Raios X
A radiação X (composta por raios X) é uma forma de radiação eletromagnética indiretamente ionizante de natureza semelhante à luz. A maioria dos raios X possuem comprimentos de onda entre 0,01 e 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.
Tubo de Crookes
Em uma ampola de vidro, William Crookes submeteu um gás à baixa pressão e 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 eletrões saiam do cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou libertação de luz devido às transições eletrónicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a ampola. O tubo de vidro é evacuado a uma pressão de ar, de cerca de 100 Pa; lembre-se que a pressão atmosférica é 1,01×105 Pa. 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.
A descoberta
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.
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.
Na medicina os raios X são utilizados nas análises das condições dos órgãos internos, pesquisas de fraturas, tratamento de tumores, cancro (ou câncer), doenças ósseas, etc. Com finalidades terapêuticas os raios X são utilizados com uma irradiação aproximada de 5000 a 7000 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 ocorreu menos de um mês depois do 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 eram chamados de abreugrafia, técnica inventada por um brasileiro[quem?] e que foi muito utilizada até o fim dos anos 1970. 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 × 10 − 3 {\displaystyle 1,938\times 10^{-3}} gramas de ar a liberação por ionização de uma carga elétrica de 3 , 33 × 10 − 3 {\displaystyle 3,33\times 10^{-3}} C.
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 3 340 °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.
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 ID11 no European Synchrotron Radiation Facility é um exemplo desse tipo de alta intensidade.
Espectro Contínuo
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 elétron 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.
Espectro característico
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 α , K β , . . . {\displaystyle K_{\alpha },K_{\beta },...} como é mostrado na figura ao lado.
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 ν 1 2 = A ( Z − Z o ) {\displaystyle \nu ^{\frac {1}{2}}=A(Z-Z_{o})} onde Z é o número atómico do material do alvo e A e Z 0 {\displaystyle Z{_{0}}} são constantes que dependem da transição específica que está sendo observada. O termo ( Z − Z o ) {\displaystyle (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.
Difração
O plano de átomos num cristal, também chamado de plano de Bragg, reflete a radiação X da mesma forma que a luz é refletida por um espelho plano. 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 B = 2. d . sen θ {\displaystyle AB=2.d.\operatorname {sen} \theta } 2. d . sen θ = n . λ {\displaystyle 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.
Quando os raios X atingem a matéria, assim como o tecido do paciente, os fótons têm quatro possíveis destinos. Os fótons podem ser:
Interações em nível atômico
Existem quatro principais interações em nível atômico, dependendo da energia do fóton incidente:
