Raios X

Os raios X foram descobertos pelo alemão Wilhelm Conrad Röntgen no dia 8 de novembro de 1895. Estudando raios catódicos, Röntgen notou a fluorescência de uma placa próxima a um tubo de descarga. Por desconhecer a natureza da radiação proveniente do tubo, Röntgen denominou os raios emitidos de raios X.

[Fig 1] Wilhelm Conrad Röntgen.

Röntgen observou também que diversos objetos posicionados entre o tubo e a placa eram transparentes aos raios X. Na semana seguinte, Röntgen realizou uma radiografia da mão de sua esposa, a primeira radiografia do corpo humano da história. Wilhelm Röntgen recebeu o prêmio Nobel de física de 1901 por sua descoberta.

[Fig. 2] Radiografia da mão da sra Röntgen.

Assim como a luz visível, os raios X são ondas eletromagnéticas. No entanto, enquanto a luz apresenta comprimentos de onda entre 400 e 750 nm, os raios X situam-se na faixa do espectro eletromagnético que vai de 1 pm a 10 nm. De maneira equivalente, a luz visível situa-se na faixa de 4 a 7,5 x 10¹² Hz, ao passo que os raios X apresentam freqüências acima de 3x10¹⁶ Hz. Como conseqüência, os raios X são radiações eletromagnéticas de alta energia, capazes de atravessar o corpo humano e diversos tipos de materiais.

A relação entre a freqüência e a energia de uma onda eletromagnética é dada pela fórmula de Planck:

onde E é a energia [J], h é a constante de Planck (6,626 x 10^-34 m²kg/s) e n é a freqüência da onda [Hz]. A energia de raios X é geralmente expressa em eV. Um eV corresponde à energia que um elétron adquire ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 V. A fórmula de Planck para valores de energia em eV é dada abaixo:

Geração de raios X

A forma mais comum de geração de raios X consiste em acelerar um feixe de elétrons contra um alvo metalico. A figura a seguir apresenta o dispositivo que realiza esta função, denominado fonte ou tubo de raios X.

[Fig. 3] Fonte de raios X.

Em um tubo de raios X, um filamento é aquecido pela circulação de uma corrente, produzindo um feixe de elétrons por emissão termoiônica. Este feixe é então acelerado em direção a um elemento metálico, graças à aplicação de uma diferença de potencial entre o filamento e o metal.

O filamento de uma fonte de raios X, chamado de catodo, é geralmente constituído de tungstênio. O alvo metálico, chamado de anodo, pode ser de tungstênio, molibdênio, ferro, cobre, etc.

Ao atingir o anodo, o feixe de elétrons é freado pela estrutura atômica do elemento metálico. Se a energia dos elétrons é suficientemente alta, esta desaceleração provoca a emissão de radiação na faixa dos raios X, denominada radiação de freamento. A radiação de freamento é também conhecida como bremsstrahlung, do alemão Bremse (freio) + Strahlung (radiação). A figura abaixo ilustra o espectro típico da radiação de freamento:

[Fig. 4] Espectro típico da radiação de freamento.

A colisão de um feixe acelerado com o alvo metálico também pode resultar na emissão de raios X característicos. Este fenômeno ocorre quando os elétrons do feixe ejetam elétrons das camadas internas do elemento que constitui o anodo. As vacâncias deixadas pelos elétrons ejetados são preenchidas por elétrons de camadas superiores. Como conseqüência, picos característicos de raios X são emitidos, com energia igual à diferença de energia entre as órbitas superiores e a orbita inferior.

Cada linha característica possui um nome de acordo com a transição que lhe deu origem. Assim, a transição de elétrons da camada L para a camada K dá origem a picos característicos K_a. Transições da camada M para a camada K provocam linhas características K_b. Analogamente, transições para a camada L geram picos característicos L_a, L_b, etc. A figura 5 apresenta um exemplo de espectro com raios X característicos K_a e K_b:

[Fig. 5] Radiação de freamento com linhas característicos.

Os principais parâmetros que devem ser observados na geração de raios X são a corrente de filamento e a diferença de potencial entre o catodo e o anodo. Quanto maior a corrente circulando pelo filamento, maior o número de elétrons emitidos e maior a intensidade da radiação de freamento emitida. No entanto, o formato do espectro da radiação nao se altera (figura 6).

[Fig. 6] Efeito do aumento da corrente de filamento.

Por outro lado, um aumento da tensão catodo-anodo causa uma mudança no formato do espectro da radiação emitida. Quanto maior a diferença de potencial, maior a energia dos elétrons acelerados. Isto resulta na geração de um numero maior de fótons, em um aumento do número de linhas características e em um aumento das energias máxima e média da radiação produzida.

[Fig. 7] Efeito do aumento da tensão catodo-anodo.