Raios X

Os raios X compõem o espectro eletromagnético, com comprimentos de onda menores que a luz visível. Diferentes tipos de aplicações utilizam diferentes partes do espectro de raois X.

A radiação X (composta por raios X) é uma forma de radiação eletromagnética, de natureza semelhante à luz. A maioria dos raios X possuem comprimentos de onda entre 0,01 a 10 nanómetros, correspondendo a frequências na faixa de 30 petahertz a 30 exahertz (3×10¹⁶ Hz a 3×10¹⁹ Hz) e energias entre 100 eV até 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são menores do que os raios ultravioleta (UV) e tipicamente maiores do que a dos raios gama. Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895 pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen.

A produção de raios X se deve principalmente devido à transições de elétrons nos átomos, ou da desaceleração de partículas energéticas carregadas. Como toda energia eletromagnética de natureza ondulatória, os raios X sofrem interferência, polarização, refração, difração, reflexão, entre outros efeitos. Embora de comprimento de onda muito menor, sua natureza eletromagnética é idêntica à da luz.

Raios X
Ciclos por segundo: 300 PHz a 60 EHz

História

Tubo de Crookes

Tubo de raios X

Em uma ampola de vidro, William Crookes submeteu um gás a pressão ambiente e a altas tensões, por meio de duas placas metálicas localizadas no fundo e na frente da ampola, cada qual carregada com cargas diferentes. Quando a diferença de potencial entre as placas era suficientemente grande, os elétrons saiam do cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou liberação de luz devido às transições eletrônicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a ampola.

O tubo de vidro é evacuado a uma pressão de ar, de cerca de 100 Pascais; lembre-se que a pressão atmosférica é 1,01*10^5 Pascais. O ânodo é um alvo metálico grosso, é assim feito a fim de dissipar rapidamente a energia térmica que resulta do bombardeamento com os raios catódicos.

Uma tensão alta, entre 30 a 150 kV, é aplicada entre os elétrodos; isso induz uma ionização do ar residual e, assim, um feixe de electrões do cátodo ao ânodo surge. Quando esses electrões acertam o alvo, eles são desacelerados, produzindo os raios-X.

Um Tubo de Raio-X mais Detalhado apresenta dois tipos de Raios-X.

O efeito de geração dos fotões de raios-X é geralmente chamado efeito Bremsstrahlung, uma contração do alemão "brems" para a travagem e "strahlung" para a radiação.

A energia de radiação de um tubo de raio-X consiste de energias discretas que constituem um espectro de linha e um espectro contínuo fornecendo o fundo o espectro de linha.

Os electrões incidentes podem interagir com os átomos do alvo de várias maneiras.

A partir desses experimentos, Joseph John Thomson observou que tal fenômeno é independente do gás e do metal utilizado nos eletrodos (placas metálicas).

Concluiu, então, que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento químico. Devido a essa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, atestar a existência do elétron.

Muitos cientistas na Europa começaram a estudar esse tipo de radiação. Entre eles, o maior especialista em raios catódicos da Alemanha, Philipp Lenard (1862-1947).

A descoberta

Hand mit Ringen: a primeira de Wilhelm Röntgen referente a mão de sua esposa, tirada em 22 de dezembro de 1895 e apresentada ao Professor Ludwig Zehnder, do Instituto de Física da Universidade de Freiburg, em 1 de janeiro de 1896.

Foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem detectou pela primeira vez os raios X, que foram assim chamados devido ao desconhecimento, por parte da comunidade científica da época, a respeito da natureza dessa radiação . A descoberta ocorreu quando Röentgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Todo o aparato foi envolvido por uma caixa com um filme negro em seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário.

Röentgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a chegada desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto indicava que a radiação possui alto poder de penetração. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana. Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.

Partícula ou onda

Logo que os raios X foram descobertos, pouco se sabia a respeito da sua constituição. No início do século XX foram encontradas evidências experimentais de que os raios X seriam constituídos por partículas. No entanto, e para a surpresa da comunidade científica, Walther Friedrich e Paul Knipping realizaram um experimento em 1912, no qual conseguiram fazer um feixe de raios X atravessar um cristal, produzindo interferência da mesma forma que acontece com a luz. Isto fez com que os raios X passassem a ser considerados como ondas eletromagnéticas. Porém, por volta de 1920 foram realizados outros experimentos, que apontavam para um comportamento corpuscular dos raios X.

O físico Louis de Broglie tentou resolver este aparente conflito no comportamento dos raios X. Combinando as equações de Planck e de Einstein $E=h\nu =mc^{2}\,$ , chegou a conclusão de que "tudo o que é dotado de energia vibra, e há uma onda associada a qualquer coisa que tenha massa".

Características

Produção

O dispositivo que gera raios X é chamado de tubo de Coolidge. Da mesma forma que uma válvula termiônica, este componente é um tubo oco e evacuado, ainda possui um catodo incandescente que gera um fluxo de elétrons de alta energia. Estes são acelerados por uma grande diferença de potencial e atingem ao ânodo ou placa.

O ânodo é confeccionado em tungstênio. A razão deste tipo de construção é a geração de calor pelo processo de criação dos raios X. O tungstênio suporta temperaturas que vão até 3340 °C. Além disso, possui um razoável valor de número atômico (74) o que é útil para o fornecimento de átomos para colisão com os elétrons vindos do catodo (filamento). Para não fundir, o dispositivo necessita de resfriamento através da inserção do tungstênio em um bloco de cobre que se estende até o exterior do tubo de raios X que está imerso em óleo. Esta descrição refere-se ao tubo de ânodo fixo.

Ao serem acelerados, os elétrons ganham energia e são direcionados contra um alvo; ao atingi-lo, são bruscamente freados, perdendo uma parte da energia adquirida durante a aceleração. O resultado das colisões e da frenagem é a energia transferida dos elétrons para os átomos do elemento alvo. Este se aquece bruscamente, pois em torno de 99% da energia do feixe eletrônico é dissipada nele.

A brusca desaceleração de uma carga eletrônica gera a emissão de um pulso de radiação eletromagnética. A este efeito dá-se o nome de Bremsstrahlung, que significa radiação de freio.

As formas de colisão do feixe eletrônico no alvo dão-se em diferentes níveis energéticos devido às variações das colisões ocorridas. Como existem várias formas possíveis de colisão devido à angulação de trajetória, o elétron não chega a perder a totalidade da energia adquirida num único choque, ocorrendo então a geração de um amplo espectro de radiação cuja gama de frequências é bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes dependem da energia inicial do feixe eletrônico incidente, e é por isso que existe a necessidade de milhares de volts de potencial de aceleração para a produção dos raios X.

Detecção

A detecção dos raios X pode ser feita de diversas maneiras, a principal é a impressão de filmes fotográficos que permite o uso medicinal e industrial através das radiografias. Outras formas de detecção são pelo aquecimento de elementos à base de chumbo, que geram imagens termográficas, o aquecimento de lâminas de chumbo para medir sua intensidade, além de elementos que possuem gases em seu interior a exemplo da válvula Geiger-Müller utilizada para a detecção de radiação ionizante e radiação não ionizante. Podendo ainda ser difratado através de um cristal e dividido em diversos espectros de onda. Sensores (Foto transistores ou foto diodos) captam uma ou algumas faixas de espectro, e são amplificados e digitalizados, formando imagens. Esse último processo (difração de raios X, por cristais) é comumente utilizado em equipamentos de inspeção de bagagens e cargas. Embora os raios X sejam invisíveis, é possível ver a ionização das moléculas de ar, se a intensidade do feixe de raio X for elevada o suficiente. A linha de luz a partir do wiggler at the ID11 at the European Synchrotron Radiation Facility é um exemplo desse tipo de alta intensidade .

Espectro Contínuo

Desaceleração de um Electrão por um Núcleo PositivamenteCarregado.

Quando os electrões acelerados (raios catódicos) chocam o alvo de metal, eles colidem com electrões no alvo.

Em tal colisão, parte do impulso de electrão incidente é transferido para o átomo do material alvo, perdendo, assim, sua energia cinética, ΔK. Essa interação dá origem ao aquecimento do alvo.

O electrão projétil pode evitar os electrões orbitais do elemento de alvo, mas pode chegar suficientemente perto do núcleo do átomo e ficar sob sua influência. O electrão projétil que estamos a controlar, está agora além da camada-K e está bem dentro da influência do núcleo.

O electrão está agora sob a influência de duas forças, ou seja, a força de Coulomb atraente e uma força mais intensa, força nuclear. O efeito das duas forças sobre o electrão é torná-lo lento ou desacelerá-lo.

O electrão deixa a região da esfera de influência do núcleo com a energia cinética reduzida e sai fora em uma direção diferente, porque o vector velocidade foi alterado. A perda em energia cinética reaparece como um fotão de raios-X, conforme ilustrado na Figura ao lado.

Durante a desaceleração, o electrão irradia um fotão de raios-X de energia

$hv=\Delta K=K_{i}-K_{f}$

A energia perdida por electrões incidentes não é a mesma para todos os electrões e assim os fotões de raios-X emitidos não têm o mesmo comprimento de onda.

Este processo de emissão de fotão de raios-X através de desaceleração é chamado Bremsstrahlung e o espectro resultante é contínuo, mas com um comprimento de onda de corte bem definido.

O comprimento de onda mínimo, que corresponde a um electrão incidente, perde toda a sua energia em uma única colisão, irradiando-a como um único fotão.

Se K é a energia cinética do electrão incidente, então

$K=hv={\frac {hc}{\lambda {\text{min}}}}$

O comprimento de onda de corte depende unicamente da tensão de aceleração.

$hv_{\text{máx}}={\frac {hc}{\lambda {\text{min}}}}=eV$

de V é a tensão aceleradora.

Espectro de Raio-X Característico

Transições de Raio-X sem a estrutura fina.

Por causa da elevada tensão aceleradora, os electrões incidentes podem (i) excitar electrões nos átomos do alvo; (ii) ejetar electrões rigidamente ligados aos núcleos dos átomos.

A Excitação dos electrões dará origem à emissão de fotões da região óptica do espectro electromagnético. No entanto, quando electrões mais próximos do núcleo são ejectados, o preenchimento subsequente dos estados vagos dá origem a radiação emitida na região de raios-X do espectro electromagnético. Os electrões mais internos poderiam ser das camadas K-, L- ou M.

Se electrões da camada K (n = 1) são removidos, electrões idos dos estados de energia superiores a cair nos estados da camada K vagos, produzem uma série de linhas denotadas como $K_{\alpha },K_{\mathrm {B} },...$ como é mostrado na figura ao lado.

Transições para a camada L resultam na série L e aqueles para a camada M dão origem à série M e assim por diante.

Dado que electrões orbitais têm níveis de energia definidos, os fotões de raios-X emitidos também têm energias bem definidas. O espectro de emissão tem linhas nítidas características do elemento do alvo.

Após uma investigação bem apurada das linhas de raios-X das séries L, M acima, torna-se evidente que as linhas são compostas de um número de linhas mais próximas umas das outras ,desdobradas pela interação spin-órbita.

Nem todas as transições são permitidas. São permitidas apenas as transições que satisfaçam a seguinte regra de seleção:

$\Delta l=\pm 1$

A Relação de Moseley

A partir de um experimento, Henry Moseley foi capaz de mostrar que as frequências de raios-X característico aumentam regularmente com número atómico Z, satisfazendo a relação

$\nu ^{\frac {1}{2}}=A(Z-Z_{o})$

onde Z é o número atómico do material do alvo e A e $Z{_{0}}$ são constantes que dependem da transição específica que está sendo observada. O termo $(Z-Z_{o})$ é chamado a carga nuclear efetiva como visto pelos electrões, fazendo a transição para uma determinada o camada.

A frequência da linha Kα pode ser calculada aproximadamente, usando a teoria atómica de Bohr. O comprimento de onda de linhas emitidas pelos átomos hidrogenóides é dado pela fórmula de Rydberg.

${\frac {1}{\lambda }}=RZ^{2}{\Bigg (}{\frac {1}{n_{l^{2}}-n_{u^{2}}}}{\Bigg )}$ (K)

Onde $n_{u}$ e $n_{l}$ são os números quânticos principais dos estados superior e inferior da transição, Z é o número atómico de um átomo com um electrão.

Para a linha Kα a carga efetiva é $(Z-1),n_{l}=1\;n_{u}=2$

de modo que a equação (K) se torna,

$\nu _{K_{\alpha }}={\frac {c}{\lambda }}=cR(Z-1)^{2}{\Bigg (}{\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{2^{2}}}{\Bigg )}$

$\nu _{K_{\alpha }}={\frac {3cR}{4}}(Z-1)^{2}$ (Z)

O gráfico de $\nu _{K\alpha ^{\frac {1}{2}}}$ versus Z produz uma linha reta. A Equação (Z) é uma outra maneira de expressar a relação de Moseley.

Difração

Difracção de Raios-X a partir de planos atómicos

O plano de átomos num cristal, também chamado de plano de Bragg, reflete a radiação de raios-X de raio X exatamente da mesma forma que a luz é refletida de um espelho plano, conforme é ilustrado na ao lado.

Reflexão de planos sucessivos pode interferir construtivamente se a diferença de caminho entre dois raios é igual a um número inteiro de comprimentos de onda. Esta afirmação é chamada de lei de Bragg.

A partir da Figura, notamos que

$AB=2.d.\operatorname {sen} \theta$

de modo que pela lei de Bragg, temos

$2.d.\operatorname {sen} \theta =n.\lambda$

onde na prática, é normal assumir a difração da primeira ordem, de modo n = 1. Um determinado conjunto de planos atómicos dá origem a uma reflexão em um ângulo, visto como um ponto ou um anel num padrão de difração também chamado de difratograma.

Variando o ângulo teta, as condições da lei de Bragg são satisfeitas por espaçamentos diferentes d em materiais policristalino. Traçando as posições angulares e intensidades dos picos da radiação difratada, a resultante produz um padrão que é característica da amostra. Sempre que houver uma mistura de diferentes fases, o difractograma resultante é formado pela adição dos padrões individuais.

Com base no princípio da difração de raios-X, podem ser obtidas muitas informações estruturais, físicas e químicas sobre o material investigado. Uma série de técnicas de aplicação para várias classes de materiais está disponível, cada um revelando seus próprios detalhes específicos da amostra estudada.

Medicina

Na medicina os raios X são utilizados nas análises das condições dos órgãos internos, pesquisas de fraturas, tratamento de tumores, câncer (ou cancro), doenças ósseas, etc.

Com finalidades terapêuticas os raios X são utilizados com uma irradiação aproximada de cinco mil a sete mil Rads, sobre pequenas áreas do corpo, por pequeno período de tempo.

Desde a descoberta que os raios X podem identificar estruturas ósseas, foram utilizados para imagiologia médica. O primeiro uso médico era menos de um mês depois de seu artigo sobre o assunto. Até 2010, 5 bilhões de estudos de imagiologia médica foram realizados em todo o mundo .

No Brasil, os raios X do pulmão para fins diagnósticos de tuberculose pulmonar são chamados de abreugrafia, que se trata de uma incidência sobre uma pequena área do pulmão.

Exposição

A tolerância do organismo humano à exposição aos raios X é de 0,1 röntgen por dia no máximo em toda a superfície corpórea. A radiação de um röntgen produz em $1,938\times 10^{-3}$ gramas de ar a liberação por ionização de uma carga elétrica de $3,33\times 10^{-3}$C.

Efeitos somáticos da radiação

No ser humano a exposição contínua aos raios X podem causar vermelhidão da pele, queimaduras por raios X ou, em casos mais graves de exposição, mutações do DNA, morte das células e/ou leucemia.

Pesquisa de materiais

Na indústria, os raios X são utilizados no exame de fraturas de peças, condições de fundição, além de outros empregos correlatos. Nos laboratórios de análises físico-químicas os raios X têm largo espectro de utilização.

Natureza eletromagnética

Os raios X propagam-se à velocidade da luz, e, como qualquer radiação eletromagnética, estão sujeitos aos fenômenos de refração, difração, reflexão, polarização, interferência e atenuação. Sua penetrância nos materiais é relevante, pois todas as substâncias são transparentes aos raios X em maior ou menor grau.

Em algumas substâncias como compostos de cálcio e platinocianeto de bário, os raios X geram luminescência. Esta radiação ioniza os gases por onde passa. A exemplo da luz visível, não é desviado pela ação de campos elétricos ou magnéticos. Desloca-se em linha reta, sensibiliza filmes fotográficos, além de descarregar os objetos carregados eletricamente, qualquer que seja a polaridade (sendo esta uma característica não totalmente confirmada).

Interação com a matéria

Quando os raios X atingem a matéria, assim como o tecido do paciente, os fótons têm quatro possíveis destinos. Os fótons podem ser:

• Completamente espalhados sem perda de energia.
• Absorvidos com perda total de energia.
• Espalhados com alguma absorção e com perda de energia.
• Transpostos sem qualquer alteração.

Definições dos termos

• Espalhamento - mudança de direção de um fóton com ou sem perda de energia.
• Absorção - deposição de energia, ou seja, remoção de energia do feixe.
• Atenuação - redução da intensidade do feixe principal causada pela absorção e espalhamento.
• Ionização - remoção de um elétron de um átomo neutro produzindo um íon negativo (o elétron + outro átomo neutro) e um íon positivo (o átomo remanescente).

Interações dos raios X em Nível Atômico

Existem quatro principais interações em nível atômico, dependendo da energia do fóton incidente:

• Espalhamento não modificado ou coerente - espalhamento puro.
• Efeito fotoelétrico - absorção pura.
• Efeito compton - espalhamento e absorção.
• Produção par - pura absorção.

Referências

• Manual RCA de válvulas e reemplazos RC 26
• Manual RCA de válvulas e reemplazos RC 29