O que é interação de raios-X com matéria – 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, eles 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.

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.