31.2: Detecção e detectores de radiação

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique o princípio de funcionamento de um tubo Geiger.
• Defina e discuta detectores de radiação.

É sabido que a radiação ionizante nos afeta, mas não desencadeia impulsos nervosos. Os jornais publicam histórias sobre vítimas inocentes de intoxicação por radiação que adoecem com doenças causadas pela radiação, como queimaduras e alterações no hemograma, mas que nunca sentiram a radiação diretamente. Isso faz com que a detecção de radiação por instrumentos seja mais do que uma importante ferramenta de pesquisa. Esta seção é uma breve visão geral da detecção de radiação e de algumas de suas aplicações.

Aplicação humana

A primeira detecção direta de radiação foi a placa fotográfica embaçada de Becquerel. O filme fotográfico ainda é o detector mais comum de radiação ionizante, sendo usado rotineiramente em radiografias médicas e odontológicas. A radiação nuclear também é capturada em filme, como visto na Figura\(\PageIndex{1}\). O mecanismo de exposição do filme por radiação ionizante é semelhante ao dos fótons. Um quantum de energia interage com a emulsão e a altera quimicamente, expondo assim o filme. O quantum vem\(\alpha\) de uma partícula,\(\beta\) partícula ou fóton, desde que tenha mais do que os poucos eV de energia necessários para induzir a mudança química (assim como toda radiação ionizante). O processo não é 100% eficiente, pois nem toda radiação incidente interage e nem todas as interações produzem a mudança química. A quantidade de escurecimento do filme está relacionada à exposição, mas o escurecimento também depende do tipo de radiação, portanto, absorvedores e outros dispositivos devem ser usados para obter informações de energia, carga e identificação de partículas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Os emblemas de filme contêm um filme semelhante ao usado neste filme de raio-x dental e são colocados entre vários absorvedores para determinar a capacidade de penetração da radiação, bem como a quantidade. (crédito: Werneuchen, Wikimedia Commons)

Outro detector de radiação muito comum é o tubo Geiger. O som de cliques e zumbidos que ouvimos em dramatizações e documentários, bem como em nossos próprios laboratórios de física, geralmente é uma saída de áudio de eventos detectados por um contador Geiger. Esses detectores de radiação relativamente baratos são baseados no tubo Geiger simples e resistente, mostrado esquematicamente na Figura\(\PageIndex{1b}\). Um cilindro condutor com um fio ao longo de seu eixo é preenchido com um gás isolante, de modo que uma tensão aplicada entre o cilindro e o fio quase não produz corrente. A radiação ionizante que passa pelo tubo produz pares de íons livres que são atraídos pelo fio e pelo cilindro, formando uma corrente que é detectada como uma contagem. A contagem de palavras implica que não há informações sobre energia, carga ou tipo de radiação com um simples contador Geiger. Eles não detectam todas as partículas, pois alguma radiação pode passar sem produzir ionização suficiente para ser detectada. No entanto, os contadores Geiger são muito úteis para produzir uma saída rápida que revela a existência e a intensidade relativa da radiação ionizante.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Contadores Geiger como este são usados para monitoramento imediato dos níveis de radiação, geralmente fornecendo apenas intensidade relativa e não identificando o tipo ou energia da radiação. (crédito: TimVickers, Wikimedia Commons) (b) A tensão aplicada entre o cilindro e o fio em um tubo Geiger faz com que íons e elétrons produzidos pela radiação que passa pelo cilindro cheio de gás se movam em direção a eles. A corrente resultante é detectada e registrada como uma contagem.

Outro método de detecção de radiação registra a luz produzida quando a radiação interage com os materiais. A energia da radiação é suficiente para excitar átomos em um material que pode fluorescer, como o fósforo usado pelo grupo de Rutherford. Materiais chamados cintiladores usam um processo colaborativo mais complexo para converter energia de radiação em luz. Os cintiladores podem ser líquidos ou sólidos e podem ser muito eficientes. Sua saída de luz pode fornecer informações sobre energia, carga e tipo de radiação. Os flashes de luz do cintilador têm uma duração muito curta, permitindo a detecção de um grande número de partículas em curtos períodos de tempo. Os detectores cintiladores são usados em uma variedade de aplicações de pesquisa e diagnóstico. Entre elas estão a detecção por equipamentos montados por satélite da radiação de galáxias distantes, a análise da radiação de uma pessoa indicando cargas corporais e a detecção de partículas exóticas em laboratórios de aceleradores.

A luz de um cintilador é convertida em sinais elétricos por dispositivos como o tubo fotomultiplicador mostrado esquematicamente na Figura\(\PageIndex{3}\). Esses tubos são baseados no efeito fotoelétrico, que é multiplicado em etapas em uma cascata de elétrons, daí o nome fotomultiplicador. A luz que entra no fotomultiplicador atinge uma placa de metal, ejetando um elétron que é atraído por uma diferença de potencial positivo para a próxima placa, fornecendo energia suficiente para ejetar dois ou mais elétrons, e assim por diante. A corrente de saída final pode ser proporcional à energia da luz que entra no tubo, que por sua vez é proporcional à energia depositada no cintilador. Informações muito sofisticadas podem ser obtidas com cintiladores, incluindo energia, carga, identificação de partículas, direção do movimento e assim por diante.

Figura\(\PageIndex{3}\): Os fotomultiplicadores usam o efeito fotoelétrico no fotocátodo para converter a saída de luz de um cintilador em um sinal elétrico. Cada dínodo sucessivo tem um potencial mais positivo que o anterior e atrai os elétrons ejetados, dando-lhes mais energia. O número de elétrons é assim multiplicado em cada dinodo, resultando em uma corrente de saída facilmente detectada.

Os detectores de radiação de estado sólido convertem a ionização produzida em um semicondutor (como os encontrados em chips de computador) diretamente em um sinal elétrico. Podem ser construídos semicondutores que não conduzem corrente em uma direção específica. Quando uma tensão é aplicada nessa direção, a corrente flui somente quando a ionização é produzida pela radiação, semelhante ao que acontece em um tubo Geiger. Além disso, a quantidade de corrente em um detector de estado sólido está intimamente relacionada à energia depositada e, como o detector é sólido, ele pode ter uma alta eficiência (já que a radiação ionizante é interrompida em uma distância menor em sólidos, menos partículas escapam da detecção). Assim como acontece com os cintiladores, informações muito sofisticadas podem ser obtidas de detectores de estado sólido.

EXPLORAÇÕES DE PHET: JOGO DE NAMORO RADIOATIVO

Aprenda sobre os diferentes tipos de datação radiométrica, como datação por carbono com o PhET Radioactive Dating Game. Entenda como a decadência e a meia-vida funcionam para permitir que a datação radiométrica funcione. Jogue um jogo que testa sua capacidade de combinar a porcentagem do elemento de datação que permanece até a idade do objeto.

Resumo

• Os detectores de radiação são baseados direta ou indiretamente na ionização criada pela radiação, assim como os efeitos da radiação em materiais vivos e inertes.

Glossário

Tubo Geiger

um detector de radiação muito comum que geralmente fornece uma saída de áudio

fotomultiplicador

um dispositivo que converte luz em sinais elétricos

detector de radiação

um dispositivo usado para detectar e rastrear a radiação de uma reação radioativa

cintiladores

um método de detecção de radiação que registra a luz produzida quando a radiação interage com materiais

detectores de radiação de estado sólido

semicondutores fabricados para converter diretamente a radiação incidente em corrente elétrica