Raio X
Ciclos por segundo: 300 PHz a 60 EHz
Comprimento de onda: 1 nm a 5 pm
Os raios X são emissões electromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. Seu comprimento de onda vai de 0,05 ângström (5 pm) até centenas de angströns (1 nm).
O espectro de comprimentos de onda utilizável correspondente a aproximadamente entre 1 nm a 5 picômetros. A energia dos fótons é de ordem do keV (kilo elétron-volt), entre alguns keV e algumas centenas de keV. A geração desta energia electromagnética se deve à transição de elétrons nos átomos, ou da desaceleração de partículas carregadas.
Como toda energia electromagnética de natureza ondulatória, os raios X sofrem interferência, polarização, refração, difração, reflexão, entre outros efeitos. Embora de comprimento de onda muito menor, sua natureza electromagnética é idêntica à da luz.
Tubo de Crookes
Em uma ampola, William Crookes submeteu um gás a uma pressão ambiente e a uma alta tensão. Quando os elétrons saem do cátodo, colidem com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e liberação de luz, que ilumina toda a ampola. A partir desses experimentos, J.J.Thomsom observou que esse fenômeno é independente do gás e do metal utilizado no eletrodo. Concluiu que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento. A partir dessa conclusão, Thomsom pôde, posteriormente, descobrir 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 dificuldade na época foi que não ocorreria a ninguém um método de detecção que mostrasse se de facto existiam tais radiações. Inclusive, não se tinha certeza se aqueles raios eram partículas ou ondas electromagnéticas.
A descoberta
Foi Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem descobriu e baptizou os Raios X, além de fazer a primeira radiografia da história. Isto ocorreu quando Röntgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Este dispositivo foi envolvido por uma caixa de papelão negro e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário.
Conrad Röntgen percebeu que, quando fornecia corrente eléctrica aos elétrons do tubo, este, emitia uma radiação que velava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu intercalar, entre o dispositivo e o papel fotográfico, corpos opacos à luz visível. Desta forma obteve provas de que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam, a emissão desta estranha irradiação induzida pelo raio de luz invisível, então desconhecido.
Isto indicava que a energia atravessava facilmente os objetos e se comportava como a luz visível. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen resolveu pedir para sua esposa pôr a mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.
A foto revelou a estrutura óssea interna da mão humana, com todas as suas formações ósseas. Essa foi a primeira chapa de raios X, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de Novembro de 1895. Em 1896, com a descoberta do raio X, Wilhelm descobriu que ele, sem proteção, causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento. Em casos mais graves de exposição poderia causar sérias lesões cancerígenas, morte das células e leucemia, o que o levou à morte.
A descoberta dos Raios X levaria posteriormente muitos outros cientistas a receberem o prêmio Nobel de física com pesquisas sobre o assunto.
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 o raio X seria uma partícula. No entanto, e para a surpresa da comunidade científica, Walther Friedrich e Paul Knipping realizam 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 electromagnéticas. 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 anodo 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 electrônico 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 trajectória, 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 freqüências é bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes dependem da energia inicial do feixe electrônico 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 a 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 à 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 fracturas, 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 − 3C.
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 tem largo espectro de utilização.
Natureza electromagnética
Os raios X propagam-se à velocidade da luz, e como qualquer radiação electromagnética 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 acção de campos eléctricos ou magnéticos. Desloca-se em linha reta, sensibiliza filmes fotográficos, além de descarregar os objetos carregados electricamente, qualquer que seja a polaridade (sendo uma característica não totalmente confirmada a de descarregar electricamente os objetos).
Interação com a matéria
Quando os raios X atingem a matéria, assim como o tecido do paciente, os fótons têm quatro possível 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.
Atenuação = Absorção + 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.
Raios X na cultura popular
Alguns super-heróis (o mais famoso é o Super-Homem) e outros super heróis tem a capacidade de enchergar através de objetos utilizando a Visão de raio-x. Isso, obviamente, está fisicamente errado, porque, para funcionar, deveria haver um emissor de Raios X por trás do objecto.
Fonte - Enciclopédia livre
O articulista foi a primeira pessoa em Macau um raiox para verificação de bagagens, mas teve sempre o cuidado de medir as radiações que do aparelho provinham.
Hoje em dia os aparelhos de raios x para além do uso médico é usado igualmente nos aeroportos e todos os locais de controle de pessoas e de bagagens.
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