chegou a supor que fossem partículas beta extremamente rápidas, mas a ausência de desvio por um campo magnético apontava para a ausência de carga elétrica. Em 1914, a reflexão de raios gama em superfícies cristalinas confirmou sua natureza eletromagnética. Rutherford e seu colaborador Edward Andrade mediram os comprimentos de onda dos raios gama do rádio e verificaram que eram semelhantes aos dos raios X, porém mais curtos e, por isso, de frequência mais alta. Quando o conceito de fóton se consolidou, essa diferença passou a ser entendida como uma energia maior por fóton. O decaimento gama passou então a ser compreendido como um processo que geralmente emite um fóton gama.

Fontes

A animação acompanha raios gama pelo espaço e pelo tempo, desde sua emissão no jato de um blazar distante até a chegada ao Large Area Telescope, ou LAT, do telescópio espacial Fermi.

Entre as fontes naturais de raios gama na Terra estão os radioisótopos encontrados na natureza, como o potássio-40, e a radiação secundária das interações de partículas dos raios cósmicos com a atmosfera. Raios e flashes terrestres de raios gama também geram emissões de alta energia a partir das elevadas diferenças de potencial elétrico das tempestades. No espaço, os raios gama são produzidos em processos que geram elétrons de energia muito alta. Esses elétrons emitem raios gama por bremsstrahlung, espalhamento Compton inverso e radiação síncrotron. Grande parte dessa radiação é absorvida pela atmosfera terrestre. Entre as fontes artificiais estão a fissão em reatores nucleares e os experimentos de física de altas energias, como os que envolvem o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.

Uma amostra de material emissor de raios gama usada para irradiar objetos ou produzir imagens é chamada de fonte gama. Também pode receber os nomes de fonte radioativa, fonte isotópica ou fonte de radiação, embora esses termos mais gerais também se apliquem a dispositivos emissores de partículas alfa e beta. As fontes gama costumam ser seladas para evitar a contaminação radioativa e são transportadas em recipientes com blindagem pesada.

Decaimento radioativo

Ver artigo principal: Isomeria nuclear.

O decaimento gama costuma ocorrer após outra forma de decaimento, como a emissão alfa ou a emissão beta. Um núcleo radioativo pode decair emitindo uma partícula α ou β. O núcleo filho geralmente fica em um estado excitado e pode passar a um estado de menor energia ao emitir um fóton gama. Esse processo é chamado de decaimento gama.

Na emissão gama, o núcleo perde energia sem alterar o número de prótons ou de nêutrons. Seu número atômico e seu número de massa permanecem iguais.

A emissão de um raio gama por um núcleo excitado costuma levar apenas 10−12 segundo. O decaimento gama também pode ocorrer após reações nucleares, como a captura de nêutrons, a fissão ou a fusão nuclear. Ele permite a desexcitação de muitos estados dos núcleos atômicos formados por outros tipos de decaimento radioativo, como o beta, desde que sejam satisfeitas as condições de spin nuclear necessárias à transição. Quando raios gama de alta energia, elétrons ou prótons bombardeiam um material, os núcleos excitados podem emitir raios gama "secundários" de energias características. Essas transições constituem uma forma de fluorescência nuclear gama e são estudadas pela espectroscopia gama, um ramo da física nuclear. A formação desses raios gama fluorescentes é uma modalidade rápida de decaimento gama.

Em certos casos, o estado nuclear excitado que resulta da emissão de uma partícula beta ou de outra forma de excitação dura mais do que o habitual. Ele é chamado de estado excitado metaestável quando leva pelo menos de 100 a 1.000 vezes mais tempo para decair do que o valor típico de 10−12 segundo. Esses núcleos excitados de duração relativamente longa são chamados de isômeros nucleares, e seus decaimentos, de transições isoméricas. Suas meias-vidas são mais fáceis de medir. Alguns isômeros nucleares podem permanecer excitados por minutos, horas, dias ou até muito mais antes de emitir um raio gama. A transição isomérica é semelhante às demais emissões gama, mas envolve um ou mais estados excitados metaestáveis intermediários. Esses estados frequentemente têm spin nuclear elevado e exigem que o decaimento gama altere o spin em muitas unidades, ao passo que uma transição de uma única unidade pode ocorrer em apenas 10−12 segundo. Uma energia de excitação pequena também pode tornar o decaimento gama mais lento.

Um raio gama emitido por um núcleo excitado pode transferir sua energia a um elétron, com maior probabilidade a um da camada K, e expulsá-lo do átomo. Esse processo é o efeito fotoelétrico, que também pode ser provocado por raios gama de origem externa e por radiação ultravioleta. Ele não deve ser confundido com a conversão interna, na qual não há emissão de um fóton gama intermediário. A interação nesse último processo pode ser representada por um "raio gama virtual".

Esquemas de decaimento

Esquema do decaimento radioativo do cobalto-60
Espectro de emissão gama do cobalto-60

O decaimento do cobalto-60 é um exemplo de produção de raios gama por um radionuclídeo. Primeiro, o cobalto-60 sofre decaimento beta e forma níquel-60 excitado, com emissão de um elétron cuja energia máxima é de aproximadamente 0,31 MeV. O níquel-60 excitado passa ao estado fundamental emitindo, em sequência, raios gama de 1,17 MeV e 1,33 MeV. Essa sequência ocorre em 99,88% dos decaimentos. Os níveis nucleares podem ser interpretados pelo modelo nuclear de camadas.

6027Co→6028Ni*+e−+
6028Ni*→6028Ni*+γ de 1,17 MeV
6028Ni*→6028Ni+γ de 1,33 MeV

Outro exemplo é o decaimento alfa do amerício-241, que forma netúnio-237 e é seguido pela emissão gama. Em certos casos, como no cobalto-60 e no níquel-60, o espectro de emissão gama do núcleo filho é relativamente simples. Em outros, como no amerício-241 e no netúnio-237, ou no irídio-192 e na platina-192, há muitas linhas de emissão, correspondentes a diferentes níveis de energia nuclear.

Física de partículas

Os raios gama são produzidos em muitos processos da física de partículas. Em geral, resultam do decaimento de sistemas eletricamente neutros por interação eletromagnética, sem que o processo seja mediado pela interação fraca ou pela interação forte. Na aniquilação de um elétron e um pósitron, por exemplo, os produtos mais comuns são dois fótons gama. Se as partículas estiverem em repouso, cada fóton terá energia de aproximadamente 511 keV e frequência de cerca de 1,24 × 1020 Hz. Raios gama com energia superior a 1.022 keV também podem interagir com núcleos e gerar um elétron e um pósitron por produção de pares.

Um píon neutro geralmente decai em dois fótons. Outros hádrons e bósons de grande massa também podem decair por interação eletromagnética. Por isso, experimentos de física de altas energias, como o Grande Colisor de Hádrons, precisam de blindagem contra radiação. Como os processos envolvendo partículas subatômicas podem ocorrer em escalas de comprimento muito menores do que as dos núcleos, seus raios gama podem ter energias muitas ordens de grandeza superiores às dos fótons do decaimento nuclear. Os fótons de energia extremamente alta pertencem à faixa gama do espectro eletromagnético. Um fóton com a energia de Planck, por exemplo, seria classificado como raio gama.

Outras fontes

Ver artigo principal: Astronomia de raios gama.

Alguns raios gama astronômicos vêm do decaimento gama, como os da supernova SN 1987A, mas a maioria tem outra origem. Os fótons de fontes astrofísicas cujas energias estão na faixa gama são chamados de radiação gama mesmo quando não são emitidos por núcleos. Eles podem resultar da interação entre partículas subatômicas ou entre partículas e fótons. Entre esses processos estão a aniquilação de elétrons e pósitrons, o decaimento de píons neutros, a bremsstrahlung, o espalhamento Compton inverso e a radiação síncrotron.

Os pontos vermelhos mostram alguns dos flashes terrestres de raios gama detectados pelo telescópio espacial Fermi até 2010. Estimava-se que ocorressem cerca de 500 flashes por dia em todo o planeta. Crédito: NASA/Goddard Space Flight Center.

Fontes de laboratório

Em outubro de 2017, pesquisadores de universidades europeias propuseram uma fonte de fótons com energias da ordem de GeV, excitada por lasers. A proposta combina, de forma controlada, cascatas eletromagnéticas e aprisionamento radiativo anômalo.

Tempestades terrestres

As tempestades podem produzir pulsos breves de radiação gama chamados de flashes terrestres de raios gama. A explicação proposta é que campos elétricos estáticos muito intensos aceleram elétrons. Ao colidir com átomos da atmosfera e perder velocidade, esses elétrons emitem raios gama por bremsstrahlung. Tempestades terrestres podem emitir raios gama de até 100 MeV, cuja descoberta foi feita por observatórios espaciais. Isso levantou a possibilidade de riscos à saúde de passageiros e tripulantes de aeronaves que voam dentro ou perto de nuvens de tempestade.

Os fótons gama das descargas elétricas também podem provocar reações nucleares no ar. Ao atingir um núcleo de nitrogênio-14, um fóton pode expulsar um nêutron e formar nitrogênio-13, um isótopo radioativo que emite pósitrons. A aniquilação desses pósitrons com elétrons produz fótons de 511 keV. Essa emissão e os raios gama da captura dos nêutrons foram detectados após um relâmpago no Japão, em 6 de fevereiro de 2017.

Erupções solares

As erupções solares mais intensas emitem radiação em todo o espectro eletromagnético, inclusive raios gama. A primeira observação segura dessa emissão ocorreu durante as tempestades solares de agosto de 1972.

Raios cósmicos

A radiação gama de origem extraterrestre contém uma componente difusa produzida quando raios cósmicos, como elétrons ou prótons de alta velocidade, interagem com a matéria. Essas interações podem gerar pósitrons, cuja aniquilação com elétrons produz fótons de 511 keV. A interação de elétrons dos raios cósmicos com núcleos de número atômico elevado também pode produzir bremsstrahlung com energias de dezenas de MeV ou mais. A imagem da Lua em raios gama, apresentada adiante, mostra a emissão causada pelo bombardeio de sua superfície por raios cósmicos.

Imagem de todo o céu em raios gama com energias iguais ou superiores a 100 MeV, obtida pelo instrumento EGRET do Observatório de Raios Gama Compton. Os pontos brilhantes no plano galáctico são pulsares. Os pontos acima e abaixo desse plano foram interpretados como quasares.

Pulsares e magnetares

Os pulsares da Via Láctea estão entre as fontes persistentes de raios gama do céu. Fora do plano galáctico, muitas das fontes são quasares. Pulsares são estrelas de nêutrons cujos campos magnéticos produzem feixes de radiação. São fontes menos energéticas, mais comuns e muito mais próximas do que os quasares e as fontes de erupções de raios gama. Os pulsares detectados são, em geral, da nossa galáxia.

Seus campos magnéticos, que podem persistir por longos períodos, aceleram partículas carregadas a velocidades relativísticas. Essas partículas podem emitir raios gama ao se moverem por trajetórias curvas nos campos magnéticos. Também podem produzir bremsstrahlung quando são desaceleradas ao interagir com o gás ou a poeira próximos. Esse último mecanismo é semelhante ao usado para produzir fótons de alta energia em aparelhos de radioterapia de megavoltagem. No espalhamento Compton inverso, partículas carregadas, geralmente elétrons, transferem energia a fótons de baixa energia. As colisões desses fótons com feixes de partículas relativísticas são outra forma possível de produção de raios gama.

Estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremamente intensos, os magnetares, são outra fonte estelar de radiação gama. Alguns são repetidores de raios gama suaves, que emitem surtos recorrentes de raios gama de baixa energia.

Quasares e galáxias ativas

Os raios gama de quasares muito distantes e de galáxias ativas mais próximas podem ser produzidos por processos semelhantes aos de um acelerador de partículas. Elétrons de alta energia emitem radiação por espalhamento Compton inverso, radiação síncrotron ou bremsstrahlung. A energia desses objetos vem da acreção de matéria por um buraco negro supermassivo no centro da galáxia. Parte da matéria forma jatos de partículas carregadas que saem das regiões polares. Ao interagir com gás, poeira e fótons de menor energia, esses jatos produzem raios X e gama.

A emissão dessas fontes pode variar em poucas semanas, o que limita o tamanho das regiões emissoras a distâncias da ordem de algumas semanas-luz. Elas estão entre as fontes extragalácticas de alta intensidade mais observadas em raios X e gama. Sua emissão pode persistir por longos períodos, com variações de brilho, ao passo que as erupções de raios gama são breves. A potência de um quasar pode chegar à ordem de 1040 watts, dos quais apenas uma parcela é emitida em raios gama. O restante se distribui pelo espectro eletromagnético, inclusive pelas ondas de rádio.

Representação artística de uma hipernova. A fusão nuclear transforma elementos mais leves em elementos mais pesados no interior de uma estrela de grande massa. Quando a pressão já não consegue sustentar a estrela contra a gravidade, seu núcleo pode colapsar e formar um buraco negro. A energia liberada pode alimentar jatos ao longo do eixo de rotação e produzir uma erupção de raios gama longa.

Erupções de raios gama

Ver também: Erupção de raios gama.

As erupções de raios gama estão entre as fontes mais intensas de radiação eletromagnética conhecidas. As chamadas erupções longas podem durar dezenas de segundos e são raras em comparação com as fontes persistentes. As erupções curtas duram em geral dois segundos ou menos. Elas podem ocorrer na fusão de duas estrelas de nêutrons ou de uma estrela de nêutrons com um buraco negro, sem a supernova habitual das erupções longas.

Uma erupção longa pode liberar energia da ordem de 1044 joules em apenas 20 a 40 segundos, uma quantidade comparável à que o Sol emitirá ao longo de toda a sua existência. Uma parcela dessa energia sai na forma de raios gama. As estimativas dessa parcela dependem do modelo e do evento. Entre os mecanismos propostos para produzir a radiação estão o espalhamento Compton inverso e a radiação síncrotron de partículas carregadas de alta energia. Essas partículas são aceleradas em jatos relativísticos alimentados pelo colapso do núcleo estelar e pela acreção de matéria no buraco negro recém-formado. Campos magnéticos ajudam a colimar os jatos, que podem persistir por dezenas de segundos. Quando um desses feixes aponta para a Terra, sua emissão gama pode ser detectada a distâncias de bilhões de anos-luz, inclusive da ordem de 10 bilhões de anos-luz.

O pulso inicial de uma erupção pode ser seguido por uma emissão que perde intensidade aos poucos, chamada emissão residual ou afterglow, detectável em raios X, luz visível e ondas de rádio. Sua observação permitiu localizar as galáxias onde ocorreram as erupções e medir suas distâncias.

Propriedades

Penetração na matéria

A radiação alfa é formada por núcleos de hélio e pode ser detida por uma folha de papel. A radiação beta, formada por elétrons ou pósitrons, pode ser detida por uma chapa de alumínio. A radiação gama exige blindagens mais espessas, feitas de materiais como chumbo ou concreto.

Devido ao seu poder de penetração, os raios gama exigem uma massa considerável de material de blindagem para que sua intensidade seja reduzida a níveis adequados à proteção das células vivas. Partículas alfa podem ser detidas por papel ou pela camada externa da pele, e partículas beta, por chapas finas de alumínio. A atenuação dos raios gama depende da energia dos fótons, do número atômico Z e da densidade do material. Materiais densos e de número atômico elevado, como o chumbo, permitem blindagens mais compactas. A vantagem por unidade de massa em relação ao alumínio, ao concreto, à água ou ao solo varia com a energia da radiação. Roupas de proteção, óculos e respiradores podem reduzir a contaminação por materiais emissores de partículas alfa e beta, inclusive sua inalação ou ingestão, mas não protegem contra raios gama de fontes externas.

A espessura necessária para uma blindagem depende da energia dos raios gama e do material escolhido. Uma medida usada nessa avaliação é a camada semirredutora, a espessura que reduz à metade a intensidade de um feixe. Para a radiação do cobalto-60, valores de referência são cerca de 1,2 cm de chumbo e 6,2 cm de concreto. Outros materiais, como granito e solo compactado, também atenuam a radiação, mas as espessuras equivalentes dependem de sua composição e densidade. A comparação entre blindagens precisa levar em conta essas condições, pois uma mesma redução da intensidade não corresponde a uma razão fixa entre suas massas.

O urânio empobrecido também é usado na blindagem de fontes portáteis de raios gama para radiografia industrial. Para fontes comuns, como irídio-192 e cobalto-60, sua camada semirredutora tem cerca de 60% da espessura necessária em chumbo. Ele também custa menos do que o tungstênio.

Em uma usina nuclear, estruturas de aço e concreto fornecem blindagem, enquanto a água protege contra a radiação dos elementos combustíveis durante o armazenamento e a movimentação entre o reator e a piscina de combustível. A perda dessa água ou a retirada de um elemento combustível irradiado para o ar aumenta os níveis de radiação ao redor.

Interação com a matéria

Coeficiente total de absorção de raios gama do alumínio, de número atômico 13, em função da energia dos fótons, com as parcelas devidas aos três processos. O efeito fotoelétrico predomina nas energias baixas, o espalhamento Compton nas intermediárias e a produção de pares nas altas.
Coeficiente total de absorção de raios gama do chumbo, de número atômico 82, em função da energia dos fótons. O efeito fotoelétrico predomina nas energias baixas. Acima de 5 MeV, a produção de pares passa a predominar.

Ao atravessar a matéria, um raio gama tem uma probabilidade de interação que depende da espessura percorrida, da densidade e da seção de choque do material. Para um feixe estreito, a intensidade dos fótons que não sofreram interação diminui de forma exponencial com a distância a partir da superfície de entrada:

Nessa expressão, x é a espessura atravessada, I0 é a intensidade incidente e μ = nσ é o coeficiente de atenuação, medido em cm−1. A grandeza n é a quantidade de átomos por cm3 do material, ou densidade atômica, e σ é a seção de choque, em cm2.

Essa lei de atenuação considera apenas os fótons do feixe que não sofreram interação. Em uma blindagem, fótons espalhados também podem chegar ao ponto de medição e aumentar a dose. Essa parcela pode ser incorporada ao cálculo por um fator de acumulação, ou buildup, cujo valor depende da energia dos fótons, do material e da espessura atravessada.

A radiação gama provoca ionização por meio de diferentes processos:

  • Efeito fotoelétrico. Um fóton gama transfere toda a sua energia a um elétron do átomo, que é expulso. A energia cinética do fotoelétron é igual à energia do fóton incidente menos a energia de ligação do elétron ao átomo. O efeito fotoelétrico costuma predominar na transferência de energia de fótons X e gama abaixo de 50 keV, embora essa faixa dependa do material. Sua participação diminui nas energias mais altas.
  • Espalhamento Compton. Um fóton gama transfere parte de sua energia a um elétron e pode expulsá-lo do átomo. O fóton sai com menor energia e em outra direção. A probabilidade desse espalhamento diminui à medida que a energia do fóton aumenta. Ele costuma predominar na faixa intermediária, aproximadamente entre 100 keV e 10 MeV, dependendo do material. Por unidade de massa, sua probabilidade varia pouco com o número atômico. Nessa faixa, materiais muito densos, como o chumbo, podem oferecer uma vantagem por massa relativamente pequena sobre os menos densos.
  • Produção de pares. Esse processo se torna possível quando a energia do fóton ultrapassa aproximadamente 1,02 MeV. No chumbo, passa a predominar acima de cerca de 5 MeV. Ao interagir com o campo elétrico de um núcleo, o fóton pode dar origem a um par elétron-pósitron. A energia acima da necessária para formar as massas de repouso das duas partículas se distribui entre a energia cinética do par e o recuo do núcleo. Depois de perder energia no material, o pósitron pode se aniquilar com um elétron. A aniquilação em repouso geralmente produz dois fótons gama de aproximadamente 0,511 MeV cada. Se as partículas ainda tiverem energia cinética, a energia total dos fótons será maior.
  • Reação fotonuclear. O raio gama excita o núcleo a um estado de alta energia, que pode decair pela emissão de partículas subatômicas ou sofrer fotofissão.

Os elétrons e pósitrons secundários produzidos nessas interações frequentemente têm energia suficiente para provocar novas ionizações.

Interação com a luz

Raios gama de alta energia, entre 80 GeV e cerca de 10 TeV, provenientes de quasares distantes podem ser usados para estimar a luz de fundo extragaláctica. Os fótons gama de maior energia interagem mais facilmente com os fótons dessa luz de fundo. A análise dos espectros gama que chegam à Terra permite estimar a densidade desse campo de radiação.

Espectroscopia gama

Ver artigo principal: Espectroscopia gama.

A espectroscopia gama estuda as transições de energia dos núcleos atômicos, geralmente acompanhadas da absorção ou emissão de raios gama. Como na espectroscopia óptica, em que se aplica o princípio de Franck-Condon, a absorção depende das condições da transição. Um núcleo tem maior probabilidade de absorver um raio gama quando a energia do fóton coincide com a diferença de energia entre dois de seus estados. Isso produz uma ressonância.

Essa ressonância é usada na espectroscopia Mössbauer. No efeito Mössbauer, a fixação dos núcleos em uma rede cristalina permite emissões e absorções sem perda apreciável de energia por recuo nuclear. Para que haja ressonância, isso precisa ocorrer na emissão e na absorção. Se parte da energia da transição se transformar em energia cinética de recuo, o fóton pode deixar de ter a energia necessária para excitar o núcleo absorvedor. Quando o fóton leva praticamente toda a energia da desexcitação nuclear, ele pode excitar o mesmo estado em outro núcleo do mesmo tipo, fixado na rede cristalina.

Detecção

Nos detectores de cintilação, a energia depositada pela radiação produz pequenos pulsos de luz, que uma fotomultiplicadora ou um fotodiodo converte em sinais elétricos. Um material usado nesses detectores é o iodeto de sódio com tálio. A intensidade dos pulsos permite estimar a energia depositada pelos fótons.

Nos detectores semicondutores, a radiação gera cargas elétricas diretamente no material. Detectores de germânio de alta pureza permitem separar linhas de energia muito próximas e oferecem melhor resolução em energia do que os cintiladores de iodeto de sódio. Essa capacidade ajuda a distinguir os radionuclídeos presentes em uma amostra pela posição de seus picos no espectro gama.

Aplicações

Imagem de raios gama de um caminhão com duas pessoas escondidas, obtida pelo sistema de inspeção de veículos e contêineres VACIS

Os raios gama permitem estudar alguns dos fenômenos mais energéticos do Universo, mas a atmosfera terrestre absorve grande parte dessa radiação. Instrumentos em balões de grande altitude e em satélites, como o telescópio espacial Fermi, permitem observá-la. Nas energias mais altas, observatórios no solo também detectam os efeitos das cascatas de partículas produzidas pelos raios gama na atmosfera.

A irradiação pode modificar a cor de pedras preciosas e semipreciosas usando raios gama, feixes de elétrons ou nêutrons. Um exemplo é a obtenção de topázios azuis por irradiação.

Sensores industriais sem contato usam fontes gama para medir nível, densidade e espessura em refinarias, na mineração, na indústria química, no processamento de alimentos, na fabricação de sabões e detergentes e na produção de papel e celulose. Sensores gama também medem níveis de líquidos nas indústrias de água e petróleo. Entre os radioisótopos usados como fontes estão o cobalto-60 e o césio-137.

Nos Estados Unidos, equipamentos de inspeção por raios gama são usados no controle de cargas e contêineres, inclusive em iniciativas de segurança portuária. Esses sistemas permitem examinar o interior das cargas sem abrir cada contêiner.

A radiação gama pode destruir organismos em um processo de irradiação. Entre suas aplicações estão a esterilização de equipamentos médicos, que também pode ser feita por autoclaves ou por agentes químicos, a redução de bactérias que deterioram alimentos e a inibição da brotação de produtos vegetais. Esses usos ajudam a prolongar a conservação dos alimentos.

Na agricultura, a irradiação com raios gama pode induzir mutações em sementes ou em outras partes das plantas. O material irradiado é cultivado e as plantas com características úteis são selecionadas para obter novas variedades. Esse método é chamado de melhoramento por mutação.

Os raios gama também são usados para tratar certos tipos de câncer, pois podem destruir células tumorais. Na radiocirurgia com Gamma Knife, muitos feixes concentrados de radiação gama são dirigidos ao tumor a partir de ângulos diferentes. A dose se concentra na região a ser tratada, com menor exposição dos tecidos ao redor.

Na medicina nuclear, radioisótopos emissores de raios gama são usados em exames de imagem. Na tomografia por emissão de pósitrons, ou PET, a fluorodesoxiglicose marcada com flúor-18 emite pósitrons. Sua aniquilação com elétrons produz pares de fótons gama. Como muitos tumores consomem mais glicose do que os tecidos ao redor, o exame pode ajudar a localizá-los.

Um dos emissores gama mais usados na medicina é o isômero nuclear tecnécio-99m, cuja radiação tem energia semelhante à dos raios X usados no diagnóstico. Após a administração do radiofármaco, uma câmara gama detecta os fótons emitidos e produz uma imagem de sua distribuição no corpo. A tomografia computadorizada por emissão de fóton único, ou SPECT, utiliza esse princípio. Conforme a molécula marcada, essas técnicas permitem investigar diferentes doenças, como a disseminação do câncer para os ossos por meio da cintilografia óssea.

Efeitos sobre a saúde

Ver também: Radiação ionizante.

Os raios gama podem lesar as células e, devido ao seu poder de penetração, atingir tecidos em diferentes partes do corpo. Sua ionização é indireta, por meio das partículas carregadas produzidas nas interações com a matéria. Partículas alfa depositam energia de forma muito mais concentrada ao longo de percursos curtos. Para fins de proteção radiológica, fótons gama e partículas beta recebem o mesmo fator de ponderação da radiação, igual a 1.

Em doses baixas, o risco é estocástico, ou seja, a dose está relacionada à probabilidade de efeitos como câncer e alterações hereditárias. A Comissão Internacional de Proteção Radiológica adota, para a faixa abaixo de cerca de 100 mSv, a hipótese de que a incidência desses efeitos aumenta em proporção à dose equivalente nos órgãos e tecidos relevantes. A unidade mSv corresponde a um milésimo de sievert. Em doses elevadas, podem ocorrer reações teciduais, também chamadas de efeitos determinísticos. Acima dos limiares de dose, sua gravidade tende a aumentar com a dose absorvida, medida em gray, de símbolo Gy.

Efeitos e resposta do organismo

Quando a radiação gama rompe moléculas de DNA, a célula pode, dentro de certos limites, reparar o material genético. Em experimentos publicados em 2003 por Kai Rothkamm e Markus Löbrich com células humanas expostas a raios X, o reparo de quebras de dupla fita foi eficiente após doses mais altas, mas muito mais lento após doses muito baixas.

A exposição prolongada à radiação gama em baixas taxas de dose pode causar danos genéticos. Em um experimento com camundongos expostos continuamente por 45 dias, houve aumento de danos cromossômicos, lesões no DNA e mutações fenotípicas em células sanguíneas. Esses resultados mediram efeitos genotóxicos, sem demonstrar diretamente a ocorrência de câncer nos animais. Em outro experimento, ratos expostos de forma aguda a até 10 Gy de radiação gama apresentaram dano oxidativo em proteínas, lesões no DNA, carbonilação da troponina T cardíaca e cardiomiopatia de longa duração.

Avaliação do risco

A radiação gama do solo e dos materiais de construção corresponde a cerca de 13% da dose média anual de radiação no Reino Unido. Estimativas de exposição natural à radiação externa variam entre as regiões. Uma estimativa publicada em 1987 para os Estados Unidos era de 3,6 mSv por habitante por ano para a exposição total, incluindo fontes naturais e artificiais. Em simulações de transporte de radiação, micropartículas de urânio empobrecido no corpo aumentam a dose devida à radiação gama natural na sua vizinhança imediata, ao intensificar as interações dos fótons no material. Em uma simulação de 2013, esse efeito teve participação desprezível na dose média em 1 cm3 de tecido ao redor de uma partícula de 10 μm.

Uma radiografia do tórax produz uma dose pequena em comparação com a exposição natural anual. O valor de cerca de 0,06 mSv foi usado em estimativas mais antigas, enquanto uma referência mais recente adota cerca de 0,1 mSv. Uma tomografia do tórax costuma produzir uma dose da ordem de 5 a 8 mSv. Em cálculos publicados em 2009, a dose de um exame de corpo inteiro que combina PET e tomografia computadorizada variou entre cerca de 13,5 e 32 mSv, conforme o protocolo. A fluoroscopia do trato gastrointestinal superior com bário tem uma dose típica de cerca de 6 mSv, aproximadamente dois anos de exposição à radiação natural de fundo.

Uma exposição aguda de corpo inteiro a cerca de 1 Gy de radiação gama pode causar náusea e vômito. Doses de 2 a 3,5 Gy podem provocar sintomas mais graves, como diarreia, queda de cabelo, hemorragias e dificuldade para combater infecções. A mortalidade depende da dose, da distribuição da exposição e do tratamento. A dose letal para 50% das pessoas expostas em até 60 dias é estimada em cerca de 2,5 a 5 Gy. Em torno de 10 Gy de exposição aguda de corpo inteiro, as lesões gastrointestinais tornam a recuperação extremamente improvável, mesmo com tratamento intensivo. Doses totais muito maiores podem ser administradas a regiões limitadas do corpo durante a radioterapia, geralmente divididas em sessões.

Em um estudo publicado em 2005 com trabalhadores da indústria nuclear de 15 países, a dose média acumulada foi de 19,4 mSv. A estimativa foi de que 1% a 2% das mortes por câncer entre esses trabalhadores poderiam ser atribuídas à exposição ocupacional. Para uma dose acumulada de 100 mSv, o aumento estimado da mortalidade por câncer, excluída a leucemia, foi de 9,7%, em comparação com as taxas de base. Para cânceres sólidos, o excesso de risco relativo foi de 0,87 por sievert entre os trabalhadores. A estimativa comparável para homens expostos às bombas de Hiroshima e Nagasaki entre os 20 e os 60 anos era de 0,32 por sievert, estatisticamente compatível com a primeira.

Uma atualização do estudo INWORKS, publicada em 2023, reuniu 309.932 trabalhadores da França, do Reino Unido e dos Estados Unidos. A taxa de mortalidade por cânceres sólidos apresentou um aumento estimado de 52% por gray de dose acumulada, com intervalo de confiança de 90% entre 27% e 77%. A análise considerou uma defasagem de dez anos entre a exposição e o período de risco.

Unidades de medida e exposição

A tabela apresenta grandezas relacionadas à radiação ionizante, suas unidades no Sistema Internacional e unidades de origem métrica usadas fora dele.

Grandezas relacionadas à radiação ionizante
Grandeza Unidade Símbolo Expressão da unidade Equivalente no SI
Atividade, A becquerelBqs−1Unidade do SI
curieCi3,7 × 1010 s−137 GBq
rutherfordRd106 s−11 MBq
Exposição à radiação, X coulomb por quilogramaC/kgC·kg−1 de arUnidade do SI
röntgenRUma unidade eletrostática de carga por 0,001293 g de ar2,58 × 10−4 C/kg
Dose absorvida, D grayGyJ·kg−1Unidade do SI
erg por gramaerg/gerg·g−110−4 Gy
radrad100 erg·g−10,01 Gy
Dose equivalente, H sievertSvJ·kg−1Unidade do SI
remrem100 erg·g−10,01 Sv
Dose efetiva, E SievertSvJ·kg−1Unidade do SI
Remrem100 erg·g−10,01 Sv

Os fatores wR e wT ponderam, respectivamente, o tipo de radiação e a sensibilidade dos tecidos. Os nomes becquerel e gray foram adotados no SI em 1975, e sievert, em 1979.

A medida da ionização produzida por raios gama e X no ar seco é chamada de exposição. Sua unidade histórica, o röntgen, foi adotada em 1928. O kerma, outra grandeza relacionada à energia transferida pela radiação, passou a ser usado em muitas aplicações de dosimetria e calibração de instrumentos. O efeito da radiação sobre tecidos vivos depende mais diretamente da energia depositada neles do que da ionização do ar. A partir de 1953, foram desenvolvidas e adotadas outras unidades e grandezas para a proteção radiológica.

Distinção entre raios gama e raios X

A Lua observada pelo Observatório de Raios Gama Compton em raios gama com energia superior a 20 MeV. Essa radiação é produzida pelo bombardeio da superfície lunar por raios cósmicos. O Sol não tem uma superfície rochosa semelhante e, fora de erupções, é muito fraco nessa faixa de energia. Durante erupções solares, a aceleração de partículas pode produzir raios gama de alta energia.

A distinção convencional entre raios X e gama mudou desde sua descoberta. A radiação eletromagnética dos tubos de raios X quase sempre tinha comprimentos de onda maiores do que os da radiação gama emitida por núcleos radioativos. Publicações antigas separavam os dois tipos por um comprimento de onda escolhido como limite, por exemplo 10−11 m. A radiação com comprimento de onda menor era chamada de gama. Como a energia de um fóton é proporcional à frequência e inversamente proporcional ao comprimento de onda, essa separação também equivalia a classificar como gama a radiação de maior energia.

As fontes artificiais passaram a produzir fótons com energias iguais às das emissões nucleares ou muito maiores. As faixas de comprimento de onda se sobrepuseram, e a origem passou a ser um critério frequente de distinção. Nessa convenção, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, e os raios gama, pelo núcleo. Na astronomia, porém, a radiação de processos de alta energia também recebe o nome de gama mesmo quando não vem de decaimento radioativo. O decaimento gama propriamente dito pode ser observado na emissão tardia de algumas supernovas.

Os raios X de alta energia produzidos por aceleradores lineares para radioterapia de megavoltagem, por exemplo, podem ter entre 4 e 25 MeV, mais do que a maioria dos raios gama de decaimento nuclear. O tecnécio-99m, muito usado no diagnóstico por medicina nuclear, emite raios gama de cerca de 140 keV. Essa energia é semelhante à de fótons produzidos por equipamentos de raios X para diagnóstico e muito menor do que a dos fótons terapêuticos de aceleradores lineares. Na medicina, costuma-se reservar o nome "gama" para a radiação produzida por transições nucleares.

Na física, a distinção pela origem também é frequente. Os raios X podem ser emitidos por elétrons em transições entre orbitais ou por elétrons acelerados que produzem bremsstrahlung. Os raios gama podem vir do núcleo, do decaimento de partículas ou de processos de aniquilação. Uma transição nuclear não tem um limite inferior universal de energia que a separe das emissões eletrônicas. Por isso, uma transição nuclear pode produzir até fótons ultravioletas. O isômero de baixa energia tório-229m é um exemplo. A emissão ultravioleta de amostras com urânio-233 e tório-229 foi investigada em 1999, e a emissão radiativa da transição isomérica do tório-229 foi observada diretamente em 2023. O critério de origem nuclear e o critério de faixa de energia coexistem, com usos que variam entre as áreas científicas.

Na astronomia, os raios X e gama de alta energia costumam ser separados pela energia dos fótons. Os processos que os produzem podem ser incertos, e é a energia que determina o tipo de detector necessário. Há fótons de alta energia produzidos por outros processos que recebem o nome de raios gama. Um exemplo são os fótons de 10 a 20 MeV gerados por bremsstrahlung nas descargas elétricas de tempestades.

As erupções de raios gama também envolvem processos muito mais energéticos do que o decaimento radioativo de um conjunto de átomos. Grande parte da radiação gama astronômica vem de processos não radioativos, como a radiação síncrotron e o espalhamento Compton inverso, que também podem produzir raios X. Uma parcela, porém, vem do decaimento de núcleos e pode ser distinguida pelas linhas do espectro e pela evolução temporal da emissão. Na supernova SN 1987A, o decaimento do níquel-56 e do cobalto-56 recém-formados produziu uma emissão gama tardia. A maioria dos raios gama astronômicos é gerada por outros mecanismos.

As energias dos raios gama se sobrepõem às dos raios X, sobretudo aos chamados raios X duros, de frequência mais alta. O diagrama segue a convenção antiga de separá-los pelo comprimento de onda.

Ver também

Referências

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  75. ↑ "Bremsstrahlung" significa "radiação de frenagem". Neste caso, "aceleração" tem o sentido específico de desvio da trajetória de um elétron. Serway, Raymond A; et al. (2009). College Physics. Belmont, Califórnia: Brooks Cole. p. 876. ISBN 978-0-03-023798-0
  76. ↑ Shaw, R. W.; Young, J. P.; Cooper, S. P.; Webb, O. F. (1999). «Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples». Physical Review Letters. 82 (6): 1109–1111. Bibcode:1999PhRvL..82.1109S. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1109
  77. ↑ Kraemer, S.; et al. (2023). «Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer». Nature. 617: 706–710. doi:10.1038/s41586-023-05894-z

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