Radioatividade Ambiental Paulo Sergio Cardoso - EAEN

Radioatividade Ambiental
Paulo Sergio Cardoso da Silva
Instituto de Pesquisas Energéticas e
Nucleares - IPEN
nucleons
A ESTRUTURA DO NÚCLEO
O número atômico (Z) corresponde ao número de prótons presentes no
núcleo do átomo; por exemplo o alumínio (Al) possui em seu núcleo 13
prótons portanto seu número atômico (Z) é 13. O urânio possui 92 prótons e
seu número atômico é 92.
OS ISÓTOPOS
O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga
elétrica. Com isso, um mesmo elemento químico pode ter massas
diferentes. Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes
são denominados isótopos.
O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o trítio.
O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma
de 3 isótopos:
• U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível);
• U-235, com 143 nêutrons (0,7%);
• U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).
Um
sistema
de
nucleons
com
existência
suficientemente longa para que sua identificação seja
possível é denominado de nuclídeo. Cada nuclídeo é
representado por uma notação formada por um
símbolo do elemento químico correspondente, seu
número atômico Z e sua massa atômica A.
Todos os nuclídeos podem ser representados em uma
tabela, chamada de tabela de nuclídeos, que relaciona
seus respectivos números atômicos e número de
nêutrons.
Razão nêutron-próton
- Núcleos acima/esquerda do
cinturão de estabilidade (altas
Razões
nêutron-próton):
núcleos ricos em nêutrons e
tendem a emitir partículas β.
- Núcleos com números
atômicos ≥ 84: núcleos mais
pesados que tendem a emitir
partícula α
- Núcleos abaixo do cinturão
de estabilidade (baixas razões
nêutron-próton) tendem a ser
estáveis
Radioatividade
elemento radioativo: um núcleo muito energético, por
ter excesso de partículas ou de carga, tende a
estabilizar-se, emitindo algumas partículas.
RADIAÇÃO ALFA OU PARTÍCULA ALFA
Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de
energia é o da emissão de um grupo de partículas positivas, constituídas
por dois prótons e dois nêutrons, e da energia a elas associada. São as
radiações alfa ou partículas alfa.
RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA
Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons
em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um
elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton (beta menos).
No caso de existir excesso de prótons, é emitida uma partícula beta positiva
(beta mais ou pósitron), resultante da conversão de um próton em um nêutron.
RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA
Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons
em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um
elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton (beta menos).
No caso de existir excesso de prótons, é emitida uma partícula beta positiva
(beta mais ou pósitron), resultante da conversão de um próton em um nêutron.
RADIAÇÃO GAMA
O decaimento γ é a emissão de radiação eletromagnética com freqüências
muito elevadas, na porção do espectro eletromagnético correspondente aos
raios γ, causada por um rearranjo dos prótons em um núcleo. Pode
acontecer, por exemplo, quando um núcleo sofre decaimento α ou β,
deixando o núcleo filho em um estado excitado. Este, então, ao passar ao
estado fundamental, emite radiação γ.
Um fóton γ tem massa (de repouso) nula e carga também nula, de modo
que a emissão de um fóton γ por um núcleo não tem efeito sobre o seu
número atômico nem sobre o seu número de massa.
Reações de Fissão Nuclear
Na fissão do isótopo 235 do urânio, produz-se para cada nêutron empregado
na irradiação mais três nêutrons com energia suficiente para induzir a reação
com mais três isótopos de urânio-235 (com a formação de mais três nêutrons
de cada isótopo de urânio, o que resulta em nove nêutrons). O processo se
dá com uma progressão geométrica na geração de nêutrons. A reação
nuclear é designada de reação em cadeia.
Meia-Vida (T½)
Intervalo de tempo para que N0 seja reduzido à metade.
Relação entre T½ e :
N = N0 . e-t  N0/2 = N0 . e-T½ 
0,5 = e-T½  2 = eT½  ln 2 = ln eT½ 
0,693 = T½  portanto:
T½ = 0,693/
Unidades
ATIVIDADE (A) que estabelece a razão da variação do número de eventos
ionizantes na unidade de tempo e que é dada em:
Curie (Ci) - unidade antiga
Bequerel (Bq) - unidade SI
Onde: 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações/segundo - dps
1 Bq = 1 desintegração/segundo - dps
DOSE ABSORVIDA (rad) - grandeza medida pelo quociente da energia
transferida pela radiação ionizante em um elemento de volume pela matéria
contida neste volume e que é dada em:
rad (rad) - unidade antiga
Gray (Gy) - unidade SI
Onde: 1 rad = 1x10-2 J/kg
1 Gy = 1 J/kg (1 Gy = 100 rad)
EQUIVALENTE DE DOSE (rem) - quantidade de qualquer radiação que,
absorvida pelo homem, produz o mesmo efeito que a absorção de 1r de raios
X ou radiação gama e que é dada em:
rem (rem) - unidade antiga
Sievert (Sv) - unidade SI
Onde: 1 rem = 1x10-2 J/kg
1 Sv = 1 J/kg (1 Sv = 100 rem)
Séries Radioativas
Existe um grande número de núcleos com Z > 80,
assim como alguns núcleos com Z pequeno, como o
núcleo de carbono 14 e o núcleo de potássio 40, que
são naturalmente radioativos. Além disso, existe um
número muito maior de núcleos radioativos artificiais,
produzidos em reatores e aceleradores de partículas.
Quando um núcleo radioativo decai, o núcleo filho no
estado fundamental pode ser, ele também, radioativo,
e decair para formar outro núcleo radioativo e assim
por diante. Esse processo pode se prolongar por vários
estágios, formando uma série de gerações de núcleos
relacionados um ao próximo da série como pai para
filho.
Radionuclídeos isolados que ocorrem naturalmente
Principais Radionuclídeos Cosmogênicos
Radioatividade Ambiental
O homem e seu meio ambiente sempre estiveram
sujeitos à radiação ionizante, sendo continuamente
expostos à radiação proveniente do espaço (radiação
cósmica), dos radionuclídeos presentes no solo
(radiação terrestre ou radionuclídeos primordiais) ou
em alimentos, água e ar por ele consumido.
A liberação de materiais radioativos, decorrente de
atividades antropogênicas, como utilização de reatores
nucleares e testes de explosões nucleares, pode
eventualmente contribuir elevando os níveis de
radioatividade no meio ambiente e aumentando a dose
de radiação dos indivíduos expostos, atingindo valores
que podem ser considerados significativos.
Dose individual média anual decorrente de fontes naturais e artificiais
Dose individual média anual decorrente de fontes naturais
Radiação cósmica e radionuclídeos cosmogênicos
As zonas polares maior
fluxo de partículas de
origem cósmica do que
as zonas equatoriais.
A exposição aumenta
também com a altitude
acima do nível do mar.
Radiação terrestre
A radiação terrestre pode ser encontrada em todo o meio ambiente em
vários níveis, dependendo da concentração da atividade presente nas
rochas, solos, água, alimentos e mesmo no corpo humano.
Aproximadamente 95% da população
Aproximadamente 3% da população
1,5%
0,3 e 0,6 mSv/ano.
1mSv/ano
acima de 1,4 mSv/ano
Morro do Ferro, Poços de Caldas, Minas Gerais,
Este lugar não é habitado.
250 mSv/ano
Guarapari,Espírito Santo,
praias cujas areias são ricas em tório.
Casas da região
175 mSv/ano
Costa sudoeste da Índia, (8.513 pessoas)
(500 pessoas)
(60 pessoas)
(50 vezes a dose média devida à radiação terrestre).
8 a 15 mSv/ano
3,8 mSv/ano
mais de 8,7 mSv/ano
mais de 17 mSv/ano
Níveis de exposição à radiação gama terrestre em diversas
localidades
Localização
Taxa de exposição
(mR/ano)
Clallam Bay, Washington
24
“Típica” para EUA
60
Denver, Colorado
114
Localidades atipicamente altas
Kerala, Índia
1.600
Floresta Negra, Alemanha
1.800
Cidade Central, Colorado
2.200
Guarapari, Brasil
17.000
União Soviética
70.000
Aproximadamente 2/3 da dose equivalente efetiva recebida
pelo homem decorrente das fontes naturais de radiação
terrestre são provenientes de substâncias radioativas que se
encontram no solo, ar, nos alimentos e água.
Uma pequena fração desta dose é proveniente
radionuclídeos tais como 14C e 3H, pela radiação cósmica.
de
O restante é decorrente das fontes naturais terrestres.
O homem recebe, em média, 180 µSv/ano de 40K.
O K é um elemento essencial para o seu organismo.
No entanto, a maior parte da dose provém dos radionuclídeos
das séries naturais do 238U e 232Th
Trajetória dos radionuclídeos primordiais nos vários
compartimentos do ecossistema
Dose efetiva devido à ingestão de radionuclídeos das
séries do U e Th, μSv
Radionuclídeos naturais em alimento e água em Bk/kg
210Pb
e 210Po, são introduzidos no organismo com os
alimentos, especialmente peixes e mariscos que concentram
estes elementos.
Os habitantes que vivem no extremo setentrional do
hemisfério norte alimentam-se basicamente de carne de
rena. A carne deste animal contém concentrações elevadas
dos radionuclídeos mencionados, em particular o 210Po. Este
fato ocorre porque durante o inverno as renas alimentam-se
de liquens, que acumulam de forma significativa o 210Po.
Essas pessoas recebem doses 35 vezes superiores aos
valores normais.
No outro extremo do mundo, no oeste da Austrália, que é
uma região rica em urânio, as pessoas recebem doses 75
vezes superiores aos valores normais em virtude do fato de
consumirem carne de ovinos e cangurus.
Radioatividade natural em nosso corpo
Massa total de
nuclídeo em
nosso corpo
Nuclídeo
Atividade total
Ingestão
diária
Uranio
90 µg
30 pCi (1,1 Bq)
1,9 µg
Torio
30 µg
3 pCi (0,11 Bq)
3 µg
Potássio 40
17 mg
120 nCi (4,4 kBq)
0,39 mg
Radio
31 pg
30 pCi (1,1 Bq)
2,3 pg
Carbon 14
95 µg
0,4 µCi (15 kBq)
1,8 µg
Trítio
0,06 pg
0,6 nCi (23 Bq)
0,003 pg
Polônio
0,2 pg
1 nCi (37 Bq)
~0,6 µg
ICRP 30
Radioatividade natural em solos e rochas
Nuclídeo
Meia-vida
Atividade Natural
235U
7,04 x 108 yr
0,72% do urânio natural
238U
4,47 x 109 yr
99,27% do urânio natural; 0,5 a 4,7 ppm do urânio
total nos tipos mais comuns de rochas.
232Th
1,41 x 1010 yr
1,6 to 20 ppm nos tipos comuns de rochas e média da
crosta de 10,7 ppm.
226Ra
1,60 x 103 yr
0,42 pCi/g (16 Bq/kg) em calcários e 1,3 pCi/g
(48 Bq/kg) em rochas ígneas.
222Rn
3,82 d
Gás Nobre; média anual de concentrações no ar (US)
de 0,016 pCi/L (0,6 Bq/m3) a 0,75 pCi/L (28 Bq/m3)
Radônio
O radônio é um gás inerte, inodoro e insípido, sete vezes mais pesado que o ar.
A UNSCEAR estimou que o radônio e os seus produtos de decaimento
contribuem com cerca de 3/4 da dose efetiva anual recebida pelo homem
decorrente das fontes terrestres e com aproximadamente metade da dose
recebida em virtude de todas as fontes naturais.
A maior contribuição é devida à inalação do radônio em ambientes fechados e
posterior decaimento radioativo dentro do organismo.
O radônio apresenta dois radionuclídeos principais, o 222Rn, produto de
decaimento do 238U, e o 220Rn, produto de decaimento do 232Th.
Embora o 222Rn seja aproximadamente 20 vezes mais importante do que o 220Rn,
o termo genérico radônio é normalmente utilizado para ambas as formas, apesar
da maior parte das doses serem causadas não tanto pelo gás mas principalmente
pelos seus produtos de decaimento.
Por ser um gás inerte, o radônio emana do solo em todas as direções. O grau de
exposição ao radônio aumenta de forma significativa em ambientes fechados.
Radionuclídeos naturais cosmogênicos
Radioatividade Natural nos Oceanos
Oceano
Nuclídeo
Atividade
Pacifico
Atlantico
Todos os
Oceanos
(22 EBq)
(11 EBq)
(41 EBq)
Potassium 40 (11 Bq/L)
(7400 EBq)
(3300 EBq) (14000 EBq)
Tritium
(0,6 mBq/L)
(370 PBq)
(190 PBq)
(740 PBq)
Carbon 14
(5 mBq/L)
(3 EBq)
(1,5 EBq)
(6,7 EBq)
(700 EBq)
(330 EBq)
(1300 EBq)
Uranium
(33 mBq/L)
Rubidium 87 (1,1 Bq/L)
The activities are from 1971 Radioactivity in the Marine Environment, National
Academy of Sciences
Radionuclídeos naturais no solo em Bk/kg
Concentrações estimadas de urânio, tório e potássio em
materiais de construção (NCRP 94, 1987)
Urânio
Material
Tório
Potássio
ppm
mBq/g
(pCi/g)
ppm
mBq/g
(pCi/g)
ppm
mBq/g
(pCi/g)
Granito
4,7
63 (1,7)
2
8 (0,22)
4,0
1184 (32)
Areia
0,45
6 (0,2)
1,7
7 (0,19)
1,4
414 (11,2)
Cimento
3,4
46 (1,2)
5,1
21 (0,57)
0,8
237 (6,4)
Calcário p/
concreto
2,3
31 (0,8)
2,1
8,5 (0,23)
0,3
89 (2,4)
Areia p/ concreto
0,8
11 (0,3)
2,1
8,5 (0,23)
1,3
385 (10,4)
Dry wallboard
1,0
14 (0,4)
3
12 (0,32)
0,3
89 (2,4)
Fosfogesso
13,7
186 (5,0) 16,1
66 (1,78)
0,02
5,9 (0,2)
Gesso Natural
1,1
15 (0.4)
1,8
7,4 (0,2)
0,5
148 (4)
-
-
-
-
11,3
3330 (90)
8,2
111 (3)
10,8
44 (1,2)
2,3
666 (18)
Medeira
Argila
Radioatividade Ambiental
Aplicações
Determinação de Taxa de Sedimentação
Estudo das Razões Isotópicas
238U/232Th
226Ra/228Ra
234U/238U
228Th/232Th
234Th/234U
228Ra/228Th
226Ra/238U
210Pb/226Ra
210Po/210Pb
Geoquímica
Fracionamento, intemperismo, transporte
Assinatura isotópica
Processos magmáticos, sedimentares
Ambiental
Contaminação
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