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Raio X

Os exames de raios X são usados para diagnosticar fraturas e doenças, mas também podem ser aplicados a materiais. Eles são usados no tratamento de câncer e no estudo das estruturas de cristais.

Raio X

Os raios X são ondas eletromagnéticas de alta freqüência produzidas em tubos de vácuo, nos quais um feixe de elétrons é submetido a uma rápida desaceleração ao colidir contra um alvo metálico. Os raios X foram descobertos acidentalmente em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Roentgen, enquanto estudava um fenômeno de luminescência. Roentgen usou a denominação raios X por não conhecer a natureza das radiações que havia descoberto. Hoje, sabe-se que os raios X são uma radiação eletromagnética com comprimentos de onda entre 0,001 e 10 nanômetros, consideravelmente menor, portanto que o comprimento de onda da luz - que mede cerca de 500 nanômetros.

Animação do Processo de Raio X

A produção de raios X

Quando uma partícula se move no vácuo, com ausência de força, sua energia se conserva. Se, porém, ela se choca com um obstáculo, ou é freada, parte de sua energia se transforma em radiações eletromagnéticas, mais precisamente em um fóton de radiação. O comprimento de onda da radiação emitida depende da quantidade de energia perdida pela partícula. Quanto maior essa energia, maior a freqüência da radiação emitida (e menor, portanto, seu comprimento de onda). Um elétron livre, movendo-se no espaço, ao ser acelerado por um canhão eletrônico ou outro tipo de acelerador, pode assumir qualquer valor de energia cinética. Inversamente, pode perder uma quantidade de energia ao sofrer um frenamento. Por isso, pode emitir raios X dotados de qualquer valor de freqüência. Freiando diversos elétrons, todos dotados de energias diferentes (o que se consegue muito simplesmente mediante o choque com um sólido), obtém-se uma radiação X que contêm todos os comprimentos de onda. Ela é denominada radiação contínua.

Radiação Contínua

Pode-se imaginar que os elétrons de um átomo giraram em torno do núcleo em diversas órbitas circulares. Os elétrons cujas órbitas estão mais próximas ao núcleo são ligados mais fortemente a ele. Retirando um desses elétrons, o átomo fica instável e, rapidamente, outro elétron, que anteriormente estava livre ou situado em uma órbita mais externa, toma seu lugar. Nesse processo libera-se energia, que é emitida pelo átomo sob forma de radiação X. A freqüência dessa radiação depende da estrutura atômica e da posição de onde provinha o elétron livre ou ligado que efetuou a troca.

Raio X

Átomos iguais emitem raios X de mesmo comprimento de onda quando o elétron próximo ao núcleo é extraído. As radiações emitidas possuem comprimentos de onda bem definidos, e não em toda a faixa, como é o caso da radiação de frenamento. Observa-se então que o espectro de emissão da radiação característica dos átomos é composto de diversas radiações distintas, de comprimentos de onda bem definidos, em contraposição ao espectro de radiação de frenamento, que é um espectro contínuo.

Raio X

Raio X

O tubo de raios X

A figura acima mostra a estrutura de um tubo de raios X e a blindagem dentro da qual é montado. O feixe de elétrons é produzido pelo aquecimento de um filamento por meio da passagem de uma corrente elétrica, filamento esse colocado no cátodo (eletrodo negativo). Acelerados por um campo elétrico em direção ao ânodo (eletrodo positivo), os elétrons vão se chocar contra um alvo de tungstênio (inserido no ânodo, que é de cobre). No choque, cerca de 1% do feixe de elétrons transforma-se em radiação X, que escapa do tubo através de uma janela. Os 99% restantes convertem-se em calor, motivo que explica o sistema de resfriamento a água de que é dotado o cátodo.

A intensidade da radiação X depende da intensidade da corrente que passa pelo filamento, enquanto o comprimento de onda é inversamente proporcional à diferença de potencial existente entre cátodo e ânodo. Esta característica é importante, uma vez que quanto menor é o comprimento de onda, maior é o poder de penetração dos raios X.

Raio X

Aplicações dos raios X

Os raios X têm a propriedade de atravessar, com certa facilidade, os materiais de baixa densidade, como a carne de uma pessoa, e de ser mais absorvidos por materiais de densidade mais elevada, como os ossos do corpo humano, que contém cálcio (material de alta densidade).
Em virtude desta propriedade, logo após a sua descoberta os raios X passaram a ser amplamente usados para se obter radiografias. Somente os raios que ultrapassam o corpo alcançam a chapa fotográfica e a impressionam. Obtém-se, desse modo, uma imagem na qual as "sombras" correspondem aos ossos.

Raio X

Os raios X têm grande uso na vida moderna. Além do seu emprego nas radiografias, seu poder de penetração é muito útil também na verificação da qualidade e localização de defeitos estruturais em peças e materiais. Os inspetores de alfândega usam os raios X para examinar embrulhos. Os objetos densos, contidos no embrulho, absorverão mais raios X que os objetos menos densos; o que permite localizar armas ou objetos metálicos. Os raios X são usados ainda no tratamento do câncer, tomografia computadorizada, no estudo da estrutura cristalina da matéria, inclusive a do DNA, na industria e em quase todos os campos da ciência e da tecnologia. Algumas fontes extremamente quentes, tais como algumas estrelas, podem emitir raios X naturalmente, aqueles que alcançam a Terra geralmente são absorvidos pela atmosfera.

Como podemos detectar os raios X?

Os raios X são invisíveis mas podemos detectá-los de três maneiras: Primeiro, eles ionizam o ar e outros gases; por conseguinte, podemos usar um detetor. Segundo, enegrecem os filmes fotográficos, do mesmo modo que a luz. Terceiro, eles fazem alguns materiais fluorescer, isto é, emitir luz.

Fonte: br.geocities.com

Raio X

Os raios X são emissões eletromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. Seu comprimento de onda vai de 0,05 ângström até centenas de angströns.

O espectro de comprimentos de onda utilizável correspondente a aproximadamente entre 5 picômetros e 1,0 nanômetro. 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 maior, sua natureza eletromagnética é idêntica à da luz.

Uma radiografia feita por Röntgen
Uma radiografia feita por Röntgen

História

A busca

O escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), no século XIX, previu a existência e a natureza das ondas eletromagnéticas, que incluem até a luz visível.

Em 1887, o alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), produziu as primeiras ondas eletromagnéticas artificiais (ondas de rádio), usando conselhos de Hermann von Helmholtz (1821-1894). Entre outras coisas, Helmholtz sugeriu que uma radiação eletromagnética de alta freqüência deveria interagir fracamente com a matéria, à semelhança das ondas sonoras num instrumento de cordas. Sugeriu também que estas ondas poderiam ser muito penetrantes.

Helmholtz chegou a indicar o instrumento adequado para produzir essas ondas penetrantes: a ampola de Crookes, chamada na época de tubo de Crookes, onde eram gerados os misteriosos raios catódicos.

Muitos cientistas na Europa começaram a procurar esse tipo de radiação. Entre eles, o maior especialista em raios catódicos da Alemanha, Philipp Lenard (1862-1947).

A dificuldade na época, é que não ocorreria a ninguém um método de detecção que mostrasse se de fato existiam tais radiações.

A descoberta

Foi Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem descobriu e batizou 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 elétrica 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, foi a primeira chapa de raios X, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895.

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 oco e confeccionado em tungstênio. A razão deste tipo de construção é a geração de calor pelo processo de criação dos raios X.

Para não fundir, o dispositivo necessita de resfriamento através da circulação de óleo.

Ao ser 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 se dá o nome de Bremsstrahlung, que significa radiação de freio.

As formas de colisão do feixe eletrônico no alvo se dão em diferentes níveis energéticos devido às variações das colisões ocorridas. Como existem várias formas possíveis de colisão devida 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 freqüências é bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes dependem da energia inicial do feixe eletrônico incidente.

Este é o motivo pelo qual 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 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.

Usos

Medicina

Na medicina os raios X são utilizados nas análises das condições dos órgãos internos, pesquisas de fraturas, tratamento de tumores, câncer, doenças ósseas, etc.

Com finalidades terapêuticas os raios X são utilizados com uma irradiação aproximada de cinco mil röntgens, sobre pequenas áreas do corpo, por pequeno espaço de tempo.

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.

No ser humano a exposição demorada aos raios X poderá causar vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento. Em casos mais graves de exposição poderá causar sérias lesões cancerígenas, morte das células e 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 eletromagnética

Os raios X se propagam à velocidade da luz, 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 desviada pela ação de campos elétricos ou magnéticos. Se desloca em linha reta, vela chapas fotográficas, além de descarregar os objetos carregados eletricamente, qualquer que seja a polaridade.

Referências Bibliográficas

1. 1,0 1,1 Martins, Roberto de Andrade. O Nascimento de uma Nova Física. Scientific American: . N°13, p.11.

Principios de Radiologia Odontológica; Eric Whaites; 3º edição; ArtMed; 2002.

Fonte: pt.wikipedia.org

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