Raios X

Interação dos raios X com a matéria

Ao atingir um determinado material, um feixe de raios X interage com a sua estrutura atômica, sofrendo atenuação. Os principais fenômenos que explicam a interação dos fótons de raios X com a matéria são o efeito fotoelétrico, o espalhamento de Compton e a produção de pares.

• Efeito fotoelétrico

  Este fenômeno ocorre quando um fóton de um feixe de raios X colide com um elétron de uma camada interna e é totalmente absorvido. Como conseqüência, o elétron é ejetado da sua órbita, deixando o átomo em estado ionizado.

  
  [Fig. 1] Efeito fotoelétrico.

  O elétron ejetado, chamado de fotoelétron, possui uma energia igual à diferença entre a energia do fóton incidente e a sua energia de ligação inicial. Após ejetado, o fotoelétron percorre uma pequena distância e é rapidamente absorvido.

  A deficiência de um elétron devido à interação fotoelétrica causa a transição de um elétron de uma camada superior para a camada do elétron ejetado. Ocorre assim a emissão de radiação característica. Esta radiação, no entanto, é geralmente absorvida pelo meio atenuante.

  Em 1921, Albert Einstein recebeu o prêmio Nobel de física por explicar o efeito fotoelétrico.

• Espalhamento de Compton

  Este fenômeno, descoberto pelo físico americano Arthur H. Compton em 1922, consiste no espalhamento de um fóton por uma partícula carregada. Ao colidir com um elétron, por exemplo, um fóton incidente causa a ejeção do elétron, cedendo parte de sua energia, e é espalhado segundo uma direção diferente. A figura 2 ilustra o espalhamento de Compton:

  
  [Fig. 2] Espalhamento de Compton

  Como possui energia menor, o fóton espalhado apresenta um comprimento de onda maior que o fóton original. A variação de comprimento de onda é função do ângulo de espalhamento q. Quanto maior o ângulo, maior a mudança de comprimento de onda. Esta relação é expressa pela fórmula de Compton:

  

  onde l_f é o comprimento de onda final, l_i é o comprimento de onda inicial, h é a constante de Planck, m_e é a massa do elétron, c é a velocidade da luz e q é o ângulo de espalhamento.

  Arthur Compton recebeu o prêmio Nobel de física em 1927 pela descoberta e explicação do espalhamento de fótons e mudança de comprimento de onda.

• Produção de pares

  A produção de pares consiste na colisão de um fóton de alta energia com um núcleo, resultando na geração de um par elétron-pósitron. A figura 3 ilustra este fenômeno:

  
  [Fig. 3] Produção de pares.

  Segundo a física quântica, a menor energia que um fóton deve possuir para a produção de um par de partículas é igual a 2m₀c², onde m₀ é a massa de repouso da partícula e c é a velocidade da luz. Para um par elétron-pósitron, este valor é igual a 1,02 MeV, uma vez que a massa de repouso do elétron vale 9,11 x 10^-31. Em energias mais altas, outros pares de partículas podem ser gerados. Um par próton-antipróton, por exemplo, é produzido em 1,88 GeV.

• Coeficiente de atenuação

  Cada um dos efeitos citados acima contribui na atenuação da intensidade de um feixe de raios X. Cada fenômeno pode ser caracterizado por um coeficiente de atenuação, função da energia do feixe de raios X e do número atômico do material. A soma dos coeficientes de atenuação por absorção, espalhamento e produção de pares resulta no coeficiente de atenuação total do material.

  A figura 4 apresenta as curvas dos coeficientes de atenuação do chumbo em função da energia. A curva em preto representa o coeficiente de atenuação total.

  
  [Fig. 4] Coeficientes de atenuação do chumbo.

  A curva em azul representa o coeficiente de atenuação por efeito fotoelétrico. Este coeficiente é diretamente proporcional ao quociente Z³/E³, onde Z é o número atômico do material e E é a energia do feixe de raios X. As descontinuidades desta curva correspondem às energias de ligação das diferentes camadas de elétrons do chumbo. Para uma energia maior que a energia de ligação de uma determinada camada, torna-se possível a ejeção de um elétron por efeito fotoelétrico, resultando em um aumento do coeficiente de absorção.

  A curva em vermelho da figura 4 representa a variação do coeficiente de espalhamento em função da energia. Esta curva, inversamente proporcional à energia, decresce mais devagar que o coeficiente de absorção fotoelétrica.

  Por último, a curva em verde representa o coeficiente de atenuação por produção de pares. Como exposto anteriormente, este fenômeno surge a partir de 1,02 MeV. O coeficiente de atenuação por produção de pares, ao contrário da absorção fotoelétrica e do espalhamento, cresce com a energia, sendo diretamente proporcional à energia dos fótons.

  Como conseqüência da variação de cada coeficiente de atenuação, cada fenômeno predomina em uma determinada faixa de energia: a absorção fotoelétrica prodomina em baixas energias; para energias intermediárias, a atenuação por espalhamento é a principal componente do coeficiente de atenuação; para altas energias, observa-se a predominância do efeito de produção de pares.