FÍSICA CIÊNCIAS BIOLÓGICAS AULA 12 30/11/2020

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FÍSICA CIÊNCIAS BIOLÓGICAS

AULA 12

– 30/11/2020

Profa. Márcia de Almeida Rizzutto Pelletron – sala 220

rizzutto@if.usp.br

2o. Semestre de 2020

Monitor: Cauê Ferreira e Julia Schenatto

Universidade de São Paulo

Instituto de Física

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Conteúdo Física - Temas

• Introdução, Ferramental Básico de Física (A1)

• 1) Mecânica: Movimento, Força, Trabalho e Energia (A2,A3)

• 2) Termodinâmica (A4,A5)

• 3) Fluídos (A6) PROVA P1

• 4) Princípios básicos de Eletricidade (A7,A8)

• 5) Ondas (A9,A10) • Som • Luz • 6) Radiação (A11,12,13) • Dose de radiação • Danos de radiação • Aplicações e Efeitos PROVA P2

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(emissão ou absorção de fótons)

1912 – 1913

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7

120 V ou mais

Hg

254 nm far UV

Camada de fósforo reveste

internamente a lâmpada

e

Lâmpada Fluorescente: converte luz UV em luz visível mediante a

existência de uma camada de fósforo. Fósforo bloqueia toda a radiação UV.

Diagrama de energia em uma

molécula de fósforo

(8)

Ver imagens diversas de fluorescência de

UV dos minerais

(9)

http://physics.uoregon.edu/~jimbrau/astr122/notes/chapter3_4.html

(10)

•

Alguns minerais apresentam propriedades de emissão de

luz quando submetidos a alguns processos como:

Ação mecânica

Aquecimento

Irradiação

Raios ultravioleta, etc

Raios X

Até se tornar brasa

impacto

atrito

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Aplicações: emissão de Luz Minerais

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Aplicações: emissão de Luz Minerais

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Slides baseados nas aulas: Profa. Dra Tamar M.B. Galembeck e Prof. Dr. Joaquim Silva Simão

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Aplicações: emissão de Luz Minerais

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Aplicações: emissão de Luz Minerais

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(19)

•

As cores de luminescência são marcadamente diferentes

daqueles dos minerais quando não excitados

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Radiação Ionizante

Raios X e radiação gama: Radiações menores que 100 nm.

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Efeitos Biológicos

SOL

Fótons

DN

A

MUTAÇÃO

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Efeitos Biológicos

Efeito Tardio na pele - Fotocarcinogênese

RUVB

->

Ação

cumulativa

desta

radiação

está

associada

ao

desenvolvimento de cânceres de pele

não-melanoma.

RUVA -> Associada ao

desenvolvimento de Melanoma

.

Radiações UVA e UVB são causadoras

da eclosão do câncer de pele. Ocorre

pela mutação de genes do DNA.

Melanoma:

Câncer de pele. A doença surge nos melanócitos, que são as células

produtoras de

melanina

(pigmento que dá cor à pele), daí o nome "melanoma.

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Radiação Ionizante



c

h

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Teoria do Quanta

Max Planck, em 1901 e Einstein em 1905 iniciaram a formulação da teoria de quanta: A radiação eletromagnética é emitida e se propaga descontinuamente, em pequenos

pulsos de energia chamados de

pacote de energia, quanta ou fótons

Então assim a onda eletromagnética apresenta também propriedades corpusculares da onda – DUALIDADE ONDA PARTÍCULA

Fótons são partículas sem carga e massa de repouso nulo

Em 1924 Louis de Broglie apresentou a teoria que a matéria possui tanto característica ondulatória como corpusculares.

Vimos que



c

h

E





Onde h é a constante de Planck 6,63x10-34_J.s

𝑚𝑣 =

ℎ

𝜆



é o chamado comprimento

de onda de de Broglie

Energia aqui é medida em elétron-volt (eV). É a energia adquirida por um elétron ao atravessar, no vácuo, uma diferença de potencial de um volt.

1eV=1,6x10-19_{C*1V = 1,6x10}-19_J

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(26)

(27)

 Utilizados nos mais diversos ramos da ciência, os microscópios

ópticos permitem a observação de objetos minúsculos,

ampliando sua imagem em até 1000 vezes.

 Com funcionamento simples, a ampliação é feita por meio de

um conjunto de lentes – de vidro ou de cristal – e uma fonte de

luz.

 Para formar a imagem aumentada da amostra, os microscópios

contam com uma lente objetiva e uma ocular, colocadas nas

extremidades diametralmente opostas de um tubo – o canhão –

composto, por sua vez, de duas partes que podem ser

estendidas ou encurtadas.

 O movimento de extensão e encurtamento do tubo é

responsável pela aproximação ou afastamento do conjunto

objetiva-ocular.

 Problema: capacidade de resolução é limitada pelos efeitos de

difração da luz, pois ao se examinar objetos de tamanhos <=

luz visível (400 a 700nm) a difração da luz ao redor do objeto

torna a imagem borrada ou não permite a formação da imagem.

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Diferença entre Microscopia Ótica e Eletrônica de Varredura (MEV)

Um microscópio eletrônico de varredura (MEV) utiliza um feixe

de elétrons no lugar de fótons utilizados em um microscópio óptico

convencional, o que permite solucionar o problema de resolução

relacionado com a fonte de luz branca.

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A caracterização por microscopia é feita principalmente usando as técnicas de MET (Microscopia Eletrônica de Transmissão ou

TEM), SEM (Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV),

Na Microscopia de Transmissão (TEM), é usado um feixe de elétrons que interage com a amostra e a intensidade do feixe, após ultrapassar a amostra, é analisada. A análise se faz com o auxílio de uma série de lentes que amplificam a imagem. O contraste é feito pelo computador.

A técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM ou MEV) é outra técnica de microscopia com elétrons que usa um feixe de alta energia para buscar características sobre o relevo da superfície, sua composição e condutividade. Os sinais analisados no MEV são elétrons emitidos, raios-X característicos, luz, corrente e elétrons transmitidos.

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET ou TEM) Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV ou SEM)

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Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ou SEM

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)

Microscopia eletrônica

 A microscopia eletrônica supera

esta dificuldade dos microscópios

ópticos, pois os comprimentos de

onda associados aos elétrons são

muito menores que os da luz

visível (400 a 700 x10

-9

_m)

 Vamos determinar o



para um

elétron

com

velocidade

de

5x10

7

_{m/s (massa do elétron =}

9,1x10

-31

kg)

𝑚𝑣 =

ℎ 𝜆

𝜆 = ℎ 𝑚𝑣 = 6,63𝑥10−34 9,1𝑥10−31 _{∗ 5𝑥10}7 𝜆 = 1,46𝑥10−11𝑚

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O microscópio de varredura (MEV ou SEM)

 permite explorar a superfície da amostra repetidamente com um feixe de

elétrons muito colimado, com diâmetro ~1 mm.

 As ligeiras variações da topografia de uma superfície produzem variações de intensidade do feixe de elétrons secundários e que foram expulsos da superfície da amostra.

 A amplificação que pode-se obter está limitada ao diâmetro do feixe de elétrons e é bem maior que a que se pode obter com o microscópio ótico.  Possui a vantagem de visualização de uma imagem (tridimensional).

 A profundidade de campo do equipamento permite que uma superfície

irregular pode ser submetida a análise o que não acontece com o

microscópio ótico que necessita de superfícies planas e polidas.  Também é uma técnica que preserva a amostra.

 Se o sistema possuir um sistema de EDX acoplado é possível rapidamente

obter a análise dos elementos químicos presente na área da amostra analisada.

 A identificação elementar se dá pela determinação dos fótons característicos emitidos da amostra.

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Microscopia eletrônica - MEV

Laboratório de Filmes Finos

http://fap.if.usp.br/~lff/mev.html

Galeria de imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura registradas utilizando as facilidades do Laboratório de Filmes Finos

.

Pólen em estruturas de flor de

serralha (Sonchus oleraceus).

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• Radiações são ondas eletromagnéticas ou partículas que se propagam com uma determinada velocidade. Podem ser geradas por fontes naturais ou por dispositivos construídos pelo homem. Possuem energia variável desde valores pequenos até muito elevados.

• As radiações sob a forma de partículas, com massa, carga eléctrica, carga

magnética mais comuns são os feixes de elétrons, os feixes de prótons, radiação beta, radiação alfa.

Não Ionizante

Ionizante

Raios ultravioletas

Raios X, gama (

g

)

luz

calor

Radiação Ionizante e não ionizante

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Átomo

A radiação ionizante consiste em ondas eletromagnéticas com energia suficiente para fazer com que os elétrons se desprendam de átomos e

moléculas, alterando sua estrutura – num processo conhecido como

ionização. Como resultado, os átomos tornam-se eletricamente carregados.

Um átomo pode se tornar ionizado quando a radiação colide com um de seus elétrons. Se essa colisão ocorrer com muita violência, o elétron pode ser arrancado do átomo. Após a perda do elétron, o átomo deixa de ser neutro, pois com um elétron a menos, o número de prótons é maior. O átomo torna-se um "íon positivo".

Radiação Ionizante

Radiação

Ionização: remoção completa de um ou mais elétrons de valência

Excitação: os elétrons são levados a níveis com energias mais altas

Eletromagnética (raios X e

g

)

Partículas carregadas (e

-

,

a

, p, d, etc.)

Nêutrons

(35)

Ionização e Excitação

núcleo

Energia e partículas emitidas de núcleos instáveis são capazes de causar ionização. Quando um núcleo instável emite partículas, as partículas, são tipicamente na forma de partículas alfa, beta (elétrons) ou nêutrons.

No caso de emissão de energia, a emissão se faz por uma forma de onda

eletromagnética muito semelhante aos raios X:

os raios gama

• Rutherford(1899) caracteriza dois tipos: alfa (a) e beta (b). Diferença entre elas: ionização e o poder de penetração. a: altamente ionizante – blindadas por folha de papel.

b: menos ionizantes – capazes de atravessar camadas finas (radiografia pode ser feita com raios b)

• Villard (1900) encontrou uma terceira componente dessa radiações - poder de penetração muito maior

• Pierre e Madame Curie (1902) mostraram que os raios b são elétrons

• Rutherford (1908) mostra que a radiação a é equivalente ao elemento He (constituído de 2 prótons e 2 nêutrons).

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Radiação ou Partícula alfa

As partículas alfa (a) são núcleos do átomo de Hélio constituídos de dois prótons e dois nêutrons. Esta partícula é muito mais pesada que o elétron e sua trajetória num meio material é retilínea.

A interação da partícula alfa com os átomos de ar perde em média 33eV por ionização. Então uma partícula alfa com energia cinética de 4,8 MeV emitida pelo rádio 226 produz cerca de

ionizações antes de parar.

Uma partícula alfa de 1MeV alcança 0,55 cm no ar e 0,0033cm no tecido humano

3MeV alcança 1,67 cm no ar e 0,010cm no tecido humano 5MeV alcança 3,50 cm no ar e 0,021cm no tecido humano

4,8𝑥106𝑒𝑉

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Partícula beta e nêutron

As partículas beta

(b

)

são elétrons (e-_{) e pósitrons (e}+_{, partículas} idênticas ao elétron, mas com carga positiva), são mais penetrantes que as partículas alfas.

A radiação beta, ao passar por um meio material também perde energia ionizando os átomos que encontra no caminho. Para blindar as partículas beta pode-se usar plástico ou alumínio.

.

Uma partícula beta de 1MeV alcança 420 cm no ar e 0,50 cm no tecido humano

2MeV alcança 840 cm no ar e 1,0cm no tecido humano 3MeV alcança 1260 cm no ar e 1,5cm no tecido humano

Os nêutrons

(n

)

são partículas sem carga e não produzem ionização diretamente, mas o fazem indiretamente ao transferir energia para outras partículas carregadas que por sua vez podem produzir ionização.

Os nêutrons percorrem grandes distâncias através da matéria, antes de interagir com o núcleo dos átomos que compõem o meio. são muito penetrantes e podem ser blindados por materiais ricos em hidrogênio (parafina e água).

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Raios X e gama (

g

)

Os raios X e os raios gama

(g

)

são ondas eletromagnéticas que diferem na sua origem:

• Raios X são produzidos fora do núcleo devido a desexcitação dos elétrons.

• Os raios g são se originam dentro do núcleo atômico. • Ambos possuem alto capacidade de penetração

• Eles podem perder toda ou quase toda energia em um único processo de interação e a distância que a radiação percorre antes de interagir não pode ser prevista. Tudo que pode-se prever é a distância em que ele tem 50% de chance de interagir. Esta distância é chamada de camada semi-redutora.

.

Raios X ou g : camada semi-redutora

Energia Tecido humano chumbo

0,01MeV 0,13 cm 0,00045 cm

0,1 MeV 4,15 cm 0,011 cm

1 MeV 9,9 cm 0,86 cm

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