21.6: Efeitos biológicos da radiação
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- Descreva o impacto biológico da radiação ionizante.
- Defina unidades para medir a exposição à radiação.
- Explique a operação de ferramentas comuns para detectar radioatividade.
- Liste as fontes comuns de exposição à radiação nos EUA.
O aumento do uso de radioisótopos aumentou a preocupação com os efeitos desses materiais em sistemas biológicos (como humanos). Todos os nuclídeos radioativos emitem partículas de alta energia ou ondas eletromagnéticas. Quando essa radiação encontra células vivas, ela pode causar aquecimento, quebrar ligações químicas ou ionizar moléculas. O dano biológico mais sério ocorre quando essas emissões radioativas fragmentam ou ionizam moléculas. Por exemplo, partículas alfa e beta emitidas por reações de decaimento nuclear possuem energias muito mais altas do que as energias de ligação química comuns. Quando essas partículas atingem e penetram na matéria, elas produzem íons e fragmentos moleculares que são extremamente reativos. O dano que isso causa às biomoléculas em organismos vivos pode causar graves avarias nos processos celulares normais, sobrecarregando os mecanismos de reparo do organismo e possivelmente causando doenças ou até mesmo a morte (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Radiação ionizante versus não ionizante
Há uma grande diferença na magnitude dos efeitos biológicos da radiação não ionizante (por exemplo, luz e microondas) e da radiação ionizante, emissões energéticas o suficiente para eliminar elétrons das moléculas (por exemplo, partículas α e β, raios γ, raios X e alta energia radiação ultravioleta) (Figura\(\PageIndex{2}\)).
A energia absorvida pela radiação não ionizante acelera o movimento dos átomos e moléculas, o que equivale ao aquecimento da amostra. Embora os sistemas biológicos sejam sensíveis ao calor (como podemos saber ao tocar em um fogão quente ou passar um dia na praia ao sol), uma grande quantidade de radiação não ionizante é necessária antes que níveis perigosos sejam atingidos. A radiação ionizante, no entanto, pode causar danos muito mais graves ao romper ligações ou remover elétrons em moléculas biológicas, interrompendo sua estrutura e função. O dano também pode ser causado indiretamente, primeiro ionizando H 2 O (a molécula mais abundante nos organismos vivos), que forma um íon H 2 O + que reage com a água, formando um íon hidrônio e um radical hidroxila:
Efeitos biológicos da exposição à radiação
A radiação pode prejudicar todo o corpo (danos somáticos) ou óvulos e espermatozóides (danos genéticos). Seus efeitos são mais pronunciados em células que se reproduzem rapidamente, como revestimento do estômago, folículos pilosos, medula óssea e embriões. É por isso que pacientes submetidos à radioterapia geralmente sentem náuseas ou mal-estar estomacais, perdem cabelo, dores ósseas e assim por diante, e por que cuidados especiais devem ser tomados ao se submeter à radioterapia durante a gravidez.
Diferentes tipos de radiação têm diferentes habilidades de passar pelo material (Figura\(\PageIndex{4}\)). Uma barreira muito fina, como uma folha ou duas de papel, ou a camada superior das células da pele, geralmente bloqueia as partículas alfa. Por causa disso, as fontes de partículas alfa geralmente não são perigosas se estiverem fora do corpo, mas são bastante perigosas se ingeridas ou inaladas (consulte o artigo Química na Vida Cotidiana sobre Exposição ao Radônio). As partículas beta passarão por uma mão ou por uma fina camada de material, como papel ou madeira, mas são interrompidas por uma fina camada de metal. A radiação gama é muito penetrante e pode passar por uma camada espessa da maioria dos materiais. Alguma radiação gama de alta energia é capaz de passar por alguns metros de concreto. Certos elementos densos e de alto número atômico (como chumbo) podem atenuar efetivamente a radiação gama com material mais fino e são usados para blindagem. A capacidade de vários tipos de emissões de causar ionização varia muito, e algumas partículas quase não têm tendência a produzir ionização. As partículas alfa têm cerca de duas vezes o poder ionizante dos nêutrons em movimento rápido, cerca de 10 vezes o das partículas β e cerca de 20 vezes o dos raios γ e raios-X.
Para muitas pessoas, uma das maiores fontes de exposição à radiação é o gás radônio (Rn-222). O radônio-222 é um emissor α com meia-vida de 3,82 dias. É um dos produtos da série de decaimento radioativo do U-238, encontrada em pequenas quantidades no solo e nas rochas. O gás radônio produzido escapa lentamente do solo e gradualmente se infiltra nas casas e outras estruturas acima. Como é cerca de oito vezes mais denso que o ar, o gás radônio se acumula nos porões e nos andares inferiores e se difunde lentamente pelos edifícios (Figura\(\PageIndex{5}\)).
O radônio é encontrado em edifícios em todo o país, com quantidades dependentes da localização. A concentração média de radônio dentro de casas nos EUA (1,25 pCi/L) é cerca de três vezes o nível encontrado no ar externo, e cerca de uma em cada seis casas tem níveis de radônio altos o suficiente para que esforços de remediação para reduzir a concentração de radônio sejam recomendados. A exposição ao radônio aumenta o risco de contrair câncer (especialmente câncer de pulmão), e altos níveis de radônio podem ser tão prejudiciais à saúde quanto fumar uma caixa de cigarros por dia. O radônio é a principal causa de câncer de pulmão em não fumantes e a segunda principal causa de câncer de pulmão em geral. Acredita-se que a exposição ao radônio cause mais de 20.000 mortes nos EUA por ano.
Medindo a exposição à radiação
Vários dispositivos diferentes são usados para detectar e medir a radiação, incluindo contadores Geiger, contadores de cintilação (cintiladores) e dosímetros de radiação (Figura\(\PageIndex{6}\)). Provavelmente o instrumento de radiação mais conhecido, o contador Geiger (também chamado de contador Geiger-Müller) detecta e mede a radiação. A radiação causa a ionização do gás em um tubo Geiger-Müller. A taxa de ionização é proporcional à quantidade de radiação. Um contador de cintilação contém um cintilador — um material que emite luz (luminescência) quando excitado por radiação ionizante — e um sensor que converte a luz em um sinal elétrico. Os dosímetros de radiação também medem a radiação ionizante e são frequentemente usados para determinar a exposição pessoal à radiação. Os tipos comumente usados são dosímetros eletrônicos, de crachá de filme, termoluminescentes e de fibra de quartzo.
Uma variedade de unidades é usada para medir vários aspectos da radiação (Tabela\(\PageIndex{1}\)). A unidade SI para taxa de decaimento radioativo é o becquerel (Bq), com 1 Bq = 1 desintegração por segundo. A curie (Ci) e a milicurie (mCi) são unidades muito maiores e são frequentemente usadas na medicina (1 curie = 1 Ci =\(3.7 \times 10^{10}\) desintegrações por segundo). A unidade SI para medir a dose de radiação é o cinza (Gy), com 1 Gy = 1 J de energia absorvida por quilograma de tecido. Em aplicações médicas, a dose absorvida de radiação (rad) é usada com mais frequência (1 rad = 0,01 Gy; 1 rad resulta na absorção de 0,01 J/kg de tecido). A unidade SI que mede os danos nos tecidos causados pela radiação é o sievert (Sv). Isso leva em consideração a energia e os efeitos biológicos do tipo de radiação envolvida na dose de radiação.
| Finalidade da medição | Unidade | Quantidade medida | Descrição |
|---|---|---|---|
| atividade da fonte | becquerel (Bq) | decaimentos ou emissões radioativas | quantidade de amostra que sofre 1 decaimento/segundo |
| Curie (Curie) | quantidade de amostra que é submetida\(\mathrm{3.7 \times 10^{10}\; decays/second}\) | ||
| dose absorvida | cinza (Gy) | energia absorvida por kg de tecido | 1 Gy = 1 J/kg de tecido |
| dose absorvida de radiação (rad) | 1 rad = 0,01 J/kg de tecido | ||
| dose biologicamente eficaz | Sievert (Sv) | danos nos tecidos | Sv = RBE × Gy |
| equivalente de roentgen para homem (rem) | Rem = RBE × rad |
O equivalente de roentgen para o homem (rem) é a unidade de dano por radiação usada com mais frequência na medicina (1 rem = 1 Sv). Observe que as unidades de dano tecidual (rem ou Sv) incluem a energia da dose de radiação (rad ou Gy), junto com um fator biológico conhecido como RBE (para eficácia biológica relativa), que é uma medida aproximada do dano relativo causado pela radiação. Eles são relacionados por:
\[ \text{number of rems}=\text{RBE} \times \text{number of rads} \label{Eq2} \]
com RBE aproximadamente 10 para radiação α, 2 (+) para prótons e nêutrons e 1 para radiação β e γ.
O cobalto-60 (t 1/2 = 5,26 y) é usado na terapia do câncer, pois os\(\gamma\) raios que ele emite podem ser focados em pequenas áreas onde o câncer está localizado. Uma amostra de 5,00 g de Co-60 está disponível para tratamento do câncer.
- Qual é a sua atividade na Bq?
- Qual é a sua atividade no Ci?
Solução
A atividade é dada por:
\[\textrm{Activity}=λN=\left( \dfrac{\ln 2}{t_{1/2} } \right) N=\mathrm{\left( \dfrac{\ln 2}{5.26\ y} \right) \times 5.00 \ g=0.659\ \dfrac{g}{y} \ of\ \ce{^{60}Co} \text{ that decay}} \nonumber \]
E para converter isso em decaimentos por segundo:
\[\mathrm{0.659\; \frac{g}{y} \times \dfrac{y}{365 \;day} \times \dfrac{1\; day}{ 24\; hours} \times \dfrac{1\; h}{3,600 \;s} \times \dfrac{1\; mol}{59.9\; g} \times \dfrac{6.02 \times 10^{23} \;atoms}{1 \;mol} \times \dfrac{1\; decay}{1\; atom}} \nonumber \]
\[\mathrm{=2.10 \times 10^{14} \; \frac{decay}{s}} \nonumber \]
(a) Desde então\(\mathrm{1\; Bq = 1\; \frac{ decay}{s}}\), a atividade em Becquerel (Bq) é:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \dfrac{decay}{s} \times \left(\dfrac{1\ Bq}{1 \; \frac{decay}{s}} \right)=2.10 \times 10^{14} \; Bq} \nonumber \]
(b) Uma vez que\(\mathrm{1\ Ci = 3.7 \times 10^{11}\; \frac{decay}{s}}\), a atividade em curie (Ci) é:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \frac{decay}{s} \times \left( \dfrac{1\ Ci}{3.7 \times 10^{11} \frac{decay}{s}} \right) =5.7 \times 10^2\;Ci} \nonumber \]
O trítio é um isótopo radioativo de hidrogênio (\(t_{1/2} = \mathrm{12.32\; years}\)) que tem vários usos, incluindo iluminação autoalimentada, em que elétrons emitidos no decaimento radioativo do trítio fazem com que o fósforo brilhe. Seu núcleo contém um próton e dois nêutrons, e a massa atômica do trítio é 3.016 amu. Qual é a atividade de uma amostra contendo 1,00 mg de trítio (a) em Bq e (b) em Ci?
- Responda a
-
\(\mathrm{3.56 \times 10^{11} Bq}\)
- Resposta b
-
\(\mathrm{0.962\; Ci}\)
Efeitos da exposição a longo prazo à radiação no corpo humano
Os efeitos da radiação dependem do tipo, energia e localização da fonte de radiação e da duração da exposição. Conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{8}\), a pessoa média é exposta à radiação de fundo, incluindo raios cósmicos do sol e radônio do urânio no solo (veja o recurso Química na Vida Cotidiana sobre Exposição ao Radônio); radiação de exposição médica, incluindo tomografias computadorizadas, testes de radioisótopos, X- raios e assim por diante; e pequenas quantidades de radiação de outras atividades humanas, como voos de avião (que são bombardeados pelo aumento do número de raios cósmicos na alta atmosfera), radioatividade de produtos de consumo e uma variedade de radionuclídeos que entram em nossos corpos quando respiramos (por exemplo, carbono 14) ou através da cadeia alimentar (por exemplo, potássio-40, estrôncio-90 e iodo-131).
Uma dose repentina e de curto prazo de uma grande quantidade de radiação pode causar uma ampla gama de efeitos na saúde, desde alterações na química do sangue até a morte. A exposição de curto prazo a dezenas de rems de radiação provavelmente causará sintomas ou doenças muito visíveis; estima-se que uma dose de cerca de 500 rems tenha uma probabilidade de 50% de causar a morte da vítima dentro de 30 dias após a exposição. A exposição a emissões radioativas tem um efeito cumulativo no corpo durante a vida de uma pessoa, outra razão pela qual é importante evitar qualquer exposição desnecessária à radiação. Os efeitos na saúde da exposição de curto prazo à radiação são mostrados na Tabela\(\PageIndex{2}\).
| Exposição (rem) | Efeito na saúde | Hora de início (sem tratamento) |
|---|---|---|
| 5—10 | mudanças na química do sangue | — |
| 50 | náusea | horas |
| 55 | fadiga | — |
| 70 | vômito | — |
| 75 | queda de cabelo | 2—3 semanas |
| 90 | diarreia | — |
| 100 | hemorragia | — |
| 400 | possível morte | dentro de 2 meses |
| 1000 | destruição do revestimento intestinal | — |
| sangramento interno | — | |
| morte | 1—2 semanas | |
| 2000 | danos ao sistema nervoso central | — |
| perda de consciência | ata | |
| morte | de horas a dias |
É impossível evitar alguma exposição à radiação ionizante. Estamos constantemente expostos à radiação de fundo de uma variedade de fontes naturais, incluindo radiação cósmica, rochas, procedimentos médicos, produtos de consumo e até mesmo nossos próprios átomos. Podemos minimizar nossa exposição bloqueando ou protegendo a radiação, nos afastando da fonte e limitando o tempo de exposição.
Resumo
Estamos constantemente expostos à radiação de uma variedade de fontes naturais e produzidas pelo homem. Essa radiação pode afetar organismos vivos. A radiação ionizante é a mais prejudicial porque pode ionizar moléculas ou romper ligações químicas, o que danifica a molécula e causa avarias nos processos celulares. Também pode criar radicais hidroxilos reativos que danificam as moléculas biológicas e interrompem os processos fisiológicos. A radiação pode causar danos somáticos ou genéticos e é mais prejudicial às células que se reproduzem rapidamente. Os tipos de radiação diferem em sua capacidade de penetrar no material e danificar os tecidos, sendo as partículas alfa as menos penetrantes, mas potencialmente as mais prejudiciais, e os raios gama os mais penetrantes.
Vários dispositivos, incluindo contadores Geiger, cintiladores e dosímetros, são usados para detectar e medir a radiação e monitorar a exposição à radiação. Usamos várias unidades para medir a radiação: becquerels ou curies para taxas de decaimento radioativo; cinza ou rads para energia absorvida; e rems ou sieverts para efeitos biológicos da radiação. A exposição à radiação pode causar uma ampla gama de efeitos à saúde, de menores a graves, incluindo a morte. Podemos minimizar os efeitos da radiação protegendo-os com materiais densos, como chumbo, afastando-nos da fonte de radiação e limitando o tempo de exposição.
Notas de pé
- 1 Fonte: Agência de Proteção Ambiental dos EUA
Glossário
- becquerel (Bq)
- Unidade SI para taxa de decaimento radioativo; 1 Bq = 1 desintegração/s.
- Curie (Curie)
- Unidade maior para taxa de decaimento radioativo frequentemente usada na medicina; 1 Ci = 3,7 × 10 10 desintegrações/s.
- contador Geiger
- Instrumento que detecta e mede a radiação por meio da ionização produzida em um tubo Geiger-Müller.
- cinza (Gy)
- Unidade SI para medir a dose de radiação; 1 Gy = 1 J absorvido/kg de tecido.
- radiação ionizante
- Radiação que pode fazer com que uma molécula perca um elétron e forme um íon.
- milicúria (mCi)
- Unidade maior para taxa de decaimento radioativo frequentemente usada na medicina; 1 Ci = 3,7 × 10 10 desintegrações/s.
- radiação não ionizante
- Radiação que acelera o movimento de átomos e moléculas; é equivalente a aquecer uma amostra, mas não é energética o suficiente para causar a ionização das moléculas.
- dose absorvida de radiação (rad)
- Unidade SI para medir a dose de radiação, frequentemente usada em aplicações médicas; 1 rad = 0,01 Gy.
- dosímetro de radiação
- Dispositivo que mede a radiação ionizante e é usado para determinar a exposição pessoal à radiação.
- eficácia biológica relativa (RBE)
- Medida do dano relativo causado pela radiação.
- homem equivalente de roentgen (rem)
- Unidade para danos causados por radiação, frequentemente usada na medicina; 1 rem = 1 Sv.
- contador de cintilação
- Instrumento que usa um cintilador — um material que emite luz quando excitado pela radiação ionizante — para detectar e medir a radiação.
- Sievert (Sv)
- Unidade SI que mede os danos nos tecidos causados pela radiação; leva em consideração os efeitos energéticos e biológicos da radiação.