SEL5705 - Prof. Homero Schiabel

SEL 5705 - FUNDAMENTOS
FÍSICOS DOS PROCESSOS DE
FORMAÇÃO DE IMAGENS
MÉDICAS
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(Sub-área de Imagens Médicas)
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III. RAIOS X
1. HISTÓRICO
z
Início do séc. XIX – Faraday:
Πconceitos
da Eletrostática e da
indução eletromagnética (Æ motor
elétrico);
Œ “fundou”
a
Eletroquímica
e
introduziu termos como eletrodo,
anodo, catodo, íon.
Michael
Michael Faraday
Faraday
(1791-1867)
(1791-1867)
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z
z Meados do séc. XIX - Maxwell:
ŒŒ previu
previu aa existência
existência ee natureza
natureza das
das ondas
ondas
eletromagnéticas
eletromagnéticas;;
James
James K.
K.
Maxwell
Maxwell
(1831-1879)
(1831-1879)
(http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u26.jhtm)
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z
1869 – Johann W. Hittorf
ΠEstudo de tubos de descarga de raios
energéticos a partir de um eletrodo negativo (catodo)
Œ Produziam fluorescência quando atingiam as paredes de vidro do tubo.
z
Johann
Johann
Wilhelm
Wilhelm
Hittorf
Hittorf
(1824-1914)
(1824-1914)
1874 – William Crookes
Œ Desenvolvimento dos primeiros “tubos de
raios catódicos” (ampola de Crookes)
ΠSugerido como equipamento indicado
para produzir “ondas eletromagnéticas
artificiais penetrantes”
William
William
Crookes
Crookes
(1832-1919)
(1832-1919)
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Tubo Hittorf
A
A cruz
cruz de
de Malta
Malta de
de metal,
metal,
colocada
colocada entre
entre oo catodo
catodo ee oo
anodo
anodo servia
servia de
de sombra
sombra para
para os
os
raios
raios catódicos,
catódicos, que
que
geravam
geravam uma
uma fosforescência
fosforescência ao
ao
colidirem
colidirem com
com oo vidro
vidro na
na frente
frente
do
do tubo
tubo
Ampola
Ampola de
de Crookes
Crookes
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z
1886 – Eugene Goldstein:
Œ Denominação “raios catódicos” (kathodenstrahlen)
Œ Tubo de raios catódicos com catodo perfurado
emite uma luminescência próxima ao catodo
Ä Conclusão: além dos raios catódicos
(catodo Æ anodo), haveria um outro tipo de
raio na direção oposta ➨ raios CANAL
http://www.goalfinder.com/product.asp?productid=106
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z
1887 - Heinrich Hertz:
Œ Produção em laboratório de ondas
eletromagnéticas
ΠMesmas propriedades e natureza da
luz (ondas de rádio)
z
Heinrich
Heinrich R.
R.
Hertz
Hertz
(1857-1894)
(1857-1894)
1890-1898
Œ investigações extensivas em toda a Europa das
propriedades dos raios catódicos
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z
J.J. Thomson:
Œ Raios catódicos são partículas eletrizadas
ou ambos são coisas distintas?
Joseph
Joseph John
John
Thomson
Thomson
Œ Experiências com partículas de carga
(1856-1940)
(1856-1940)
negativa
(1897)
Œ Medição do tamanho e velocidade do elétron*
Modelo Atômico de Thomson
(“pudim de passas” – “sopa de carga positiva”)
* o retrato da partícula só foi possível obter em 1911, com a “câmera de Wilson”
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Fonte de tensão
http://www.hcc.mnscu.edu/chem/V.08/index.html
Fonte de tensão
Fonte de tensão
Para bomba
de vácuo
Para bomba
de vácuo
Para bomba
de vácuo
Raios Catódicos
defletidos pelo
campo magnético
Raios Catódicos
defletidos pelo
campo
magnético
Raios
Catódicos
defletidos pelo
campo magnético
Não conseguiu medir separadamente
carga e massa da partícula, mas
determinou a relação entre elas:
e/m = -1,76.108 C/g
Deflexão do feixe
afetada por:
(1) Massa da partícula
(elétron) – maior
massa, menor
deflexão;
(2) Carga da partícula
– maior carga,
maior deflexão
Robert Millikan – em
1911 – conseguiu
estabelecer
experimento que
mediu a carga do
elétron (1,6.10-9 C)
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2. HISTÓRICO – Descoberta dos Raios X
z
z 1880 – Goldstein:
ŒŒ uma
uma tela
tela fluorescente
fluorescente podia
podia ser
ser excitada,
excitada, mesmo
mesmo
quando
quando protegida
protegida dos
dos raios
raios catódicos
catódicos
z
z 1894 – Thomson:
Œ fosforescência
fosforescência em
em peças
peças de
de vidro
vidro colocadas
colocadas aa
vários
vários centímetros
centímetros de
de distância
distância do
do tubo
tubo de
de vácuo
vácuo
z
1894 – Phillip Lenard:
Œ Raios catódicos podem ser observados
fora do tubo de Crookes?
Œ Tubo + janela Al (2,5 μm) Æ interação com Phillip
Phillip E.
E. A.
A.
Lenard
Lenard
materiais fosforescentes (“raios Lenard”)
(1862-1947)
(1862-1947)
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“Raios Lenard”:
Œ Sensibilizavam chapas fotográficas
Œ Disco de Al com carga elétrica se descarregava se
colocado no caminho dos raios
Œ Alguns raios eram defletidos e outros não por
campo magnético
CONCLUSÃO ➨ “raios Lenard” eram, na verdade,
constituídos de raios catódicos (elétrons) e raios X
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z
1895 - WILHELM CONRAD RÖENTGEN:
Œ experiências com tubos de raios catódicos;
Œ busca da detecção das ondas eletromagnéticas
(tubo com excelente vácuo e boa fonte de alta
tensão - milhares de V);
Œ próxima do tubo: placa fluorescente de cianeto
de platina e bário;
Wilhelm
Wilhelm C.
C.
Röentgen
Röentgen
(1845-1923)
(1845-1923)
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Lab. de Röentgen (Un. Würzburg)
Bobina de indução de Ruhmkorf
(usada nos 1os. Experimentos de
Röentgen)
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Roentgen-Roehre.png
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Œ (08/11/1895 – 6a.feira) para facilitar a observação
da fraca luminosidade da placa fosforescente,
Röentgen fechou as cortinas do laboratório e cobriu
o tubo com uma caixa de papelão preto;
Œ ao ligar o tubo à eletricidade notou um brilho
quase imperceptível no fundo da sala - que
desaparecia quando o tubo era desligado;
Πbrilho vinha de uma outra placa localizada num
canto do lab.;
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Œ placa mais próxima Î brilho mais intenso;
Œ NÃO era efeito dos raios catódicos (só se
propagam no vácuo);
Œ placas de madeira e metal não inibiam o brilho Î
radiação muito penetrante;
Tubo original usado por Röentgen
http://www.sciencemuseum.org.uk/images/I057/10324718.aspx
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Œ só o chumbo conseguia bloquear os RAIOS X;
Œ disco de chumbo diante da placa Î sombra do
disco e de sua própria mão
http://www.cerebromente.org.br/n20/history/neuroi
http://www.cerebromente.org.br/n20/history/neuroi
Tubo
Tubo Gundelach
Gundelach
http://www.uibk.ac.at/exphys/museum/en/details/tubes/roentgen.html
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Œ próximo passo: substituir a peça fluorescente
por uma placa fotográfica Î “fotografia” da
mão de sua esposa, Anna Bertha Ludwig (d.
Bertha) Î primeira RADIOGRAFIA (publicada)
da História
anel de casamento
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Conclusões:
Œ fluorescência em certas substâncias;
Œ escurecimento de filmes fotográficos;
Œ radiação eletromagnética (não sofre desvios em
campos elétricos ou magnéticos);
Œ mais penetrantes após passar por absorvedores;
Œ diversas aplicações, principalmente, na Medicina.
Rifle de caça de Röentgen
(negativo da radiografia)
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1894-5 – Herbert Jackson:
Œ Tubos com catodo côncavo de Al
Œ Anticatodos de materiais não
fosforescentes, inclusive metais ➨
investigação se tais materiais poderiam
emitir radiação fosforescente invisível
Tubo
Tubo de
de Jackson
Jackson (1895)
(1895)
Herbert Jackson
(1863-1936)
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1894-5 – Herbert Jackson:
Œ Texto do obituário de membros da
Royal Society (Jan/1938):
“Não há dúvida que a resposta de telas fosforescentes
próximas ao tubo foi, em alguns casos e algum nível,
devida aos raios X emitidos pelo anticatodo e que,
analisadas as observações sob um ponto de vista
diferente, a descoberta de Röentgen poderia ter sido
consideravelmente antecipada. Todavia, em nenhum
momento sir H. Jackson reclamou ou sugeriu para si a
descoberta dos raios X. Durante essas investigações ele
considerava estar lidando com radiações ultravioletas e
expressamente disse em várias ocasiões que nunca havia
descoberto ou suspeitado do poder de penetração
característico das radiações emitidas pelo anticatodo.”
Obituary Notices of Fellows of the Royal Society, Vol. 2, No. 6 (Jan., 1938), pp. 307-314
(disponível em http://www.jstor.org)
Herbert Jackson
(1863-1936)
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Foto da 1a.
Radiografia de
Röentgen – da
mão de sua
esposa.
(Reynolds
Hystorical
Library)
Capa da reimpressão da 1a. Edição
(http://www.mindfully.org/Nucs/Roetgen-XRays28dec1895.htm)
http://www.uab.edu/reynolds/MajMedFigs/Rontgen.htm
(Un. Alabama)
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Cientistas lotando sala na Universidade de Würzburg (Alemanha), em
jan/1896, quando Röentgen demonstrou os raios X, radiografando a
mão de Albert von Kölliker (pres. Soc. Científica de Würzburg)
A History of Medicine In Pictures (Parke, Davis & Company). Pintura de Robert A. Thomas
(http://www.uihealthcare.com/depts/medmuseum/galleryexhibits/collectingfrompast/xray/xray.html)
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As primeiras experiências com raios X no
Gabinete de Física, noticiadas na primeira
página de O Século de 01/03/1896
http://www.medicinaintensiva.com.br/roentgen.htm
Radiografia da mão de
Albert von Kölliker (pres. Soc.
Científica de Würzburg), feita
por Röntgen em 1896
http://www.cerebromente.org.br/n20/history/
http://www.cerebromente.org.br/n20/history/
neuroimage2_p.htm
neuroimage2_p.htm
Fluoroscópio
(T. Edison)
1896
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Na prática clínica, médico visualizava
através de cone específico
(fluoroscópio)
http://www.medicinaintensiva.com.br/roentgen.htm
Radiografias das mãos do Rei
George e Rainha Mary, 1896
(http://www.sciencemuseum.org.uk)
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3. HISTÓRICO – A Radioatividade
z
Experiências de Röentgen e outros sobre R-X:
Œ Não sofriam desvios em prismas, nem em lentes
Ä não refletiam, nem refratavam (como a Luz);
Œ Não eram desviados por imã (como os raios
catódicos);
Œ Sugeridos como “ondas longitudinais no éter”
http://fisica-acustica.blogspot.com/
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3. HISTÓRICO – A Radioatividade
z
27/Jan/1896 - Henri Poincaré
(Academia de Ciências – França):
ΠR-X seriam produzidos nas paredes do
tubo de vidro (onde são atingidas pelos
raios catódicos – e onde se tornam
fluorescentes) Ä não haveria conexão
entre esses fenômenos?
Jules
Jules Henri
Henri
Poincaré
Poincaré
(1854-1912)
(1854-1912)
Œ Confirma conclusões de Röentgen e afirma:
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>“É, portanto, o vidro que emite os raios Röentgen, e ele
os emite tornando-se fluorescente. Podemos nos
perguntar se todos os corpos cuja fluorescência seja
suficientemente intensa não emitiriam, além de raios
luminosos, os raios X de Röentgen, qualquer que seja a
causa de sua fluorescência. Os fenômenos não seriam
então associados a uma causa elétrica. Isso não é muito
provável, mas é possível e, sem dúvida, fácil de verificar.”
(Roberto A. Martins – “Como Becquerel não descobriu a Radioatividade”, Caderno Catarinense de
Ensino de Física 7, p. 29, 1990.)
http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/C
athode_Ray_Tubes/Cathode_Ray_Tubes.html
http://www.celnav.de/hv/hv5.htm
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z
Fev/1896 – Charles Henry e Gaston
H. Niewenglowski ¨ testes da
hipótese de Poincaré
Março 1896 - Antoine Henri Becquerel
Œ Estudava fosforescência e, em particular,
fluorescência dos sais de URÂNIO;
Œ Confirma a hipótese de Poincaré e testes
de Niewenglowski Ä verifica sombras de
objetos metálicos em placas fotográficas
radiação de sais de URÂNIO (expostos
ao sol)
Antoine Henri
Becquerel
(1852-1908)
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Antoine Henri
Becquerel
(1852-1908)
ΠVerifica que o mesmo acontece expondo o
material a luz refletida, refratada ou sem luz.
http://mips.stanford.edu/public/classes/bioe222/lectures/sgambhir/intro2/history.html
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Œ 2o. Artigo: “(...) suposição de que essas radiações, cujos
efeitos possuem uma forte analogia com os efeitos
produzidos pelas radiações estudadas por Lenard e
Röentgen, poderiam ser radiações invisíveis emitidas por
fosforescência (...) duração infinitamente maior do que a
das radiações luminosas emitidas por essas substâncias.
No entanto, as experiências presentes, sem serem
contrárias a essa hipótese, não permitem formulá-la”.
Fenômeno muito semelhante à fosforescência
invisível (como a radiação IV)
Œ MAS: radiação IV (£¤luz) > reflete e refrata
(Becquerel diz que ela reflete em metal e refrata
no vidro!)
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Œ 3o. Artigo: “(...) "Talvez esse fato [sensibilização de
chapas fotográficas mesmo por 7 dias no escuro] possa ser
comparado à conservação indefinida, em certos corpos, da
energia que absorveram e que é emitida quando são
aquecidos, fato sobre o qual já chamei atenção em um
trabalho [de 1891] sobre a fosforescência pelo calor"
Registro obtido por Becquerel em
chapa fotográfica de radiações
emitidas naturalmente.
http://ftp.cat.cbpf.br/verao98/marisa/BECQUEREL.HTML
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Maio/1896
Œ Becquerel ¨ todos compostos de urânio emitiam
a radiação invisível:
ª radiação
espontânea
ª proporcional à concentração dos sais;
ª sem variação com temperatura, campo
eletromagnético, pressão ou estado químico
Œ Urânio metálico também emitia (“primeiro caso
de fosforescência invisível num metal”)
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1898 – Casal Curie (Pierre e Maria Sklodowska):
Œ Abril > Tório emite radiação (como o U)
Œ Pechblenda (óxido de U) e Calcolita
(fosfato de cobre e uranila) Î mais ativos
que o U puro
Monazita (Terra rara
+ fosfato de Tório)
Pierre
Pierre Curie
Curie
(1859-1906)
(1859-1906)
Marie
Marie
Sklodowska
Sklodowska
Curie
Curie
(1867-1934)
(1867-1934)
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Œ Elementos mais pesados absorveriam e, então,
emitiriam radiações externas penetrantes?
?
Polônio (minério de U 100μg / tonelada) – Z = 84
Amostra de Rádio
(Z = 88)
ΠRADIOATIVIDADE
Œ Junho ¨ POLÔNIO (a partir da Pechblenda)
Œ Radioatividade é uma propriedade atômica
Œ Dezembro ¨ RÁDIO (900 x mais ativo que U)
http://www.periodictable.com/Elements/088/index.html
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1901 – Prêmio Nobel de Física
(1o.) para Röentgen
1903 – Prêmio
Nobel de Física para
Becquerel, Marie e
Pierre Curie
z
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1911 – Prêmio Nobel de Química
para Marie Curie
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Ernest Rutherford:
Œ 1898 (Cambridge) ¨ 2 tipos de radiação
do U: uma facilmente absorvida e outra
mais penetrante (α e β)
Œ 1899 (Paul Villard) ¨ raios γ
Œ 1899 (McGill Univ. – Montreal) ¨ radônio
(gás) – emanação radioativa do Tório.
Ernest
Ernest
Rutherford
Rutherford
(1871-1937)
(1871-1937)
Œ (com Frederick Soddy) ¨ alguns átomos pesados decaem
espontaneamente em outros
mais leves (desintegração
atômica > radioatividade)
http://www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/energia-nuclear/energia-nuclear.php
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RADIOATIVIDADE:
Œ transformação espontânea do núcleo atômico
de um nuclídeo para outro, com emissão de
um ou mais tipos de radiação (característica
das transformações): desintegração.
Œ 1903 ¨ deflexão elétrica e magnética da
radiação α (> partículas positivas)
Œ 1908 ¨ Rutherford: Prêmio
Nobel de Química
http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_16.htm
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Œ 1907 (Manchester) ¨ detector de partículas
emitidas por átomos radioativos (com Hans
Geiger) – detector Rutherford-Geiger
Detector GeigerMüller de radiação
(1928)
http://www.rutherford.org.nz/biography.htm
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Œ 1908-1911 ¨ experiências em sua equipe
para observar a trajetória das partículas alfa
Ernest
Ernest Marsden
Marsden
(1889-1970)
(1889-1970)
Johannes
Johannes Hans
Hans
Wilhelm
Wilhelm Geiger
Geiger
(1882-1945)
(1882-1945)
http://cienciahoje.uol.com.br/122576
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Experiência de Rutherford
Lâmina ouro
Fonte de
partículas alfa
Cobertura Pb
Partículas alfa
Feixe de
partículas alfa
Tela
fluorescente
Núcleo
Átomos de
Au
http://sun.menloschool.org/~dspence/chemistry/atomic/ruth_expt.html
http://br.geocities.com/saladefisica9/
biografias/rutherford.htm
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Experiência de Rutherford
http://enciclopediavirtual.vilabol.uol.com.br/quimica/atomistica/explicacaoexperiencia.htm
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Modelo atômico de Rutherford
http://br.geocities.com/saladefisica9/biografias/rutherford.htm
http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_16.htm
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radiações emitidas eram de três tipos
distintos: α, β, γ
Œ α - núcleos de He (E ≅ 5 MeV);
β - resultado da conversão de um nêutron em
um próton (E ≅ 0,5 Æ 1,0 MeV);
Œ γ - (fótons) resultado do excesso de E que
permanece em “núcleos-filhos” após a desintegração e emissão de radiação – natureza
eletromagnética (E ~ 1,0 MeV)
Œ
http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_16.htm
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Modelo atômico de Bohr
Niels
Niels Henrik
Henrik D.
D. Bohr
Bohr
(1885-1962)
(1885-1962)
Primeira Lei: os elétrons podem girar em órbita somente
a determinadas distâncias permitidas do núcleo.
http://portalsaofrancisco.com.br/alfa/modelo-atomico-de-bohr/modelo-atomico-de-bohr-1.php
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Modelo atômico de Bohr
Niels
Niels Henrik
Henrik D.
D. Bohr
Bohr
(1885-1962)
(1885-1962)
Segunda Lei: um átomo irradia energia quando um elétron salta
de uma órbita de maior energia para uma de menor energia.
Além disso, um átomo absorve energia quando um elétron é
deslocado de uma órbita de menor energia para uma órbita de
maior energia.
http://portalsaofrancisco.com.br/alfa/modelo-atomico-de-bohr/modelo-atomico-de-bohr-1.php
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SPINTARISCÓPIO Ä USO:
Ö Sala escura
Ö Olhar pelas lentes, puxando a barra para dentro e para fora Æ focalizar a
tela do outro lado
Ö visualização de um “céu” de flashes de luz
Ö cada flash Æ decaimento de um átomo de rádio
Ö a maior parte da radiação (~50 mil cont./ min) vem dos produtos de decaimento ocorridos dentro do tubo no último século
Ö Ra decai e torna-se gás radônio, que “cresce” dentro do tubo fechado e, por
sua vez, decai em poucos dias numa variedade de outros elementos e isótopos
lentes
http://www.periodictable.com/Elements/088/index.html
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Pintura de mostradores de relógios a
partir de sal de Rádio (I Guerra Mundial)
http://www.qsl.net/ve3bdb/radiumpic.html
http://blogprowatches.com/
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