Introdução
Os raios X são pacotes de energia na forma de ondas electromagnéticas (radiação electromagnética), como a luz visível, as ondas de rádio, os raios gama, as micro-ondas, entre outras. A energia dos raios X pode ser medida em elétron-volt (eV). A diferença entre as várias ondas electromagnéticas está no seu comprimento de onda (λ) e na sua frequência (f), cujo produto é igual à velocidade da onda.
A velocidade (v) de toda onda electromagnética é igual a velocidade da luz (c = 3 x 108 m/s). O comprimento de onda (λ) e a frequência (f) são normalmente dados em metros (m) e hertz (Hz), respectivamente. Assim, quando o comprimento de uma onda electromagnética é conhecido, pode-se calcular sua frequência, e vice-versa. Quanto maior for o comprimento de onda, menor será frequência da onda.
Entretanto, este trabalho aborda um tema que diz respeito à raios x, onde no seio do mesmo falaremos da sua produção, propriedades, aplicações, lei de Moseley, raios gama e outros que veremos os seus pormenores ao longo do trabalho.
Raios X
Origem
Na tarde de 8 de novembro de 1895 foi descoberto os raios X. Após o trabalho, o físico Wilhelm Conrad Rontgen (1845-1923), reitor da Universidade Wurzburg, na Alemanha, resolveu continuar alguns experimentos que fazia no laboratório de sua casa. Ele estava com sorte. Antes de cair a noite, um acaso o ajudaria a descobrir os raios X. Foi naquela tarde que o homem ganhou a incrível capacidade ver o invisível.
Como muitos físicos da época. Rontgen pesquisava o tubo de raios catódicos inventado pelo inglês William Crookes (1832-1919) anos antes. Era um tipo de vidro, dentro do qual um condutor metálico aquecido emitia elétrons, então chamados raios catódicos, em direção a outro condutor. Quando Rontgen ligou o tubo naquele dia, algo muito estranho aconteceu: perto do tubo, uma placa de um material fluorescente chamado platino cianeto de bario brilhou. Ele desligou o tubo e o brilho sumiu. Ligou de novo e lá estava ele. O brilho persistiu mesmo quando Rontgen colocou um livro e uma folha de alumínio entre o tubo e a placa. Alguma coisa saia do tubo, atravessava barreiras e atingia o platino cianeto.
Por seis semanas, o físico ficou enfurnado no laboratório, tentando entender o que era aquilo. No dia 22 de dezembro, fez a radiação atravessar por 15 minutos a mão da mulher, Bertha, atingindo do outro lado uma chapa fotográfica. Revelada a chapa, viam-se nela as sombras dos ossos de Bertha, na primeira radiografia da história. Fascinado, mas ainda confuso, Rontgen decidiu chamar os raios de "X" - símbolo usado em ciência para designar o desconhecido.
Passados l00 anos, não só o raio X deixou de ser obscuro como ajudou a clarear muita coisa para o olho e para a mente humana, sem ele não conheceríamos a estrutura das moléculas e não poderíamos ver as explosões que incendeiam o Sol. Também não teríamos informações importantes e curiosas sobre coisas tão diversas quanto o método de trabalho do pintor Van Gogh ou acredite - o torcicolo de múmias egípcias.
Produção de Raios X
Raios X podem ser produzidos quando electrões são acelerados em direcção a um alvo metálico. O choque do feixe electrões com o ânodo (alvo) produz dois tipos de raios X. Um deles constitui o espectro contínuo, ou bremsstrahlung em alemão, e resulta da desaceleração do electrão durante a penetração no ânodo. O outro tipo é o raio X característico do material do ânodo. Assim, cada espectro de raios X é a superposição de um espectro contínuo e de uma série de linhas espectrais características do ânodo.
O espectro contínuo é uma curva de contagens por segundo, versus comprimento de onda do raio X. Um fóton de radiação, com frequência f, transporta uma energia hf=hc/l, onde l é o comprimento de onda da radiação. Portanto, o raio X emitido deverá ter energia máxima igual à energia do electrão incidente. Assim, o espectro contínuo é limitado por este valor. Na Fig. RX1 detém-se vários espectros contínuos em função do potencial acelerador. Essas curvas foram obtidas com um alvo de tungsténio. É fácil compreender, a partir das relações E=hf=hc/l, que o comprimento de onda (ou a frequência) inferior (ou superior) deve diminuir (ou aumentar) com o potencial acelerador. Mostre que o comprimento de onda mínimo é dado por
lmin=1.24 x 104/V Å,
onde V é o potencial acelerador.
Substituindo-se o alvo de tungsténio (Z=74) por um de molibdénio (Z=42), e mantendo-se as outras condições experimentais constantes.
As principais propriedades dos raios X:
São radiação electromagnética - não têm carga, não podendo ser defletidos por campos elétricos ou magnéticos:
• No vácuo, propagam-se com a velocidade da luz;
• Propagam-se em linha reta;
• Propagam-se em todas as direções;
• Provocam luminescência em determinados materiais metálicos;
• Enegrecem o filme fotográfico;
• São mais penetrantes quando têm energia mais alta, comprimento de onda curto e frequência alta;
• Tornam-se mais penetrantes ao passarem por materiais absorvedores;
• Quanto maior for a voltagem do tubo gerador do raios X, melhor eles atravessam um corpo;
• Produzem radiação espalhada ao atravessarem um corpo;
• Obedecem a lei do inverso do quadrado da distância (= 1/d2), ou seja, sua intensidade é reduzida dessa forma;
• Podem provocar mudanças biológicas, benignas ou malignas, ao interagir com um corpo.
Aplicações dos Raios-X
Através de raio X pode-se determinar as coordenadas de cada átomo existente numa determinada proteína. Depois, um programa de computador transforma a sequência de átomos em imagens, permitindo ver a estrutura da proteína e medir propriedades importantes da proteína.
Por exemplo, pode-se estudar como é que uma enzima é capaz de catalisar um determinado substrato e não outro; pode-se perceber como é que um medicamento funciona e outro não. Esta é uma das áreas de estudo da Biologia Molecular.
Devido ao seu poder penetrante, que depende das substâncias onde incidem, são utilizados para examinar, por exemplo, ossos e dentes.
Os funcionários da segurança dos aeroportos usam os raios X para examinar as bagagens dos passageiros (os objectos metálicos são mais opacos aos raios X, sendo por isso vistos por contraste).
Na indústria metalúrgica (na detecção de minúsculos defeitos, fissuras ou inclusões de materiaisnas soldaduras metálicas) e nas instituições e empresas que estudam a idade e técnicas, utilizadas nas pinturas antigas e investigam se certas obras são falsas.
Lei de Moseley
A Lei de Moseley é uma lei empírica obtida pela relação entre a emissão de raios-X característicos dos átomos. É importante historicamente na justificação quantitativa na concepção do modelo nuclear para o átomo, em que toda a carga positiva está contida no núcleo do átomo, e é associada ao seu número atómico. Na época de Moseley, o número atómico era apenas a posição do elemento na tabela periódica, sem significado físico.
A lei de Moseley na forma escrita por Bohr, estabeleceu o número atómico como uma grandeza que pode ser medida experimentalmente e que fornece o número de protões contido no núcleo atómico. Como consequência directa do trabalho de Moseley com raios-X, os elementos puderam ser correctamente organizados na tabela periódica em ordem crescente de número atómico, ao invés da massa atómica (como consequência tivemos a inversão na posição do níquel (Z=28, 58.7 u) e cobalto (Z=27, 58.9 u).
Por sua vez, foi capaz de fornecer resultados quantitativos das linhas espectrais, em conformidade com o modelo semi-quântico de Bohr/Rutherford, em que assumia que toda a carga eléctrica positiva se concentrava no núcleo atómico, e que as linhas espectrais eram resultantes das diferenças de energia entre os níveis de energia que é permitido o electrão ocupar em torno do núcleo. O fato do modelo de Bohr das energias no átomo poder explicar as linhas espectrais de raios-X do alumínio até o ouro na tabela periódica, e que existia uma dependência do número atómico, foi um factor muito forte para a aceitação científica desse modelo da estrutura atómica.
Raios alfa (α)
A radiação alfa possui carga positiva, ela é constituída por 2 prótons e 2 nêutrons, as partículas alfa são facilmente barradas por uma folha de papel alumínio, apesar de serem bastante energéticas. A radiação alfa possui massa e carga elétrica relativamente maior que as demais radiações.
Raios beta (β)
A radiação beta possui carga negativa, se assemelha aos elétrons. As partículas beta são mais penetrantes e menos energéticas que as partículas alfa, conseguem atravessar o papel alumínio, mas são barradas por madeira. É válido lembrar que apenas os raios alfa e beta possuem carga positiva e negativa respectivamente, e os raios gama que veremos a seguir são ausentes de carga elétrica.
Raios gama (γ)
Processos nucleares ou radioactivos são aqueles oriundos do núcleo atómico, ou directamente pela emissão de partículas (massa), ou através de uma modificação de sua estrutura interna (energia). A radiação gama, também denominada de raios gama, é um tipo de radiação de natureza electromagnética (pode se propagar no vácuo, pois, assim como a luz, não necessita de um meio material para propagação). É representada na forma 0γ0.
Ondas mecânicas: Necessitam de um meio material para propagação. Exemplo: o som.
Ondas electromagnéticas: Não necessitam de um meio material para propagação. Exemplo: a luz.
A radiação Alfa é barrada facilmente por uma folha de papel; a beta, por uma chapa de alumínio, e a gama, por uma chapa grossa de chumbo.
A radiação gama geralmente é produzida por elementos químicos radioactivos, como o urânio ou o polónio. Apresentam comprimentos de onda muito baixos, da ordem de picnómetros, o que aumenta o seu poder de penetração. Devido a sua alta taxa de energia, apresenta um efeito ionizante, podendo causar danos irreparáveis ao núcleo celular, sendo muitas vezes empregadas na esterilização de equipamentos médicos e hospitalares, assim como em determinados alimentos.
Sua produção está sempre associada às radiações alfa ou beta. Ocorre que após a emissão desse tipo de radiação, muitas vezes o núcleo atómico sofre um processo de reorganização, isto é, de passagem de um estado excitado para outro de menor energia, dando origem à emissões electromagnéticas. Dessa forma, é comum ter-se uma emissão alfa seguida por uma gama, ou uma emissão beta seguida por uma gama. “Analogamente a raios X, a radiação gama é produzida pela transição de um estado excitado para um de menor excitação, porém no núcleo. Uma transição (pela emissão de raio m sempre leva directamente ao estado de menor excitação possível para um determinado núcleo. Em muitos casos ocorre a emissão de diversos raios gama em cascata, até que seja atingido o estado de menor excitação”¹.
Algumas enfermidades são hoje tratadas com utilização da radiação gama, como é o caso do câncer. O paciente fica exposto por determinado período à radiação, sem contacto directo de sua fonte emissora. O nome dado a esse procedimento é teleterapia, e tem se mostrado efectivo na desaceleração da replicação de células defeituosas.
Conclusão
Terminado o trabalho, tendo feito a compilação do das informações pertinentes na elaboração do trabalho, concluiu-se que os raios X são um tipo de radiação de alta energia, com capacidade de penetrar em organismos vivos e atravessar tecidos de menor densidade. Ele é absorvido pelas partes mais densas do corpo, como os ossos e os dentes. Em razão dessa característica, o principal uso dos raios X é em radiografias para diagnóstico médico. Mas ele também é usado industrialmente, para observar a estrutura interna de objectos, procurando ver se há falhas em sua estrutura.
Actualmente sabe-se que os raios X também podem ser produzidos por saltos de electrões em regiões próximas ao núcleo dos átomos ou pelo choque de electrões com anteparos duros (que foi o que ocorreu no tubo de raio catódico do experimento de Röentgen).
Concluiu-se também que o olho humano é sensível a ondas electromagnéticas de comprimento de onda da ordem de 400 a 700 nm, formando a faixa da luz visível, cujos menores e maiores comprimentos de onda correspondem às cores violeta e vermelha, respectivamente. Já os raios ultravioleta, X e gama apresentam comprimentos de ondas menores do que os da luz visível; enquanto os raios infravermelhos, micro-ondas e ondas de rádio apresentam comprimentos de onda maiores do que 700 nm. Os raios X possuem comprimentos de onda no intervalo de 10-11 a 10-8 metros.
Bibliografia
• Martins, Roberto de Andrade. O Nascimento de uma Nova Física. Scientific American: N°13, p.11.
• KIWANGA, Christopher Amelye. In: Christopher Amelye. KIWANGA. Física Nuclear: Introdução à Física Nuclear (em português). 1ª ed. Reino Unido: [s.n.], 2013. 133 p. 1º vol.
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