X-rays são tipos de radiação eletromagnética provavelmente mais conhecidos por sua capacidade de ver através da pele de uma pessoa e revelar imagens dos ossos abaixo dela. Os avanços na tecnologia têm levado a raios X mais poderosos e focados, bem como a aplicações cada vez maiores destas ondas de luz, desde a imagem de células biológicas adolescentes e componentes estruturais de materiais como cimento até à morte de células cancerígenas.

As radiografias são classificadas em radiografias suaves e radiografias duras. Os raios X moles têm comprimentos de onda relativamente curtos de cerca de 10 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro), e por isso caem na faixa do espectro eletromagnético (EM) entre a luz ultravioleta (UV) e os raios gama. Os raios X duros têm comprimentos de onda de cerca de 100 picómetros (um picómetro é um bilionésimo de um metro). Estas ondas eletromagnéticas ocupam a mesma região do espectro EM que os raios gama. A única diferença entre elas é a sua fonte: Os raios X são produzidos por elétrons acelerados, enquanto os raios gama são produzidos por núcleos atômicos em uma de quatro reações nucleares.

História dos raios X

X-rays foram descobertos em 1895 por Wilhelm Conrad Röentgen, professor da Universidade de Würzburg na Alemanha. De acordo com a “História da Radiografia” do Nondestructive Resource Center, Röentgen notou cristais perto de um tubo de raios catódicos de alta voltagem exibindo um brilho fluorescente, mesmo quando ele os protegia com papel escuro. Alguma forma de energia estava sendo produzida pelo tubo que estava penetrando no papel e fazendo com que os cristais brilhassem. Röentgen chamou a energia desconhecida de “radiação X”. As experiências mostraram que esta radiação podia penetrar nos tecidos moles, mas não nos ossos, e produziria imagens de sombra em placas fotográficas.

Por esta descoberta, Röentgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física, em 1901.

Fontes de raios X e efeitos

Os raios X podem ser produzidos na Terra enviando um feixe de alta energia de elétrons esmagando um átomo como cobre ou gálio, de acordo com Kelly Gaffney, diretora da Fonte de Luzes de Radiação Sincrotrônica de Stanford. Quando o feixe atinge o átomo, os elétrons da concha interna, chamados de s-shell, são sacudidos e, às vezes, lançados para fora de sua órbita. Sem esse elétron, ou elétrons, o átomo se torna instável, e assim para o átomo “relaxar” ou voltar ao equilíbrio, disse Gaffney, um elétron na chamada concha 1p cai para preencher a lacuna. O resultado? Um raio-x é liberado.

“O problema com isso é que a fluorescência vai em todas as direções”, disse Gaffney à Live Science. “Eles não são direcionais e não focalizáveis”. Não é uma maneira muito fácil de fazer uma fonte de raios X de alta energia e brilho”.

Entrar um sincrotron, um tipo de acelerador de partículas que acelera partículas carregadas como elétrons dentro de um caminho fechado e circular. A física básica sugere que sempre que você acelera uma partícula carregada, ela emite luz. O tipo de luz depende da energia dos elétrons (ou outras partículas carregadas) e do campo magnético que as empurra ao redor do círculo, disse Gaffney.

Desde que os elétrons sincrotrônicos são empurrados para perto da velocidade da luz, eles emitem enormes quantidades de energia, particularmente energia de raios X. E não apenas qualquer raio X, mas um feixe muito poderoso de luz de raio X focada.

A radiação sincrotrônica foi vista pela primeira vez na General Electric nos Estados Unidos em 1947, de acordo com o European Synchrotron Radiation Facility. Esta radiação era considerada um incômodo porque causava a perda de energia das partículas, mas mais tarde foi reconhecida nos anos 60 como luz com propriedades excepcionais que superaram as deficiências dos tubos de raios X. Uma característica interessante da radiação sincrotrônica é que ela é polarizada, ou seja, os campos elétricos e magnéticos dos fótons oscilam todos na mesma direção, que pode ser linear ou circular.

“Porque os elétrons são relativistas , quando eles emitem luz, ela acaba sendo focalizada na direção dianteira”, disse Gaffney. “Isto significa que você não obtém apenas a cor certa dos raios X de luz e não apenas muitos deles porque você tem muitos elétrons armazenados, eles também são emitidos preferencialmente na direção dianteira”

Imagem de raios X

Devido à sua capacidade de penetrar certos materiais, os raios X são usados para várias aplicações de avaliação e testes não destrutivos, particularmente para identificar falhas ou rachaduras em componentes estruturais. De acordo com o NDT Resource Center, “A radiação é direcionada através de uma peça e sobre um filme ou outro detector”. O shadowgraph resultante mostra as características internas” e se a peça é sonora. Esta é a mesma técnica usada em consultórios médicos e dentistas para criar imagens de raios X de ossos e dentes, respectivamente.

X-rays também são essenciais para inspeções de segurança de transporte de carga, bagagem e passageiros. Os detectores eletrônicos de imagem permitem a visualização em tempo real do conteúdo de embalagens e outros itens de passageiros.

O uso original das radiografias foi para imagens de ossos, que eram facilmente distinguíveis dos tecidos moles no filme que estava disponível naquele momento. Contudo, sistemas de focalização mais precisos e métodos de detecção mais sensíveis, tais como filmes fotográficos melhorados e sensores de imagem electrónicos, tornaram possível distinguir cada vez mais detalhes finos e diferenças subtis na densidade dos tecidos, utilizando níveis de exposição muito mais baixos.

Adicionalmente, a tomografia computorizada (TC) combina múltiplas imagens de raios X num modelo 3D de uma região de interesse.

Similiar à TC, a tomografia sincrotrônica pode revelar imagens tridimensionais de estruturas interiores de objetos como componentes de engenharia, de acordo com o Centro Helmholtz para Materiais e Energia.

Terapia de raios-X

A terapia de radiação usa radiação de alta energia para matar células cancerígenas, danificando seu DNA. Como o tratamento também pode danificar células normais, o Instituto Nacional do Câncer recomenda que o tratamento seja cuidadosamente planejado para minimizar os efeitos colaterais.

Segundo a Agência de Proteção Ambiental dos EUA, a chamada radiação ionizante de raios X zaps uma área focada com energia suficiente para tirar completamente os elétrons dos átomos e moléculas, alterando assim as suas propriedades. Em doses suficientes, isso pode danificar ou destruir células. Embora estes danos celulares possam causar câncer, também podem ser usados para combatê-lo. Ao dirigir os raios X a tumores cancerosos, pode demolir essas células anormais.

Astronomia de raios X

De acordo com Robert Patterson, professor de astronomia da Universidade Estadual do Missouri, fontes celestiais de raios X incluem sistemas binários próximos contendo buracos negros ou estrelas de nêutrons. Nestes sistemas, o remanescente estelar mais maciço e compacto pode tirar material da sua estrela companheira para formar um disco de gás emissor de raios-X extremamente quente à medida que ele entra em espiral. Além disso, os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias espirais podem emitir raios X à medida que absorvem estrelas e nuvens de gás que caem dentro do seu alcance gravitacional.

Telescópios de raios X usam reflexos de baixo ângulo para focar estes fotões de alta energia (luz) que de outra forma passariam através de espelhos telescópicos normais. Como a atmosfera terrestre bloqueia a maioria dos raios X, as observações são tipicamente conduzidas usando balões de alta altitude ou telescópios orbitantes.

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