Raios-X
Discussão
introdução
Ondas eletromagnéticas
Efeito fotoelétrico reverso
História
X-rays foram descobertos em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Röntgen (também soletrado Roentgen). Ele recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física em 1901 “em reconhecimento aos extraordinários serviços que prestou pela descoberta dos notáveis raios posteriormente nomeados em seu nome”. Wurzberg Physical-Medical Society, o presidente Albert von Kolliker, cuja mão foi usada para produzir esta imagem, propôs que esta nova forma de radiação fosse chamada de “Raios de Röntgen”. Röntgen teve uma idéia diferente.
Vê-se, portanto, que algum agente é capaz de penetrar em papelão preto que é bastante opaco à luz ultravioleta, luz solar, ou arco-luz. Portanto, é interessante investigar até que ponto outros corpos podem ser penetrados pelo mesmo agente. É prontamente demonstrado que todos os corpos possuem essa mesma transparência, mas em graus muito variados. Por exemplo, o papel é muito transparente; a tela fluorescente acende-se quando colocada atrás de um livro de mil páginas; a tinta da impressora não oferece resistência marcada…. Um pedaço de folha de alumínio, de 15 mm de espessura, ainda permitiu que os raios X (como chamarei os raios, por uma questão de brevidade) passassem, mas reduziu muito a fluorescência. As placas de vidro de espessura semelhante comportam-se de forma semelhante; o vidro de chumbo é, no entanto, muito mais opaco do que o vidro isento de chumbo…. Se a mão for segurada antes da tela fluorescente, a sombra mostra os ossos escuros, com apenas contornos tênues dos tecidos circundantes.
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgen parece ter sempre capitalizado o x. Prefiro usar minúsculas, uma vez que os raios não têm propositadamente o nome de ninguém ou de nada.
Aviso: não tente isto em casa. Não tente isto em lado nenhum!
A retina do olho é bastante insensível a estes raios: o olho colocado perto do aparelho não vê nada. Está claro das experiências que isto não é devido à falta de permeabilidade por parte das estruturas do olho.
Wilhelm Röntgen, 1895
1912: Walter Friedrich e Paul Knipping diffract X-rays em zinco blende
1912: Max von Laue sugere o uso de sólidos treliçados para difundir raios-X
1913: William Bragg e Lawrence Bragg trabalham a condição de Bragg para uma forte reflexão dos raios X
1922: Arthur Compton estuda a dispersão de fótons de raios X por elétrons
Tubos de Roentgen/Gas-Filled
Os primeiros tubos de raios X foram preenchidos com ar a baixa pressão (ou um vácuo parcial, se preferir)… cátodo, ânodo e anticátodo.
 Fonte: bulbcollector.com a.k.a. kilocat |
 Fonte: foto do autor a.k.a. o autor |
Tubos de solidificação/vácuo
A maioria dos tubos de raios-x em uso hoje são “preenchidos” com um vácuo. Esta “variedade inteiramente nova” de tubos de raios X foi inventada em 1913 pelo engenheiro elétrico americano William Coolidge (1873-1975). Nesse mesmo ano Coolidge desenvolveu a técnica de fabricação de fios finos de tungstênio (um metal notoriamente não-dúctil). Quase todas as lâmpadas incandescentes fabricadas depois de 1913 contêm um filamento de tungstênio feito com o processo Coolidge. Quando acabou de trabalhar em lâmpadas, ele voltou a sua atenção para os tubos de raios X. Adivinhe? Quase todos os tubos de raios X feitos depois de 1913 contêm um filamento de tungstênio feito usando o processo usado em lâmpadas.
Num típico tubo de raios X a vácuo, os elétrons aceleraram de um cátodo aquecido em direção a um ânodo metálico por uma grande diferença de potencial. A alteração da temperatura do filamento altera a corrente de elétrons – um cátodo mais quente libera mais elétrons do que um frio. Isto determina a intensidade ou “brilho” do feixe de raios-x. Como um elétron produzirá um fóton de raio-x quando atingir o ânodo, mais elétrons voando através do tubo significa mais fótons de raio-x emitidos pelo tubo. A voltagem através do tubo determina a energia cinética dos elétrons quando eles atingem o ânodo, o que por sua vez determina a potência penetrante dos fótons de raios-X – mais energia por elétron significa mais energia por fóton de raios-X e, portanto, maior capacidade de arar através da matéria.
O cátodo é um filamento enrolado de fio (geralmente tungstênio) aquecido a cerca de 2000 °C (quente branco). Ele emite elétrons através da emissão termiônica. De certa forma, os elétrons “fervem” da superfície do metal, mas é um tipo estranho de ebulição, pois os elétrons que saem são sempre substituídos por novos. Se eu colocar uma panela de água no fogão em casa, colocá-la fervendo e depois deixar a cozinha por uma ou duas horas, quando eu voltar já há uma boa chance da panela estar vazia (e talvez até mesmo quente). Isso não acontece com elétrons em um catodo. Os que saem são sempre substituídos por novos. Se não o fizessem, acabaríamos com uma coleção de íons positivamente carregados (e eventualmente núcleos nus) que certamente voariam separados devido à sua repulsa mútua. Um tubo de raio-x é um elemento de circuito. A corrente entra numa extremidade e sai na outra e redonda e em torno do circuito.
O ânodo é um dissipador de calor de cobre relativamente maciço cuja face alvo é cortada na diagonal e revestida com algum outro metal (normalmente platina). Mais de 99% da energia cinética transmitida aos elétrons é convertida em calor no ânodo. O 1% restante é emitido como radiação de frenagem (isto é, raios X úteis). Este calor deve ser transferido ou o alvo derreteria. A solução de Coolidge foi rodar o alvo usando um pequeno motor. Isto garantiu que o ponto quente nunca permanecesse em um lugar por tempo suficiente para causar qualquer dano duradouro ao ânodo. (Alguns tubos de raios X são resfriados com água.) O alvo é cortado em uma diagonal para que os raios X emitidos voem da superfície em um ângulo diferente do dos elétrons incidentes. Um corte de 45° faz com que os raios X saiam perpendicularmente ao eixo do tubo. Todas as fotografias dos tubos de raios X desta página têm os seus alvos alinhados neste ângulo. (A foto de um tubo de raios-X dental mostrada abaixo à esquerda está um pouco distorcida, portanto a geometria não é aparente.)
 Diagrama esquemático de “uma variedade inteiramente nova” de tubos de raios-X do pedido de patente de William Coolidge de 1913. Quase todos os tubos de raios X contemporâneos são variações do tubo Coolidge. Fonte: Patente EUA &Instituto de Marcas |
 Um tubo de raio-x a vácuo do tipo utilizado em odontologia. Fonte: bulbcollector.com |
espectros característicos vs. bremsstrahlung (frenagem).
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brems (frenagem/desaceleração) + strahlung (radiação)
- Num metal frio puro (a), todos os electrões estão abaixo do nível de energia Fermi. A energia térmica permite que os elétrons formem uma nuvem espacial no vácuo (b), e a aplicação de um campo elétrico permite que os elétrons sejam coletados em um ânodo; caso contrário, é estabelecido um equilíbrio entre os elétrons dentro e fora do metal. Um fio de tungsténio é utilizado na maioria dos tubos de raios X, microscópios electrónicos e microssondas de electrões para aproveitar a alta temperatura de fusão (3680 K) e evaporação. Num tubo de raios X convencional, o fio é uma bobina de aproximadamente 1 cm por 1 mm, e a temperatura é ajustada para minimizar a evaporação dos átomos W que contaminam lentamente o alvo. A menos que seja aplicada uma tensão de aceleração, não há corrente emitida por um filamento quente devido à formação de uma carga espacial de elétrons próximos à superfície do metal. A corrente de saturação é medida usando o metal como catodo de um tubo de vácuo e coletando os elétrons em um anodo que é suficientemente positivo para dissipar a carga espacial. Num tubo de raios X convencional, obtém-se estabilidade suficiente regulando a tensão do filamento (para aquecimento) e a tensão de aceleração entre o cátodo e o ânodo.
- Existem dois (TRÊS?) mecanismos principais através dos quais os raios X são produzidos. O primeiro mecanismo envolve a desaceleração rápida de um electrão de alta velocidade quando este entra no campo eléctrico de um núcleo. Durante este processo o elétron é defletido e emite um fóton de radiação-x. Este tipo de raio-x é frequentemente referido como bremsstrahlung ou “radiação de travagem”. Para uma dada fonte de electrões, será produzido um espectro contínuo de bremsstrahlung até à energia máxima dos electrões.
X-rays são produzidos sempre que os electrões de movimento rápido são desacelerados, e não apenas em tubos de raios X. Quase todas as fontes de raios-x que ocorrem naturalmente são extraterrestres. (Não, isso não significa produzido por criaturas alienígenas do espaço exterior. Significa apenas “além da Terra”). Os raios-x são produzidos quando o vento solar está preso pelo campo magnético da Terra nas Cintas de Radiação Van Allen. Os buracos negros são fontes significativas de raios X no universo. A matéria que cai num buraco negro experimenta uma aceleração extrema causada pelo intenso campo do buraco negro. Uma única partícula isolada cairia sem liberar qualquer radiação, mas um fluxo de partículas, à medida que as partículas se chocavam umas com as outras no seu caminho pelo buraco. Cada colisão inelástica experimentada por uma partícula carregada resultaria na emissão de um fóton. Como essas colisões estão ocorrendo em grande velocidade, as energias dos fótons emitidos estão na ordem daqueles encontrados na região de raios X do espectro eletromagnético. Colisões inelásticas a energias ainda mais elevadas (superiores a um milhão de electrões-volts) gerariam raios gama.
- O segundo mecanismo pelo qual os raios X são produzidos é através de transições de electrões entre órbitas atómicas. Tais transições envolvem o movimento dos elétrons das órbitas externas para as vagas dentro das órbitas internas. Ao fazer tais transições, os elétrons emitem fótons de radiação x com energias discretas dadas pelas diferenças nos estados energéticos no início e no fim da transição. Porque tais raios-x são distintos para o elemento particular e transição, eles são chamados de raios-x característicos.
O terceiro mecanismo é através da emissão de sincrotrão.
- Previsto inicialmente em 1944 por Ivanenko e Pomeranschuk na Rússia, foi, três anos depois, acidentalmente observado num acelerador de anel fechado do tipo de um sincrotrão. Durante muito tempo foi visto como um “resíduo”, pois a radiação sincrotrônica é produzida nos aceleradores como um bremsstrahlung magnético e limita de forma indesejável a energia final necessária dos aceleradores. Apenas alguns anos depois, em 1956, a radiação sincrotrônica foi usada especificamente em investigações científicas por Tomboulian e Hartmann.
A radiação sincrotrônica é emitida por partículas carregadas viajando em um caminho curvo (como aconteceria ao se mover através de um campo magnético). Como a fonte de toda radiação eletromagnética é a aceleração da carga, a radiação sincrotrônica é um exemplo de radiação eletromagnética produzida pela aceleração centrípeta (em oposição à bremsstrahlung, que é produzida pela aceleração tangencial). O comprimento de onda desta radiação é uma função da energia das partículas carregadas e da força do campo magnético que dobra as partículas carregadas. O espectro da radiação é contínuo e é caracterizado pelo seu comprimento de onda crítico, que divide o espectro em duas partes com igual potência (metade da potência irradiada acima do comprimento de onda crítico e metade abaixo).
O comprimento de onda crítico pode ser encontrado usando a equação abaixo
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
que se reduz à seguinte equação quando as partículas carregadas são electrões
| λc = | 1.86453 |
| BE2 |
Fontes de radiação sincrotrão: anéis, onduladores, persianas, Fonte de Luz Sincrotrão Nacional não produz luz como sua forma primária de radiação eletromagnética. A maioria das pesquisas feitas nesta instalação utiliza os raios X e ultravioleta de vácuo produzidos pelo feixe de elétrons.
- Em 1945, o sincrotron foi proposto como o mais recente acelerador da física de alta energia, projetado para empurrar partículas, neste caso elétrons, para energias mais elevadas do que um ciclotron, o acelerador de partículas do dia. Um acelerador pega partículas estacionárias carregadas, como elétrons, e as impulsiona para velocidades próximas à velocidade da luz. Ao serem forçadas por ímãs a percorrer um anel de armazenamento circular, as partículas carregadas emitem tangencialmente radiação electromagnética e, consequentemente, perdem energia. Esta energia é emitida sob a forma de luz e é conhecida como radiação sincrotrônica.
A radiação sincrotrônica é um incômodo em um acelerador de partículas, pois suga a energia das partículas que estão sendo aceleradas, mas faz uma fonte ideal de radiação eletromagnética de alta energia. O feixe produzido é composto por raios quase paralelos (colimados) e é bastante intenso.
- A radiação synchrotron pode ser produzida por horas, talvez até dias se você estivesse disposto a pagar os bicos elétricos e tivesse alguma razão para trabalhar 24 horas por dia. tubos de raios X só podem operar por alguns segundos ou talvez minutos. Corra-os por muito tempo e eles vão queimar como uma lâmpada.
- A radiação Synchrotron é “organizada”: o feixe é altamente polarizado (a maioria das ondas oscila no mesmo plano) e colimado (a maioria das ondas está na mesma direção). Os tubos de raios-x produzem uma radiação “confusa” que é completamente não polarizada e pode ser focalizada apenas com grande dificuldade. Uma fonte sincrotrônica é como um “laser de raio-x”, enquanto um tubo de raio-x é como um “projector de raio-x”.
- A radiação sincrotrônica pode ser “compartilhada”. Um sincrotrão grande pode ter mais de 50 linhas de feixe e fazer centenas se não milhares de experimentos em um ano. As instalações de Synchrotron são dispendiosas de construir, mas pagam-se a si mesmas em grande volume de pesquisa.
- Wigglers ou undulators (também conhecidos como dispositivos de inserção) produzem uma radiação synchrotron que é consideravelmente mais brilhante do que a radiação de um ímã de flexão. O dispositivo faz com que os elétrons sigam um caminho sinusoidal em vez de um curvo, estabelecendo uma série de campos magnéticos que se alternam em polaridade e são perpendiculares à direção de deslocamento dos elétrons. Um perlongador aumenta o brilho da radiação produzida por um dado feixe de electrões por um factor aproximadamente igual ao dobro do número de oscilações totais que o feixe sofre. As deflexões do feixe são menores em um ondulador do que em um perlongador, e o brilho da radiação pode, em teoria, ser aumentado por um fator aproximadamente igual ao quadrado do número de oscilações, mas apenas com energias fotônicas discretas.
momento fotônico
Max Planck descobriu que os fótons têm energia.
E = hf
Albert Einstein descobriu que energia e momento estão relacionados.
E2 = p2c2 + m2c4
Photons are massless, so this equation reduces to…
E = pc
Combine Planck e Einstein (suas equações, não os próprios homens)…
hf = pc
Solve para o momento…
| p = | hf |
| c |
Recorde que…
| λ = | c |
| f |
Assim…
| p = | h |
| λ |
Se Planck e Einstein estiverem correctos, então os fotões também têm impulso. O que precisamos agora é de evidências experimentais para apoiar ou refutar isto. (Não se preocupe. Ninguém vai refutar isto.)
efeito Compton
Arthur Compton (1892-1962) Estados Unidos
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| mec | 2 |
tecnologia
sombragráficas
tomografia axial computorizada (CAT)
x-dispersão de raios
difração de raios-X
fluorescência de raios-X