O que é raio X – Produção – Tubo de raio X – 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.

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 usa 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 um 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.