Raios X
English: X-ray

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Os raios X compõem o espectro eletromagnético, com comprimentos de onda menores que a luz visível. Diferentes tipos de aplicações utilizam diferentes partes do espectro de raios X.

A radiação X (composta por raios X) é uma forma de radiação eletromagnética, de natureza semelhante à luz. A maioria dos raios X possuem comprimentos de onda entre 0,01 a 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.

A produção de raios X se deve principalmente devido à transições de elétrons nos átomos, ou da desaceleração de partículas energéticas 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 menor, sua natureza eletromagnética é idêntica à da luz.

Raios X
Ciclos por segundo: 300 PHz a 60 EHz

História

Tubo de Crookes

Tubo de raios X

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 elétrons saiam do cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou liberação de luz devido às transições eletrônicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a ampola.

O tubo de vidro é evacuado a uma pressão de ar, de cerca de 100 Pascais; lembre-se que a pressão atmosférica é 1,01*10^5 Pascais. 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.

Uma tensão alta, entre 30 a 150 kV, é aplicada entre os elétrodos; isso induz uma ionização do ar residual e, assim, um feixe de electrões do cátodo ao ânodo surge. Quando esses electrões acertam o alvo, eles são desacelerados, produzindo os raios-X.

Um Tubo de Raio-X mais Detalhado apresenta dois tipos de Raios-X.

O efeito de geração dos fotões de raios-X é geralmente chamado efeito Bremsstrahlung, uma contração do alemão "brems" para a travagem e "strahlung" para a radiação.

A energia de radiação de um tubo de raio-X consiste de energias discretas que constituem um espectro de linha e um espectro contínuo fornecendo o fundo o espectro de linha.

Os electrões incidentes podem interagir com os átomos do alvo de várias maneiras.

A partir desses experimentos, Joseph John Thomson observou que tal fenômeno é independente do gás e do metal utilizado nos eletrodos (placas metálicas).

Concluiu, então, que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento químico. Devido a essa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, atestar 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).[1]

A descoberta

Hand mit Ringen: a primeira de Wilhelm Röntgen referente a mão de sua esposa, tirada em 22 de dezembro de 1895 e apresentada ao Professor Ludwig Zehnder, do Instituto de Física da Universidade de Freiburg, em 1 de janeiro de 1896.

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.[2] 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.

O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana. Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.

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.

O físico Louis de Broglie tentou resolver este aparente conflito no comportamento dos raios X. Combinando as equações de Planck e de Einstein , chegou a conclusão de que "tudo o que é dotado de energia vibra, e há uma onda associada a qualquer coisa que tenha massa".[1]

  • O título de descobridor do raio-x é dado ao físico alemão Wihelm Röntgen(1845-1923) em 1895, apesar de não ter sido o primeiro a observar os efeitos das ondas de raio-x, ele recebe esse título pois foi o primeiro a estudar sistematicamente os raios-x. Röntgen é quem dá o nome de raio x para essas ondas eletromagnéticas que significa uma quantidade desconhecida.

Nascido de pai alemão e mãe holandesa, frequentou o ensino médio em Utrecht, na Holanda. Foi expulso do ensino médio 1865, sem diploma do ensino médio poderia frequentar a universidade como visitante, no entanto, ele conseguiu entrar no Instituto Politécnico Federal em Zurique (conhecido atualmente como ETH Zurich) como estudante de engenharia mecânica, em 1869 ele se formou com ph.D. em Zurique. Se tornou aluno preferido de um professor da universidade chamado August Kundt, que ele seguiu para a Universidade de Strassburg.

  • O físico alemão juntamente com seu pai ganha o prêmio nobel de física em 1915 pelo uso de raios x para estudar a estrutura de cristais.