Um material composto, formado pela mistura de muitos elementos, pode ser convenientemente descrito, a partir da forma com que a radiação interage com ele, como se fosse formado por um elemento ctício com um número atômico efetivo, Zef. Esse parâmetro não é constante com a energia, entretanto, pode ser considerado uma ferramenta útil na caracterização de tecidos biológicos, materiais tecido-equivalentes e dosímetros. Várias formas de determinação do Zef foram propostas na literatura, dentre elas, estão os métodos de atenuação que se baseiam no uso da seção de choque total (obtido a partir do coeciente de atenuação linear mássico (µ/)) e os métodos de espalhamento que se baseiam na razão entre as seções de choque diferenciais Rayleigh e Compton. Neste trabalho, buscou-se estudar métodos de obter Zef de forma experimental e teórica, por dois métodos (atenuação e espalhamento) para completar lacunas existentes na literatura. No método de atenuação, foi utilizado o (µ/) como grandeza de interação que, no conhecimento dos autores, ainda não foi utilizado. Para isso, arranjos experimentais que permitam determinar a densidade, , e o coeciente de atenuação linear, µ, foi construído. O µ (de materiais tecido-equivalentes e tecidos biológicos) foi determinado tanto para energia de 59.54 keV (fonte 241Am) com detector CdTe, quanto para faixa de energia entre 15 e 45 keV (tubo de raios X com alvo de W) com detector SDD. Um novo programa computacional para determinar o número atômico efetivo a partir do µ/ foi implementado e validado. A sensibilidade do método foi estudada de forma a determinar Zef de forma adequada. No método de espalhamento, arranjo experimental para detectar os fótons espalhados Rayleigh e Compton (utilizando fonte de 241Am e detector CdTe) foi construído, otimizado e validado. Um programa computacional para determinação de Zef através da razão Rayleigh/Compton, R/C, foi elaborado e validado . A sensibilidade do método foi estudada e analisada de forma a determinar Zef de maneira adequada. No método de atenuação, o arranjos para determinação do µ/ possibilitaram determiná-lo com diferenças menores que 6% quando comparados com a literatura e incertezas de 3.8% para 59.54 keV e até 7% na faixa de 15 à 45 keV. Também foi vericado que o método é adequado para determinar Zef para energias de até 60 keV, pois a partir deste valor, as incertezas em Zef aumentam (para mais de 10%). No método de espalhamento, o arranjo para determinação da razão Rayleigh/Compton possibilitaram obter medidas de R/C com menos de 10% de diferença com a literatura e incertezas de 7% e foi vericado ainda, que a faixa de momento transferido entre 1 Å1 e 2 Å1 é adequada para determinar Zef (incertezas menores que 3% de incerteza) / A composite material, formed by the mixture of several elements, can be conveniently described by, from the way the radiation interacts with it, as if it were formed by a factitious element with an eective atomic number (Zef). This parameter is not constant with the energy, however, can be considered as an useful tool for characterization of biological tissues, tissue-equivalent materials and dosimeters. Several ways for the determination of Zef were proposed by the literature, among them, are the attenuation methods which are based on the total cross section (derived form the mass attenuation coecient (µ/)) and the scatter methods which are based on the ratio between the Rayleigh and Compton dierential cross sections. In this work, were study ways to obtain Zef experimentally and theoretically by two methods (attenuation and scattering) to ll the gaps in the literature. In the attenuation method µ/ was used as interaction coecient which, in the authors knowledge, it hasnt been used. For this purpose, experimental arrangements to determine the density () and the linear attenuation coecient (µ) were built. The µ (of tissue-equivalent material and biological tissues) were determined both for 59.54 keV (241Am source) with a CdTe detector and for the energy rage between 15 and 45 keV (X ray tube, W target) with a SDD detector. A new computational program for determining Zef through µ/ was implemented and validated. The method sensibility was studied in the way to determine Zef properly. In the scattering method, an experimental arrangement to detect the Rayleigh and Compton scattered photons (with 241Am source and a CdTe detector) was built, optimized and validated. A computational program to determine Zef through Rayleigh to Compton ratio, R/C, was elaborated and validated. The methods sensibility was studied and analyzed to determine Zef properly. In the attenuation method, the arrangements for determining µ/ allowed to determine it with dierences smaller than 6% when compared with the literature and uncertainties of 3.8% for 59.54 keV and up to 7% in the range of 15 to 45 keV. It has also been found that the method is suitable for determining Zef for energies of up to 60 keV, because above that energy, the uncertainties in Zef increases (more than 10%). In the scattering method, the arrangement for determining R/C made it possible to obtain measurements of R/C with less than 10% dierence with the literature and uncertainties of 7% and it was veried that the momentum transfer range between 1 Å1 and 2 Å1 is suitable for determining Zef (uncertainties less than 3 % uncertainty)

Um material composto, formado pela mistura de muitos elementos, pode ser convenientemente descrito, a partir da forma com que a radiação interage com ele, como se fosse formado por um elemento ctício com um número atômico efetivo, Zef. Esse parâmetro não é constante com a energia, entretanto, pode ser considerado uma ferramenta útil na caracterização de tecidos biológicos, materiais tecido-equivalentes e dosímetros. Várias formas de determinação do Zef foram propostas na literatura, dentre elas, estão os métodos de atenuação que se baseiam no uso da seção de choque total (obtido a partir do coeciente de atenuação linear mássico (µ/)) e os métodos de espalhamento que se baseiam na razão entre as seções de choque diferenciais Rayleigh e Compton. Neste trabalho, buscou-se estudar métodos de obter Zef de forma experimental e teórica, por dois métodos (atenuação e espalhamento) para completar lacunas existentes na literatura. No método de atenuação, foi utilizado o (µ/) como grandeza de interação que, no conhecimento dos autores, ainda não foi utilizado. Para isso, arranjos experimentais que permitam determinar a densidade, , e o coeciente de atenuação linear, µ, foi construído. O µ (de materiais tecido-equivalentes e tecidos biológicos) foi determinado tanto para energia de 59.54 keV (fonte 241Am) com detector CdTe, quanto para faixa de energia entre 15 e 45 keV (tubo de raios X com alvo de W) com detector SDD. Um novo programa computacional para determinar o número atômico efetivo a partir do µ/ foi implementado e validado. A sensibilidade do método foi estudada de forma a determinar Zef de forma adequada. No método de espalhamento, arranjo experimental para detectar os fótons espalhados Rayleigh e Compton (utilizando fonte de 241Am e detector CdTe) foi construído, otimizado e validado. Um programa computacional para determinação de Zef através da razão Rayleigh/Compton, R/C, foi elaborado e validado . A sensibilidade do método foi estudada e analisada de forma a determinar Zef de maneira adequada. No método de atenuação, o arranjos para determinação do µ/ possibilitaram determiná-lo com diferenças menores que 6% quando comparados com a literatura e incertezas de 3.8% para 59.54 keV e até 7% na faixa de 15 à 45 keV. Também foi vericado que o método é adequado para determinar Zef para energias de até 60 keV, pois a partir deste valor, as incertezas em Zef aumentam (para mais de 10%). No método de espalhamento, o arranjo para determinação da razão Rayleigh/Compton possibilitaram obter medidas de R/C com menos de 10% de diferença com a literatura e incertezas de 7% e foi vericado ainda, que a faixa de momento transferido entre 1 Å1 e 2 Å1 é adequada para determinar Zef (incertezas menores que 3% de incerteza) / A composite material, formed by the mixture of several elements, can be conveniently described by, from the way the radiation interacts with it, as if it were formed by a factitious element with an eective atomic number (Zef). This parameter is not constant with the energy, however, can be considered as an useful tool for characterization of biological tissues, tissue-equivalent materials and dosimeters. Several ways for the determination of Zef were proposed by the literature, among them, are the attenuation methods which are based on the total cross section (derived form the mass attenuation coecient (µ/)) and the scatter methods which are based on the ratio between the Rayleigh and Compton dierential cross sections. In this work, were study ways to obtain Zef experimentally and theoretically by two methods (attenuation and scattering) to ll the gaps in the literature. In the attenuation method µ/ was used as interaction coecient which, in the authors knowledge, it hasnt been used. For this purpose, experimental arrangements to determine the density () and the linear attenuation coecient (µ) were built. The µ (of tissue-equivalent material and biological tissues) were determined both for 59.54 keV (241Am source) with a CdTe detector and for the energy rage between 15 and 45 keV (X ray tube, W target) with a SDD detector. A new computational program for determining Zef through µ/ was implemented and validated. The method sensibility was studied in the way to determine Zef properly. In the scattering method, an experimental arrangement to detect the Rayleigh and Compton scattered photons (with 241Am source and a CdTe detector) was built, optimized and validated. A computational program to determine Zef through Rayleigh to Compton ratio, R/C, was elaborated and validated. The methods sensibility was studied and analyzed to determine Zef properly. In the attenuation method, the arrangements for determining µ/ allowed to determine it with dierences smaller than 6% when compared with the literature and uncertainties of 3.8% for 59.54 keV and up to 7% in the range of 15 to 45 keV. It has also been found that the method is suitable for determining Zef for energies of up to 60 keV, because above that energy, the uncertainties in Zef increases (more than 10%). In the scattering method, the arrangement for determining R/C made it possible to obtain measurements of R/C with less than 10% dierence with the literature and uncertainties of 7% and it was veried that the momentum transfer range between 1 Å1 and 2 Å1 is suitable for determining Zef (uncertainties less than 3 % uncertainty)

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work a contribution to basic knowledges of physical and chemistry of the solid state is presented. Based on fundamental concepts of physical chemistry, such as charge distribution, electronegativity and electric dipole moment of the compounds, a purely analytical expression for obtaining the effective atomic number (Zeff ) and a general way to get the crystal packing factor, p, of any ionic system is being presented. The local interaction cation-anion occurs between the electronic clouds of the outermost electrons. So, we are postulating an effective separation (Rij ) between the negative and positive centre of charge of two ways; in one of them Rij is related to the electric dipole moment and the electronegativity difference, and the other by the average difference between the atomic and ionic (crystalline) radii of the interacting ions. When compared to the experimental data analyzed, predictions of up to 20% have been obtained for the Zeff of diatomic materials (BeO, LiF, Al2O3, MgO, NaF, SiO2, CaF2, V2O3 and ZnO) and above 20% for polyatomic crystals (Li2B4O7 and CaSO4) applied in dosimetry. In photonics, the increasing behavior of the refractive index with Zeff for the glass system (0.7-x)NaPO3-0.3WO3-xBi 2O3 is confirmed. By combining crystal field and effective charge models, we have done predictions of Zeff for the system Eu2O3 within the range of experimental data analyzed. Also we are proposing an analytical expression to calculate the photoionization cross-section (SCF) of isotropic defects or impurities centers, by using the time-dependent perturbation theory. The ground-state wavefunction of the electron captured in the impurity state is described by a three-dimensional isotropic harmonic oscillator and the excited electron in the continuum conduction band is described by a plane wave. The expression has been obtained considering all multipoles terms in the Hamiltonian, and that the radiation field which interacts with matter is semi-classical and linearly polarized. This approximation is assumed because the linear effects are dominant. The model is applied to predict the SCF of the Al2O3:C and Lu2SiO5: Ce crystals, and the predictions are in good agreement with the available data in the literature. / Neste trabalho uma contribuição aos conhecimentos básicos de físico e química do estado sólido é apresentado. Baseado em conceitos fundamentais de físico-química, tais como, distribuição de carga, eletronegatividade e momento de dipolo elétrico dos compostos, uma expressão puramente analítica para obtenção do número atômico efetivo (Zeff ) e uma maneira geral de obter o fator de empacotamento cristalino, p, de qualquer sistema iônico está sendo apresentada. A interação local cátion-ânion ocorre entre as nuvens eletrônicas dos elétrons mais externos. Sendo assim, estamos postulando uma separação efetiva (Rij ) entre os centros de carga negativa e positiva de duas maneiras; em uma delas Rij é relacionado com o momento de dipolo elétrico e a diferença de eletronegatividade, e a outra por meio da diferença média entre os raios atômicos e iônicos (cristalinos) dos íons interagentes. Quando comparado aos dados experimentais analisados, previsões de no máximo 20% têm sido obtidos para o Zeff de materiais diatômicos (BeO, LiF, Al2O3, MgO, NaF, SiO2, CaF2, V2O3 e ZnO) e acima de 20% para os cristais poliatômicos (Li2B4O7 e CaSO4) aplicados em dosimetria. Em fotônica, o comportamento crescente do índice de refração com Zeff , para o sistema vítreo (0.7-x)NaPO3-0.3WO3-xBi2O3, é confirmado. Combinando modelos de campo cristalino e carga efetiva, temos feito previsões de Zeff para o sistema Eu2O3 dentro do intervalo de dados experimentais analisados. Também estamos propondo uma expressão analítica para calcular a seção de choque de fotoionização (SCF) de centros de impurezas ou defeitos isotrópicos, usando a teoria de perturbação dependente do tempo. A função de onda do estado fundamental do elétron capturado no estado da impureza é descrito por um oscilador harmônico isotrópico tridimensional e o elétron excitado na banda de condução contínua é descrito por uma onda plana. A expressão foi obtida considerando todos os termos de multipolos no hamiltoniano, e que o campo de radiação que interage com a matéria é semi-clássico e linearmente polarizado. Esta aproximação é assumida porque os efeitos lineares são dominantes. O modelo é aplicado para prever a SCF dos cristais Al2O3:C e Lu2SiO5:Ce, e as previsões estão em bom acordo com os dados disponíveis na literatura.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2018-06-06T14:39:52Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Tech, Lohane.pdf: 2007649 bytes, checksum: ed3cf3b82a08ab6680c21d8be8071469 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-06T14:39:52Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Tech, Lohane.pdf: 2007649 bytes, checksum: ed3cf3b82a08ab6680c21d8be8071469 (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / No presente trabalho foram analisadas 25 solos com diversas texturas, do estado do Paraná Brasil. Com o intuito de avaliar os parâmetros de interação da radiação com os solos, as amostras foram submetidas a análise semi-quantitativa por fluorescência de raios X (FRX) por dispersão de energia a fim de se obter os teores dos óxidos que compunham o solo. Dois tamanhos de partículas foram analisados, sendo eles: diâmetro de 45 μm, que é o padrão recomendado pelo fabricante do equipamento de FRX, e diâmetro de 2-1 mm. O teor dos óxidos, o coeficiente de atenuação de massa (⁄), a seção de choque molecular (), a seção de choque atômica (), a seção de choque eletrônica (), o número atômico efetivo () e a densidade eletrônica (), foram analisadas para os 25 solos para os dois tamanhos de partículas. Os resultados mostraram diferenças nos teores de óxidos dos solos entre um tamanho de agregado e outro, constatando mudanças nas porcentagens do óxidos de Al2O3, SiO2 e Fe2O3. Como consequência, houve alteração nos valores dos outros parâmetros analisados, as seções de choque, o número atômico efetivo e a densidade eletrônica. A seção de choque molecular e a densidade eletrônica mostrou dependência com o teor dos óxidos Al2O3 e SiO2, que são encontrados em maior porcentagem nos solos arenosos e nos solos com textura franco, para os dois tamanhos de agregados. A seção de choque atômica mostrou dependência com o número total de unidades de fórmulas moleculares presentes na composição do solo. Já os parâmetros restantes, coeficiente de atenuação de massa, seção de choque eletrônica e número atômico efetivo mostraram dependência com o óxido Fe2O3, que é encontrado em maior teor nas amostras com textura mais argilosa, para os dois tamanhos de agregados. Desta forma, observou-se dependência da textura e do tamanho de partículas ambas com a composição química elementar porque no primeiro caso, diferentes texturas são relacionadas a composição mineral e elementar nos diferentes solos e a segunda devido a conformação dos agregados nos dois conjuntos analisados. / This study analysed 25 soil samples from the State of Paraná, Brazil, with different textures. Aiming at evaluating the parameters of radiation interaction with the matter, the samples were submitted to the semi-quantitative analysis using energy dispersive X-ray (XRF) fluorescence, to obtain the content of oxides contained in the soil mixture. Two particle sizes were analysed, being: the 45 μm, wich is the standard required by the manufacturer of the X-ray fluorescence equipment, and the 2-1mm. The oxide content, mass attenuation coefficient (⁄), molecular cross section (), atomic cross section (), electronic cross section (), effective atomic number () and the electronic density () were analysed in the 25 samples and for the two particle sizes. The results showed differences in the soil oxide content between one aggregate size and the other, revealing changes in the percentage of the Al2O3, SiO2 and Fe2O3 oxides. With the difference observed, there was change in the values of other parameters under analysis, the cross sections, the effective atomic number and the electronic density. The molecular cross section and the effective electronic density showed dependence on the content of Al2O3 and SiO2 oxides, which were found in higher percentages in sandy and loam soils, for both aggregate sizes. The atomic cross section was seen to present dependence on the total number of molecular formula units contained in the soil composition. While the remaining parameters, mass attenuation coefficient, electronic cross sections and the effective atomic number showed dependence on the Fe2O3 oxide, whose higher contents were found in the clay textured samples, for both aggregate sizes. In this way, it was observed texture and size dependency, both with the elementary chemical composition because in the first case, different textures are related to elementary and mineral composition in the different soils and the second due to the conformation of the aggregated in both analyzed arrays.