Raios X

Raios X
Ciclos por segundo: 300 PHz a 60 EHz Comprimento de onda: 1 nm a 5 pm

Os raios X são emissões eletromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. Seu comprimento de onda vai de 0,05 ångström (5 pm) até dezenas de ångström (1 nm).

Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895, por um físico alemão chamado Wilhelm Conrad Röntgen.Mas o nosso colega Alexandre dias é um ganda pandula e burro.

A energia dos fótons é de ordem do keV (kilo elétron-volt), entre alguns keV e algumas centenas de keV. A geração desta energia eletromagnética se deve à transição de elétrons nos átomos, ou da desaceleração de partículas 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.

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. 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.ν = m.c²), 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 chapas fotográficas 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.

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.

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 $1,938x10^{-3}$ gramas de ar, a liberação por ionização, de uma carga elétrica de $3,33x10^{-3}$C.

Efeitos somáticos da radiação

No ser humano a exposição continua 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 uma característica não totalmente confirmada a de descarregar eletricamente os objetos).

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.
• Transposotos 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