Aplicações da Física Nuclear com Aceleradores
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- 1. Aplicaes da Fsica Nuclear com aceleradores em artes, histria
da ciencia, medicina, climatologia, arqueologia etc Paulo R. S.
Gomes Instituto de Fsica Universidade Federal Fluminense Quinta e
Cincia- IF-UFF 21 de novembro de 2013
- 2. Aplicaes de Fsica Nuclear ARTE e ARQUEOLOGIA Datao
radioativa Anlise de feixes de ions ENERGIA Transmutao de lixo
radioativo Energia eltrica MATERIAIS Implantao de ions
Nanoestruturas Danos de radiao ESPACIAIS AMBIENTAL Climatologia
MEDICINA Produo de radioistopos Terapia do Cncer Tomografia (PET)
Aceleradores Aceleradores Pesquisa Bsica em Fsica Nuclear Detetores
Tcnicas Propriedades Nucleares
- 3. Aceleradores Tradicionais
- 4. O acelerador Pelletron da USP
- 5. Colliders
- 6. Alguns dos grandes aceleradores
- 7. Ncleos radioativos naturais Ncleos podem se transformar em
outros, de forma natural, para ficarem em uma situao de menor
energia. Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice
versa. Estes ncleos so chamados de radioativos. Eles so formados em
reaes nucleares devidas a raios csmicos (natural) ou em laboratrios
(artificial).
- 8. Raios gama Os raios gama, por terem alto poder de penetrao
na matria, so de grande utilidade para o homem, ao mesmo tempo que
podem ser nocivos. Ao interagir com um material eles podem
danific-lo (ioniz-lo). Se for o nosso corpo, pode danificar clulas
sadias e causar danos devido radioatividade. No devemos, portanto,
ficar perto de ncleos ou fontes que emitem esta radiao. Aps a
exploso de uma bomba atmica ou acidente em usina nuclear, muitos
raios gama so emitidos.
- 9. Raios gama podem ser benficos? Por outro lado, os raios gama
so usados tambm para matar clulas doentes (cancer) e so a base da
Medicina Nuclear, que salva tantas vidas. Eles servem tambm para
produzir imagens bem no interior do corpo ou de materiais (muito
mais que os raios X), sendo teis em medicina (tomografia,
ressonncia magntica nuclear, por exemplo) e indstria (gamagrafia,
por exemplo).
- 10. Aplicaes em Medicina Tratamento de cancer Imagens para
diagnsticos
- 11. Algumas aplicaes em medicina: Tratamento de cancer Destruio
de clulas cancergenas por irradiao de raios gama (radioterapia e
braquiterapia) e bombardeamento, atravs de aceleradores.
- 12. Algumas aplicaes em medicina: Diagnstico, mapeador,
marcador Mapeamentos e marcadores com material radioativo, imagens
(tomografia), RMN. Detecta e acompanha o material radioativo,
verifica localizao, tamanho e forma das leses etc.
- 13. Funes Bsicas da radioterapia -- DestruioDestruio dede
clulasclulas cancergenascancergenas porpor irradiaoirradiao dede
raiosraios gamagama.. -- AsAs clulasclulas aa seremserem
destrudasdestrudas devemdevem receberreceber bembem maismais
radiaoradiao queque asas saudveissaudveis.. aa radiaoradiao
devedeve convergirconvergir nono tumor,tumor, ouou comcom
vriasvrias fontesfontes ouou rodandorodando asas fontesfontes ouou
pacientepaciente..
- 14. Fontes de radiao para radioterapia -- FontesFontes
radioativasradioativas muitomuito intensasintensas ((6060Co,Co,
137137Cs)Cs) (fabricadas(fabricadas emem reatoresreatores ouou
ciclotronsciclotrons)) -- AceleradoresAceleradores lineareslineares
dede eltronseltrons ((freiadosfreiados porpor alvoalvo pesadopesado
produzemproduzem fotonsfotons muitomuito energticos)energticos) --
QuaseQuase aa metademetade dosdos aceleradoresaceleradores dodo
mundomundo soso parapara usouso mdicomdico
- 15. Aceleradores de eletrons (fonte deAceleradores de eletrons
(fonte de fotons) em radioterapiafotons) em radioterapia
- 16. Limitaes da radioterapia com fotons Aceleradores de eltrons
produzem ftons. Para Ee = 8 MeV, a absoro exponencial da matria tem
um mximo a 2 3 cm de profundidade de tecido soft. A cerca de 25 cm
de profundidade, a dose cerca de 1/3 que no mximo. Pelo tipo de
absoro de radiao eletromagntica, clulas saudveis so irradiadas.
Isto limita a dose absorvida pelo tumor.
- 17. Como aumentar a dose no tumor?Como aumentar a dose no
tumor? Mltiplos feixes apontando para o alvo. O acelerador roda em
torno do eixo horizontal. O mtodo mais recente o IMRT (Intensity
Modulated Radio-Therapy), que usa de 6 a 10 feixes de fotons.
NovoNovo avanoavano nono tratamentotratamento dede cancercancer::
hadronterapiahadronterapia (com(com protonsprotons ee
carbono)carbono)
- 18. Caractersticas da Hadronterapia Hadronterapia o ltimo avano
no tratamento de cance. Aceleram-se partculas carregadas que quase
no perdem energia enquanto penetram na matria e perdem boa parte de
sua energia em regio bem especifica, pouco antes de parar. Esta
tcnica deixa os tecidos prximos ao tumor mais saudveis, permitindo
tratar o tumor com doses maiores. A profundidade onde haver a perda
de energia (destruio das clulas) depende da energia do feixe.
Pode-se variar a energia do feixe com o acelerador.
- 19. Vantagem dos hadrons: perda de energiaVantagem dos hadrons:
perda de energia bem localizadabem localizada
- 20. Vantagens da hadronterapiaVantagens da hadronterapia
- 21. Cincia para a Herana Cultural Fsica, Qumica, Cincias da
Terra, Biologia e suas tecnologias associadas tornaram-se
crucialmente importantes para o estudo e preservao de nosso
patrimnio histrico. A comunidade de Cincias Humanas j sabe disto.
Instituies cientficas j esto a par de sua importncia para esta rea.
Laboratrios de Fsica Nuclear trabalham nesta rea. Museus montam e
operam laboratrios de Fsica Nuclear.
- 22. O laboratrio de AMSO laboratrio de AMS do Museu do Louvredo
Museu do Louvre
- 23. Papis da Cincia na Herana Cultural Identificao de autorias
dos trabalhos, descobertas de falsificaes, diagnstico de seu estado
de sade. Estudar a tecnologia do passado, fontes de matrias prima,
rotas de comrcio. Conservao e restaurao. A Fsica tem atualmente um
papel dominante na parte de diagnstico, principalmente devido ao
carter no invasor da maioria de suas tcnicas.
- 24. Como a Fsica Nuclear contribui para aComo a Fsica Nuclear
contribui para a Cincia da Herana Cultural?Cincia da Herana
Cultural? Principalmente atravs de duas formas: 1- Datao (14C-AMS).
2- Anlise de Materiais (IBA)
- 25. Tcnicas para se analisar uma pinturaTcnicas para se
analisar uma pintura A histria da pintura est abaixo de sua
superfcie. Descobrir os vrios passos do processo criativo. A
pintura se modifica com o tempo. Os materiais usados na pintura
mudam com o passar do tempo.
- 26. Anlise de Materiais em ArtesAnlise de Materiais em Artes
PrPr--Requisitos da Metodologia empregadaRequisitos da Metodologia
empregada No destrutivas, rpidas, precisas (localizadas), sensveis,
multi-elemento, verstil. Tcnicas de restaurao compatveis e
reversveis. IBA (Ion Beam Analysis- Anlise por feixe de ons) No
destrutiva, rpida, baixos limites de deteo (traos), feixes
colimados, anlise mltipla de elementos, anlise quantitativa, no
deixa marcas.
- 27. Tcnicas de IBA so teis para responder sTcnicas de IBA so
teis para responder s seguintes perguntas sobre uma
pintura:seguintes perguntas sobre uma pintura: De que feita? Como
foi feita? Quando foi feita? Qual a inovao tcnica do artista?
autntica? Como mudou ao longo do tempo? Como pode ser restaurada?
Como pode ser conservada?
- 28. Facilidade essencial no campo daFacilidade essencial no
campo da arqueometriaarqueometria: Feixe externo: Feixe externo
Janelas de polmeros com 10 m de espessura agentam diferena de
presso e a perda de energia dos protons nas janelas mnima.
- 29. Estrutura Fsica de uma pinturaEstrutura Fsica de uma
pintura 1. Suporte mecnico (madeira, metal, vidro, tecido, papel,
couro) 2. Camada de cola 3. Fundo (giz) onde se prepara o sketch,
com carvo, grafite 4. Imprimitura transparente onde ser pintada 5.
As camadas de pintura: pigmentos de vrios tipos (1 a 300 m) 6.
Camada de verniz (proteo, decresce a reflexo) Rembrandt, Museum
Fine Arts, Boston
- 30. Alcance (poder de penetrao) deAlcance (poder de penetrao)
de diferentes radiaesdiferentes radiaes Neutrons trmicos atravessam
tudo e ativam pequenas parcelas do material, sensveis de serem
detectados. Raios X ou gama penetram, mas o quanto penetram depende
muito de sua energia e do tipo de material.
- 31. PIXE (PIXE (ProtonProton InducedInduced XX--rayray
EmissionEmission)) tempo de irradiao: ~ 1 minuto Pode fazer anlise
em muitos pontos, rpida e sem deixar marcas.
- 32. Anlise de pinturasAnlise de pinturas atravs da
composioatravs da composio dos pigmentos.dos pigmentos. Lucas
Cranach pinturapintura emem madeira,madeira, sobresobre
tecidotecido Entender os segredos das tcnicas de pintura de
artistas famosos. Reconstruir a histria d euma pintura especfica e
identificar restauraes e falsificaes.
- 33. O quadro (b) falsificado, pois a anlise por PIXE indica que
a blusa vermelha contm Cd, que s passou a ser usado em pigmentos a
partir do comeo do sculo 19.
- 34. Madonna dei fusi Leonardo da Vinci 1501? Pintura a leo em
tecido. -O verniz problema. Absorve os raios X de elementos leves
(Na, Al, Si, O) -O verniz da restaurao possui alto Z. Portanto, foi
preciso inicialmente analisar somente o verniz. -Para atingir as
camadas mais atrs, foi preciso aumentar a energia do feixe de
protons
- 35. Com alta energia do feixe de proton no detalhe, foi possvel
chegar pintura e detectar Hg, isto , uso de cinnabar como pigmento
vermelho. O Pb vem do chumbo branco, e existe tanto na pintura
quanto no substrato de preparao. misturado ao vermelho para
produzir a cor rosa. A razo Hg / Pb decresce com a energia
decrescente. Ca e Fe tem muito no verniz, mas sempre aparecem.
terra vermelha. A camada de pintura tem 15-20 m.
- 36. Isto Isto 21/03/201221/03/2012
- 37. Um pouco de Histria da CinciaUm pouco de Histria da Cincia
Anlise de documentosAnlise de documentos histriocoshistriocos por
PIXEpor PIXE exex: manuscritos do: manuscritos do GalileoGalileo
sobre movimentosobre movimento Estudo de queda livre: H um conjunto
de 200 pginas, sem ordem cronolgica, sem numerao. Baguna total.
Galileo acreditava, como todo mundo aristotlico, que a velocidade
de uma partcula em queda livre crescia proporcional distncia
percorrida. Galileo mudou de idia durante sua vida, e chegou
expresso correta para a queda livre, em que o quadrado da
velocidade proporcional distncia percorrida. Quando isto ocorreu?
Foi simultneo com a postulao da conservao de energia mecnica para 2
corpos em planos inclinados? Estas 2 demonstraes esto na mesma
famosa pgina 164.
- 38. Uso de PIXE para datar documentos, atravs de anliseUso de
PIXE para datar documentos, atravs de anlise quantitativa da
composio de tintas antigasquantitativa da composio de tintas
antigas Carta de Galileo feixe externo do acelerador de Florena
Comparao das composies das tintas das notas no datadas com as de
tintas de documentos datados.
- 39. Cartas e desenhos deCartas e desenhos de
GalileoGalileo
- 40. Banco de dados: calibrao de datasBanco de dados: calibrao
de datas transaes contbeistransaes contbeis
- 41. Discriminao de vrios tipos de tintaDiscriminao de vrios
tipos de tinta por PIXEpor PIXE
- 42. Notas deNotas de GalileoGalileo pgina 128:pgina 128:
velocidade proporcional distnciavelocidade proporcional
distncia
- 43. Datao da pgina 128Datao da pgina 128
- 44. A pgina 164A pgina 164 Explica a conservao de energia
mecnica em plano inclinado.Explica a conservao de energia mecnica
em plano inclinado. Nas duas ltimas linhas diz que oNas duas ltimas
linhas diz que o quadrado da velocidade varia com a
distncia.quadrado da velocidade varia com a distncia. As duas
ltimas linhas so da mesma poca do resto da pgina? As composies das
tintas, por PIXE, vai dizer.
- 45. Anlise da composio das tintas da pginaAnlise da composio
das tintas da pgina 164, por PIXE164, por PIXE Os espectros das
tintas das duas ltimas linhas so diferentes do resto da pgina.
Concluso: Conservao de energia mecnica e movimento em queda livre
no foram deduzidos na mesma poca.
- 46. Ncleos radioativos naturais Ncleos podem se transformar em
outros, de forma natural, para ficarem em uma situao de menor
energia. Exemplo: protons se transformam em neutrons, ou vice
versa. Estes ncleos so chamados de radioativos. Eles so formados em
reaes nucleares devidas a raios csmicos (natural) ou em laboratrios
(artificial).
- 47. Produo de istopos cosmognicos e sua difuso pela Terra
- 48. ProduoProduo dede RadiocarbonoRadiocarbono nana
estratosferaestratosfera 78%N
- 49. CarbonoCarbono Est presente na atmosfera terrestre e em
todos osEst presente na atmosfera terrestre e em todos os
organismos vivosorganismos vivos encontrado na natureza na forma
dos istopos: encontrado na natureza na forma dos istopos: 12C 98,9%
13C 1,1% 14C 10-12 } estveis radioativo
- 50. O Ciclo do CarbonoO Ciclo do Carbono
- 51. CicloCiclo dodo CarbonoCarbono ((equilbrioequilbrio do
14C)do 14C)
- 52. Quando morre, no absorve mais 14C
- 53. A quantidade de 14C diminui exponencialmente com o tempo A
razo 14C / 12C diz a idade desde a morte.
- 54. Dataes com 14C
- 55. Sensibilidade da tcnica de Espectrometria de Massa com
Aceleradores (AMS) Esta tcnica permite encontrar um tomo em cada
1015. Sabem o que isto? encontrar 1 tomo em milhes de bilhes de
tomos. difcil imaginar, certo? Isto permite determinar idades muito
antigas, de ordem de milhares de anos com 14C. Tambm permite fazer
rastreamentos de nfimas quantidades de material, com aplicaes em
eletrnica, petrleo etc (defeitos e impurezas em materiais) e
medicina, frmacos e biologia Vou dar um exemplo de encontrar 1
parte em 102 (centenas)
- 56. Onde est Wally? 1 parte em 102 (centenas)
- 57. Aplicaes de 14C-AMS: Arqueologia Revolucionou a arqueologia
e antropologia nas dataes de pinturas de cavernas, ossadas
primitivas, stios arqueolgicos, artefatos, igrejas medievais etc. -
14C Cerca de 10.000 amostras arqueolgicas so datadas anualmente por
AMS. Algumas so famosas!
- 58. Datao do Manto Sagrado (Turin Shroud) 33 famososfamosos
laboratrioslaboratrios dede AMSAMS dataramdataram vriosvrios
pequenospequenos pedaospedaos dodo MantoManto..
ResultadoResultado:: OO MantoManto SagradoSagrado umauma belabela
pinturapintura criadacriada emem 13551355 prapra umauma novanova
IgrejaIgreja necessitandonecessitando relquiasrelquias
atraentesatraentes..
- 59. LaboratriosLaboratrios nono mundomundo parapara datardatar
porpor 14C14C usandousando aceleradoracelerador
- 60. 2 824 10
- 61. UFF!!!!UFF!!!! NiteriNiteri!!!! Brazil!!!!!!!!
Brazil!!!!
- 62. LaboratrioLaboratrio da UFFda UFF
- 63. Ocupao do litoral sudeste do Brasil pelos construtores de
sambaquis (Museu Nacional UFRJ) OO litorallitoral sudestesudeste
brasileirobrasileiro foifoi ocupadoocupado porpor gruposgrupos
vindosvindos dodo interiorinterior hh cercacerca dede 60006000
(ou(ou 80008000 ?)?) anosanos atrsatrs.. EstasEstas
populaespopulaes sese assentaramassentaram pertoperto dede
lagoaslagoas ee baias,baias, desdedesde oo RioRio GrandeGrande dodo
SulSul atat aa BahiaBahia.. EstaEsta regio,regio, ondeonde
montanhasmontanhas ee marmar sese encontram,encontram,
possuempossuem muitosmuitos rios,rios, mangues,mangues, ilhasilhas
ee regiesregies alagadas,alagadas, muitomuito ricasricas emem
nutrientes,nutrientes, incluindoincluindo frutosfrutos dodo
mar,mar, moluscosmoluscos ee peixespeixes.. Era,Era,
portantoportanto umauma regioregio idealideal parapara oo
assentamentoassentamento dede populapopulaeses queque nono
conheciamconheciam agriculturaagricultura..
- 64. DentreDentre seusseus alimentos,alimentos, moluscomolusco
eraera oo principalprincipal.. ElesEles construconstruramram
suassuas casascasas ee aldeiasaldeias empilhandoempilhando
conchasconchas ee ossosossos dede animaisanimais.. EstesEstes
morrosmorros foramforam denominadosdenominados sambaquis,sambaquis,
queque nana llnguangua tupitupi significasignifica tambatamba ==
sambasamba == conchaconcha ++ kiki == empilharempilhar.. NosNos
sambaquissambaquis foramforam encontradosencontrados armas,armas,
ferramentas,ferramentas, enfeites,enfeites, restosrestos dede
comida,comida, cinzas,cinzas, sepulturas,sepulturas, restosrestos
dede casacasa etcetc.. EstaEsta civilizaocivilizao sambaquisambaqui
atingiuatingiu umum graugrau dede complexidadecomplexidade
socialsocial incomumincomum entreentre caadorescaadores ee
coletorescoletores..
- 65. Locais de assentamento OsOs principaisprincipais
locaislocais dede assentamentoassentamento erameram ondeonde
existiamexistiam maismais alimentos,alimentos,
principalmenteprincipalmente moluscosmoluscos.. AA regioregio
ondeonde hh maiormaior concentraoconcentrao dede sambaquissambaquis
ee ondeonde eleseles soso maioresmaiores SantaSanta
CatarinaCatarina.. AlgunsAlguns sambaquissambaquis chegamchegam aa
atingiratingir cercacerca dede 3030 metrosmetros dede
alturaaltura..
- 66. Distribuio de sambaquis no litoral brasileiro
- 67. Um Sambaqui de Santa Catarina
- 68. Colapso da civilizao sambaqui AA civilizaocivilizao
sambaquisambaqui duroudurou milharesmilhares dede anos,anos, ee
desapareceudesapareceu nono comeocomeo dada eraera cristcrist..
NestaNesta poca,poca, horticultoreshorticultores dodo
interiorinterior chegaramchegaram aoao litorallitoral.. ComoComo
erameram economicamenteeconomicamente maismais poderosos,poderosos,
poispois produziamproduziam aa prpriaprpria comida,comida, erameram
tecnologicamentetecnologicamente maismais avanadosavanados ee
erameram emem maiormaior nmero,nmero, eleseles absorveramabsorveram
ouou extinguiramextinguiram osos construtoresconstrutores dede
sambaquissambaquis..
- 69. A datao de sambaquis por 14C ExistemExistem cercacerca dede
300300 dataesdataes dede samabaquissamabaquis nono Brasil,Brasil,
quasequase todastodas entreentre 65006500 ee 10001000 anosanos
atrsatrs.. 22 dataesdataes davamdavam cercacerca dede 80008000
anos,anos, umauma delasdelas dede CamboinhasCamboinhas,, masmas
estasestas datasdatas nono erameram aceitasaceitas pelospelos
arquelogosarquelogos..
- 70. Datao do Sambaqui da Ilha do Algodo, em Angra dos Reis
(Museu Nacional UFRJ) ForamForam datadasdatadas conchasconchas dada
parteparte inferiorinferior dodo sambaquisambaqui.. AA parteparte
superiorsuperior jj haviahavia sidosido datada,datada, ee aa
idadeidade eraera dede cercacerca dede 30003000 anosanos.. OO
resultadoresultado deudeu umauma idadeidade dede cercacerca dede
80008000 anos,anos, oo queque correspondecorresponde aa cercacerca
dede 20002000 anosanos aa maismais queque oo queque eraera
aceitoaceito comocomo incioincio dodo assentamentoassentamento dodo
litorallitoral brasileirobrasileiro..
- 71. Depois deste trabalho, passou a ser aceito que a ocupao do
litoral brasileiro se deu h 8.000 anos atravs do Rio de Janeiro-So
Paulo. Depois disto, h cerca de 6000 anos a civilizao sambaqui
atingiu seu apogeu em Santa Catarina. Concluses do trabalho
- 72. Datao de Incndios na Floresta Amaznica (Geoqumica-UFF) 14C
AMS na investigao de deposio de mercrio em partes remotas da
Floresta Amaznica Local do estudo: Lagoa da Pata, no Morro dos Seis
LagosLocal do estudo: Lagoa da Pata, no Morro dos Seis Lagos Parque
do Pico da NeblinaParque do Pico da Neblina
- 73. Resultados Informaes sobre clima, temperaturas, perodos
secos ou chuvas fortes intermitentes, nvel do lago, incndios,
origem da matria orgnica, mudana na vegetao etc
- 74. Uso de 14C-AMS no estudo da influncia da ressurgncia
costeira de Arraial do Cabo na produo biolgica local (Biologia
Marinha-UFF) 10 m depth (TW) 70 m depth (SACW) Arraial do Cabo
- 75. Objetivo InvestigarInvestigar aa validadevalidade dodo
usouso dodo 1414CC ((DD1414C)C) parapara traartraar aa
contribuiocontribuio dada ressurgnciaressurgncia costeiracosteira
dede ArraialArraial dodo CaboCabo nana produoproduo
biolgicabiolgica locallocal.. Monitor escolhidoMonitor escolhido
AlgaAlga UlvaUlva sp.sp.
- 76. Relevncia do Estudo EstamosEstamos tratandotratando dede
relevantesrelevantes questesquestes econmicaseconmicas ee
ecolgicas,ecolgicas, taistais comocomo oo papelpapel dada
ressurgnciaressurgncia comocomo fontefonte dada produoproduo
biolgicabiolgica locallocal ee determinaodeterminao dada
dependnciadependncia dede espciesespcies dede peixespeixes dede
interesseinteresse econmicoeconmico comcom estaesta fontefonte dede
materialmaterial alctonealctone.. A ressurgncia de Arraial do Cabo
fortemente dependente de condies climticas, inclusive fenmenos como
o El Nio. A regio uma das maiores produtoras de peixes do
Brasil.
- 77. com o 14C foi possvel identificar diferenas entre a ACAS e
a AT as anlises validaram o uso do 14C como traador e um bom
indicador da Produo Biolgica na Ressurgncia Costeira de Arraial do
Cabo