Introdução à Física da Radioterapia
Fábio Antonio Schaberle e Nelson Canzian da Silva

2.1. Interações de partículas carregadas

2.2. Interação de nêutrons
2.3. Interação de radiação eletromagnética

2.4. Alcance e atenuação de diferentes tipos de radiação na matéria

As partículas carregadas (alfa, elétrons, prótons etc.) interagem com a matéria principalmente através de forças coulumbianas com os elétrons orbitais do material. Algumas vezes podem ocorrer interações das partículas com o núcleo, como no espalhamento Rutherford, mas esses encontros são tão raros que não afetam a resposta dos detetores de radiação.

Para partículas pesadas de massa m (alfa, por exemplo) a energia máxima E_max que pode ser transferida para um elétron de massa m_o numa única colisão é 4Em₀/m, ou 1/500 da energia da partícula por nucleon. Por isso a partícula colide várias vezes com os elétrons até perder completamente sua energia e parar.

A perda de energia S para partículas carregadas num dado absorvedor é definida como a quantidade de energia dE transferida para o material ao longo da distância dx percorrida pela partícula dentro do mesmo.

S = -dE/dx

A equação que descreve a perda de energia no material é conhecida como fórmula de Bethe:

-dE/dx = (4pe⁴z²/m₀v²)*NB

onde:

B = Z[ln(2m₀v²/I – ln(1-v²/c²) – v²/c²] e v a velocidade da partícula incidente, ez a sua carga, N a densidade dos átomos do absorvedor, Z o seu número atômico e I a média do potencial de excitação e ionização.

A aniquilação de pares ocorre quando uma partícula encontra a sua antipartícula e, na interação, desaparecem, produzindo radiação eletromagnética. Na aniquilação do par elétron-pósitron um elétron encontra-se com um pósitron produzido, por exemplo, num decaimento nuclear e ambos desaparecem originando um par de fótons (radiação gama) com uma energia mínima de 0,511 MeV cada (a massa de repouso do elétron).

Os nêutrons, por não possuírem carga, não interagem por efeito coulomb com a matéria. Podem viajar muitos centímetros através da matéria sem qualquer tipo de interação e ser totalmente invisíveis aos detetores mais comuns.

Nêutrons interagem com o núcleo do material absorvedor. Como efeito desta interação os nêutrons podem ser absorvidos pelo núcleo, que ficará em num estado excitado e decairá emitindo radiação secundária., ou pode mudar sua direção e energia significativamente.

Os tipos de interações dos nêutrons com o núcleo dependem de sua energia. Para neutrons lentos (abaixo de 0,5 eV) as interações incluem espalhamento elástico com o núcleo e um grande número de reações nucleares. Devido à sua baixa energia, os nêutrons eventualmente entram em equilíbrio térmico com o absorvedor, tornando-se nêutrons térmicos, com uma energia média de 0,025 eV.

Se a energia do nêutron for suficientemente grande, acontece espalhamento inelástico com o núcleo, que recua e passa a um estado excitado. Posteriormente o núcleo deexcita em geral emitindo radiação gama secundária. Com as perdas de energia em sucessivos choques inelásticos o nêutron torna-se lento ou térmico.

Acontece quando um fóton incide num átomo transferindo sua energia a um único elétron orbital, fazendo com que ele seja ejetado. A energia E_e do elétron ejetado é a diferença entre a energia E_f do fóton incidente e a energia E_B de ligação do elétron orbital:

E_e = E_f - E_B

O efeito fotoelétrico é predominante para baixas energias e para elementos de elevado número atômico Z, sendo proporcional a Z⁵.

Devido à alta probabilidade de interação fotoelétrica com elementos de número atômico elevado, utiliza-se elementos como o chumbo como blindagem para raios-X e para radiação gama de baixas energias.

Ocorre quando um fóton incide sobre um elétron periférico dos átomos do absorvedor. O fóton e o elétron são espalhados. O elétron recebe apenas parte da energia da radiação incidente e o fóton terá energia menor que a inicial, bem como outra direção de propagação.

O efeito Compton é predominante para radiações de energias intermediárias, de modo que o elétron de valência pareça "livre" devido à sua baixa energia de ligação com o átomo frente á energia da radiação incidente. Este efeito depende também da densidade do elemento, e decrescente com a energia dos fótons incidentes. O efeito Compton é inversamente proporcional à energia do fóton e proporcional ao número atômico do átomo absorvedor.

A energia dos fótons espalhados após a colisão é dada por:

hn' = hn / {1 + [hn / m_oc² (1 - cosq)]},

onde hn é a energia do fóton incidente, hn' a energia do fóton espalhado e m_oc² a energia de repouso do elétron.

A produção de pares ocorre quando fótons com energia maior ou igual a 1,02 MeV passam próximos a núcleos de número atômico elevado. A radiação incidente interage com o núcleo transformando-se em duas partículas, o par elétron-pósitron:

g ® e^- + e⁺ (+ energia cinética)

O pósitron, após ser criado, perde sua energia no meio e finalmente interagindo com algum elétron, ocorre a aniquilação de ambos, originando radiação gama.

A criação de pares ocorre para altas energias e para elementos de grande número atômico. É proporcional à Z².

Figura 2.1

Diferentes tipos de radiação interagem de diferentes modos com a matéria, tornando alguns tipos de radiação mais penetrantes do que outros. Radiações eletromagnéticas são as mais penetrantes e quanto maior a sua energia, maior é o seu alcance na matéria. Partículas carregadas, devido à sua massa e carga, interagem muito intensamente com a matéria, tornando o seu alcance pequeno quando comparado ao da radiação eletromagnética. Entretanto, para partículas idênticas, quanto maior a energia maior o seu alcance.

Diferentemente do que o senso comum poderia levar a crer, a intensidade da interação com a matéria (e o "estrago" causado por ela) não cresce com a sua energia. Radiação com energias altíssimas podem passar praticamente desapercebidas pela matéria, enquanto radiações com energias mais baixas (da ordem das diferenças de energias dos níveis atômicos) são altamente absorvidas pela matéria.

© 2000 Fábio Antonio Schaberle e Nelson Canzian da Silva - Departamento de Física UFSC
Consulte a bibliografia para créditos de textos e figuras