O que é raio-X – Radiação Roentgen – Definição

Os raios X , também conhecidos como radiação X , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de altas energias. Os raios X são fótons de alta energia, com comprimentos de onda curtos e, portanto, frequência muito alta. A frequência de radiação é o parâmetro chave de todos os fótons, porque determina a energia de um fóton. Os fótons são classificados de acordo com as energias das ondas de rádio de baixa energia e radiação infravermelha, através da luz visível, aos raios X de alta energia e raios gama .

A maioria dos raios X tem um comprimento de onda variando de 0,01 a 10 nanômetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondendo a energias na faixa de 100 eV a 100 keV. Os comprimentos de onda dos raios X são mais curtos que os dos raios UV e geralmente mais longos que os dos raios gama. A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .

Como os raios X (especialmente os raios X duros) são substancialmente fótons de alta energia, são matéria muito penetrante e, portanto, são biologicamente perigosos. Os raios X podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar pelo corpo humano.

Descoberta de raios X – Wilhelm Conrad Röntgen

Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895 pelo professor de física alemão Wilhelm Conrad Röntgenna Universidade de Würtzburg, na Alemanha. Ele estudava descargas elétricas em tubos de vidro cheios de vários gases a pressões muito baixas. Nessas experiências, Röntgen havia coberto o tubo com um pouco de papel preto e escurecido a sala. Ele então descobriu que um pedaço de papel pintado com um corante fluorescente, a alguma distância do tubo, brilhava quando ele ligava a alta tensão entre os eletrodos no tubo. Ele percebeu que havia produzido uma “luz invisível” ou raio anteriormente desconhecida que estava sendo emitida pelo tubo e um raio capaz de passar pelo papel pesado que cobria o tubo. Röntgen se referiu à radiação como “X”, para indicar que era um tipo desconhecido de radiação.

Percebendo a importância de sua descoberta, Röntgen concentrou toda sua atenção no estudo dessa nova radiação que tinha a propriedade incomum de passar por papel preto. Por meio de experimentos adicionais, ele também descobriu que o novo raio passaria pela maioria das substâncias projetando sombras de objetos sólidos, como blocos de madeira, livros e até a mão dele. Ele descobriu que os raios X se propagam em linhas retas das quais eles não são desviados nem por campos elétricos nem magnéticos. A primeira imagem de raio-x era uma foto da mão de sua esposa em uma placa fotográfica formada devido a raios-x. Sua descoberta se espalhou rapidamente por todo o mundo e Wilhelm Conrad Röntgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física por sua descoberta.

Características dos raios X

Os principais recursos dos raios X são resumidos nos seguintes pontos:

• Os raios X são fótons de alta energia (cerca de 100 – 1.000 vezes mais energia que os fótons visíveis), os mesmos fótons que os fótons que formam a faixa visível do espectro eletromagnético – luz.
• Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Pode variar de cerca de 20 kV a 300 kV. A radiação com baixa voltagem é chamada de ” suave ” – e a radiação com alta voltagem é chamada de ” forte “.
• Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
• Os raios X ionizam a matéria via ionização indireta .
• Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
  • Efeito fotoelétrico
  • Efeito Compton
  • dispersão de Rayleigh
• Os raios X viajam na velocidade da luz e podem viajar centenas de metros no ar antes de gastar sua energia.
• Como os raios X duros são matéria muito penetrante, devem ser protegidos por materiais muito densos, como chumbo ou urânio.
• A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .
• Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, existem dois tipos diferentes de espectros de raios X:
  • Bremsstrahlung
  • Raios-X característicos
• Os raios X característicos frequentemente acompanham alguns tipos de decaimento nuclear, como conversão interna e captura de elétrons .

Raio X – Produção

Como os raios X são fótons de alta energia , que têm natureza eletromagnética , eles podem ser produzidos sempre que partículas carregadas (elétrons ou íons) de energia suficiente atingem um material. É semelhante ao efeito fotoelétrico , onde os fótons podem ser aniquilados quando atingem a placa de metal, cada um entregando sua energia cinética a um elétron .

Os raios X podem ser gerados por um tubo de raios X , um tubo de vácuo que utiliza alta voltagem para acelerar os elétrons liberados por um cátodo quente a uma velocidade alta. O cátodo deve ser aquecido para emitir elétrons. Os elétrons, acelerados por diferenças de potencial de dezenas de milhares de volts, são direcionados a um alvo de metal (geralmente feito de tungstênio ou outro metal pesado) em um tubo de vácuo. Quanto maior a tensão entre os eletrodos, maior será a energia que os elétrons atingirão. Ao atingir o alvo, os elétrons acelerados são interrompidos abruptamente e os raios Xe calor são gerados. A maior parte da energia é transformada em calor no ânodo (que deve ser resfriado). Apenas 1% da energia cinética dos elétrons é convertida em raios-X. Os raios X são geralmente gerados perpendicularmente ao caminho do feixe de elétrons.

Uma fonte especializada de raios-X que está sendo amplamente utilizada em pesquisas é o acelerador de partículas, que gera radiação conhecida como radiação síncrotron . Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .

Os raios X também podem ser produzidos por prótons rápidos ou outros íons positivos. A emissão de raios X induzida por prótons ou emissão de raios X induzida por partículas é amplamente utilizada como procedimento analítico.

Raios-X macios e duros

Os raios X são geralmente descritos por sua energia máxima, que é determinada pela tensão entre os eletrodos. Raios-X com altas energias de fótons (acima de 5 a 10 keV) são chamados de raios-X duros , enquanto aqueles com menor energia (e maior comprimento de onda) são chamados de raios-X suaves . Devido à sua capacidade de penetração, os raios X rígidos são amplamente utilizados para criar imagens dentro de objetos visualmente opacos. As aplicações mais vistas são na radiografia médica. Como os comprimentos de onda dos raios-X rígidos são semelhantes ao tamanho dos átomos, eles também são úteis para determinar estruturas cristalinas por cristalografia de raios-X. Por outro lado, os raios X suaves são facilmente absorvidos pelo ar. O comprimento de atenuação dos raios X de 600 eV na água é inferior a 1 micrômetro.

Espectro de Raios-X – Característico e Contínuo

Para os raios X gerados pelo tubo de raios X, a parte da energia que é transformada em radiação varia de zero até a energia máxima do elétron quando atinge o ânodo. A energia máxima do fóton de raio-X produzido é limitada pela energia do elétron incidente, que é igual à tensão no tubo vezes a carga do elétron, de modo que um tubo de 100 kV não pode criar raios-X com energia superior a 100 keV. Quando os elétrons atingem o alvo, os raios X são criados por dois processos atômicos diferentes:

• Bremsstrahlung . O bremsstrahlung é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de um elétron quando desviada por fortes campos eletromagnéticos dos núcleos alvo de alto Z (número de prótons). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia. O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos) Esses raios-X têm um espectro contínuo. A intensidade dos raios-X aumenta linearmente com a diminuição da frequência, de zero na energia dos elétrons incidentes, a tensão no tubo de raios-X. Alterar o material a partir do qual o alvo no tubo é feito não afeta o espectro dessa radiação contínua. Se passássemos de um alvo de molibdênio para um de cobre, por exemplo, todos os recursos do espectro de raios-X mudariam, exceto o comprimento de onda de corte.
• Emissão característica de raios-X. Se o elétron tiver energia suficiente, ele pode derrubar um elétron orbital da carcaça interna de um átomo de metal. Uma vez que o processo deixa uma vaga no nível de energia do elétron de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo caem em cascata para preencher os níveis atômicos mais baixos, e geralmente são emitidos um ou mais raios-X característicos . Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr.

Interação de raios-X com a matéria

Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria. A força dessas interações depende da energia dos raios X e da composição elementar do material, mas não muito das propriedades químicas, uma vez que a energia dos fótons dos raios X é muito maior que as energias químicas de ligação. A absorção fotoelétrica domina com baixas energias dos raios X, enquanto a dispersão de Compton domina com energias mais altas.

• Absorção fotoelétrica
• Efeito Compton
• dispersão de Rayleigh

Absorção fotoelétrica de raios-X

No efeito fotoelétrico, um fóton sofre uma interação com um elétron que está ligado em um átomo. Nesta interação, o fóton incidente desaparece completamente e um fotoelétron energético é ejetado pelo átomo de uma de suas conchas ligadas . A energia cinética do fotoelétron ejetado (E _e ) é igual à energia incidente do fóton (hν) menos a energia de ligação do fotoelétron em seu invólucro original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Portanto, os fotoelétrons são emitidos apenas pelo efeito fotoelétrico se o fóton atingir ou exceder um limiar de energia – a energia de ligação do elétron – a função de trabalho do material. Para raios-X muito altos com energias superiores a centenas de keV, o fotoelétron retira a maior parte da energia incidente do fóton – hν.

Em pequenos valores de energia de raios gama, o efeito fotoelétrico domina . O mecanismo também é aprimorado para materiais de alto número atômico Z. Não é simples derivar expressão analítica para a probabilidade de absorção fotoelétrica de raios gama por átomo em todas as faixas de energias de raios gama. A probabilidade de absorção fotoelétrica por unidade de massa é aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoelétrico)} = constante x Z ^N / E ^3.5

onde Z é o número atômico, o expoente n varia entre 4 e 5. E é a energia do fóton incidente. A proporcionalidade para potências mais altas do número atômico Z é a principal razão para o uso de materiais com alto teor de Z, como chumbo ou urânio empobrecido em escudos de raios gama.

Embora a probabilidade de absorção fotoelétrica do fóton diminua, em geral, com o aumento da energia do fóton, existem acentuadas descontinuidades na curva de seção transversal. Estes são chamados de “bordas de absoption”e eles correspondem às energias de ligação dos elétrons das conchas atadas dos átomos. Para fótons com a energia logo acima da borda, a energia do fóton é apenas suficiente para sofrer a interação fotoelétrica com o elétron da casca ligada, digamos K-shell. A probabilidade de tal interação está logo acima dessa borda muito maior do que a de fótons de energia ligeiramente abaixo dessa borda. Para fótons abaixo dessa borda, a interação com o elétron da casca K é energeticamente impossível e, portanto, a probabilidade cai abruptamente. Essas arestas ocorrem também em energias de ligação de elétrons de outras camadas (L, M, N … ..).

Compton Dispersão de raios-X

A fórmula de Compton foi publicada em 1923 na Physical Review. Compton explicou que o deslocamento dos raios X é causado pelo momento de partículas dos fótons . A fórmula de dispersão de Compton é a relação matemática entre a mudança no comprimento de onda e o ângulo de dispersão dos raios-X. No caso de espalhamento de Compton, o fóton de frequência  f  colide com um elétron em repouso. Após a colisão, o fóton ricocheteia o elétron, perdendo parte de sua energia inicial (dada pela fórmula E = hf de Planck). Enquanto o elétron ganha impulso (massa x velocidade), o  fóton não pode diminuir sua velocidade. Como resultado da lei de conservação do momento, o fóton deve diminuir seu momento dado por:

Portanto, a diminuição do momento do fóton deve ser traduzida em  diminuição da frequência  (aumento no comprimento de onda Δ λ = λ ‘- λ ). A mudança do comprimento de onda aumentou com o ângulo de dispersão, de acordo com  a fórmula de Compton :

onde λ  é o comprimento de onda inicial do fóton λ ‘  é o comprimento de onda após a dispersão, h  é a constante de Planck = 6,626 x 10 ^-34  Js, m _e  é a massa de repouso do elétron (0,511 MeV) c  é a velocidade da luz Θ  é a dispersão ângulo. A mudança mínima no comprimento de onda ( λ ′  –  λ ) para o fóton ocorre quando Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) e é pelo menos zero. A variação máxima no comprimento de onda ( λ ′  –  λ) para o fóton ocorre quando Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). Nesse caso, o fóton transfere para o elétron o máximo de momento possível. A mudança máxima no comprimento de onda pode ser derivada da fórmula de Compton:

A quantidade h / m _e c é conhecida como  comprimento  de onda do elétron de Compton e é igual a  2,43 × ¹⁰⁻¹² m . 

Espalhamento por Rayleigh – Espalhamento Thomson

A dispersão Rayleigh , também conhecida como Thomson, é o limite de baixa energia da dispersão Compton. A energia cinética das partículas e a frequência de fótons não mudam como resultado da dispersão. A dispersão de Rayleigh ocorre como resultado de uma interação entre um fóton e um elétron, cuja energia de ligação é significativamente maior que a do fóton recebido. Presume-se que a radiação incidente coloque o elétron em oscilação ressonante forçada, de modo que o elétron reemita radiação da mesma frequência, mas em todas as direções. Nesse caso, o campo elétrico da onda incidente (fóton) acelera a partícula carregada, fazendo com que, por sua vez, emita radiação na mesma frequência que a onda incidente e, assim, a onda é dispersa. A dispersão de Rayleigh é significativa até ± 20keV e, como a dispersão de Thomson, é elástica. A seção transversal de dispersão total se torna uma combinação das seções transversais de dispersão ligadas por Rayleigh e Compton. A dispersão de Thomson é um fenômeno importante na física do plasma e foi explicada pela primeira vez pelo físico JJ Thomson. Essa interação tem grande significado na área da cristalografia de raios-X.

Atenuação de raios X

À medida que os fótons de alta energia passam pelo material, sua energia está diminuindo. Isso é conhecido como atenuação . A teoria da atenuação também é válida para raios-X e raios gama . Acontece que os fótons de energia mais alta (raios-X duros) viajam através do tecido mais facilmente do que os fótons de baixa energia (isto é, os fótons de energia mais alta têm menor probabilidade de interagir com a matéria). Grande parte desse efeito está relacionada ao efeito fotoelétrico . A probabilidade de absorção fotoelétrica é aproximadamente proporcional a (Z / E) ³, onde Z é o número atômico do átomo de tecido e E é a energia do fóton. À medida que E aumenta, a probabilidade de interação diminui rapidamente. Para energias mais altas, a dispersão de Compton se torna dominante. A dispersão de Compton é constante para energias diferentes, embora diminua lentamente em energias mais altas.

Veja também: Atenuação de raios-X

Blindagem de raios-X

Em resumo, a blindagem eficaz dos raios X é, na maioria dos casos, baseada no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

• alta densidade de material.
• alto número atômico de material (materiais com alto Z)

No entanto, materiais de baixa densidade e materiais de baixo Z podem ser compensados ​​com espessura aumentada, o que é tão significativo quanto a densidade e o número atômico em aplicações de blindagem.

Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo de raios-X . A principal vantagem da blindagem de chumbo está na sua compacidade devido à sua maior densidade. Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo gama. Por outro lado, o  urânio empobrecido  é muito mais eficaz devido ao seu maior Z. O urânio empobrecido é usado para blindagem em fontes portáteis de raios gama.

Em  usinas nucleares, a  blindagem de um  núcleo de reator  pode ser fornecida por materiais do vaso de pressão do reator, internos do reator ( refletor de nêutrons ). Também o concreto pesado é geralmente usado para proteger os  nêutrons  e a radiação gama.

Em geral, a blindagem de raios-X é mais complexa e difícil do que a  blindagem de radiação alfa  ou  beta . Para entender de maneira abrangente como um raio X perde sua energia inicial, como pode ser atenuado e como pode ser protegido, precisamos ter um conhecimento detalhado dos mecanismos de interação.

Veja também mais teoria:  Interação de raios-X com a matéria

Veja também calculadora:  Atividade gama para taxa de dose (com / sem proteção)

Consulte também XCOM – seção transversal do fóton DB:  XCOM: banco de dados de seções transversais do fóton

 

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.