raios x

Raios X


Os trabalhos experimentais do físico inglês Moseley (1887-1915) sobre os espectros de raios X foram realizados na mesma altura em que Bohr criava a sua teoria relativa à distribuição dos electrões nos átomos com o fim de interpretar as características dos espectros ópticos de riscas.

Imediatamente se estabeleceu uma relação estreita entre estes dois estudos, um experimental e outro teórico.



Natureza dos raios X

Em 1895, o físico Wilhelm Roentgen (1845-1923), ao estudar a fluorescência provocada pelos raios catódicos, chegou à conclusão de que, sempre que um feixe desses raios colide com um anteparo (vidro, metal,..), este torna-se emissor de uma radiação. Por não saber explicar a natureza da radiação descoberta, Rontgen chamou-lhe raios X.

Em 1898, Stokes e Stoney, verificando que esta radiação não sofria desvios por campos eléctricos e magnéticos, admitiram que os raios X seriam ondas electromagnéticas, a que atribuíram elevado valor de frequência, o que foi confirmado experimentalmente.

Trata-se pois de uma radiação electromagnética constituída por fotões de elevada energia, fotões X.

Na produção dos raios X ocorre o efeito inverso do efeito fotoeléctrico. Neste, a energia de um fotão é utilizada, em parte, para desligar um electrão de uma estrutura, manifestando-se o resto como energia cinética desse electrão. Na produção de raios X, um electrão perde energia cinética e a isso corresponde o aparecimento de um fotão.



Produção de raios X

Para produzir raios X utilizam-se aparelhos do tipo do tubo de Coolidge, tubos onde existe um vazio tão perfeito quanto possível, em que o feixe de electrões é emitido por um filamento de tungsténio, F, incandescente, colocado em frente de um cátodo côncavo, C. O feixe é acelerado por uma alta tensão para o ânodo, A, fronteiro ao cátodo, que desempenha o papel de anteparo e é designado por anticátodo.



Esquema de um Tubo de Coolidge.

O cátodo côncavo, C, que está ao mesmo potencial que o filamento, F, faz convergir as trajectórias dos termoelectrões no centro do anticátodo, A.



Os electrões emitidos, por efeito termoelectrónico, convergem na região central do anticátodo com pequena probabilidade de colisão durante o seu trajecto, e atingem-no com grande velocidade.

No anticátodo, bombardeado pelos termoelectrões, dá-se a emissão de raios X em todas as direcções.

Cada fotão X corresponde a um electrão incidente e a sua energia é, no máximo, igual à energia cinética desse electrão.

De um modo geral, parte da energia cinética dos termoelectrões, ao chocarem com o anticátodo, é transferida para este como energia térmica, aquecendo-o notavelmente, até ao ponto de poder fundi-lo.

Para evitar esse inconveniente usa-se, como anticátodo, uma pastilha de um metal de ponto de fusão muito elevado, tungsténio ou molibdénio, incrustada num bloco de cobre, que é um óptimo condutor de calor. Em certos casos evita-se o elevado aquecimento usando anticátodos rotativos.



Difracção dos raios X pelos cristais

A confirmação experimental da natureza ondulatória dos raios X chegou em 1912, quando o físico alemão Max von Laue (1879-1960) teve a ideia de tentar a difracção dos raios X pelos cristais.

Quando um feixe de raios X, muito estreito, atravessa uma lâmina delgada de um cristal e atinge uma placa fotográfica, P, observa-se, na zona central da placa, um ponto enegrecido que indica o local onde o feixe directo de raios X incidiu, e também outros pontos, menos enegrecidos, que indicam que o feixe de raios X sofreu difracção através do cristal.



Esquema da montagem destinada à difracção de um feixe de raios X, muito delgado, por um cristal.

A disposição desses pontos é sempre bastante simétrica em relação à mancha central, e o conjunto designa-se por figura de Laue.



Estas experiências demonstraram que os comprimentos de onda dos raios X, no vazio, são da ordem das distâncias entre as entidades corpusculares nos cristais.

Ainda hoje se usa a técnica de Laue para fazer o estudo da estrutura dos cristais.


Um cristal constitui uma rede de difracção, 3 D, para os raios X.

Assim, quando uma onda electromagnética plana, que forma um feixe paralelo de raios X, incide sobre um cristal, penetra nele profundamente. Cada entidade corpuscular (ião, átomo ou molécula) atingida pela onda incidente, funciona como uma fonte de raios X e produz uma onda difractada esférica (onda secundária).

O feixe difractado resulta da sobreposição do conjunto destas ondas secundárias, e a sua direcção é a sua direcção em que todas elas estão em concordância de fase.



Em 1913, os físicos ingleses William Bragg e Lawrence Bragg (pai e filho) estabeleceram as condições necessárias à realização dessa concordância de fase.

Mostraram que as ondas secundárias difractadas pelas diferentes entidades de um mesmo plano reticular estão em fase se a direcção do feixe incidente sobre esse plano e a direcção do feixe difractado formam ângulos iguais com esse plano.

A difracção dos raios X num plano reticular é análoga á reflexão da luz visível num espelho.


Os feixes difractados (reflectidos) pelos sucessivos planos reticulares da rede cristalina que se encontram, entre si, a distância d, estão, por sua vez, em fase se o ângulo satisfaz a relação seguinte, conhecida como equação de Bragg



em que n é um número inteiro.

Os raios X são, pois, difractados em certas direcções privilegiadas cuja inclinação, em relação à direcção de incidência, é função da distância entre os planos reticulares e do comprimento de onda do feixe de raios X considerado, no meio em que se propaga.



Espectros de raios X

Por intermédio da equação de Bragg, a determinação experimental do ângulo de difracção permite calcular, conhecendo o comprimento de onda, o valor da distância entre dois planos reticulares sucessivos. Se se tiver conhecimento do valor de d, a equação de Bragg dará o valor de e isso permitirá fazer o estudo dos espectros de raios X.

Para analisar um feixe de raios X que contenha radiações de diferentes frequências recorre-se a um cristal como rede de difracção, provocando a reflexão desse feixe nos planos reticulares paralelos à face do cristal exposta aos raios X.

Verifica-se assim que, de um modo geral, o feixe origina um espectro de riscas sobreposto a um espectro contínuo.



Espectro de riscas dos raios X emitidos por um tubo cujo anticátodo é de tungsténio.

As riscas de um espectro de raios X apresentam-se distribuídas, ao longo do espectro contínuo, em séries que se designam pelos nomes de riscas K, riscas L, riscas M,..., e, em cada série, as riscas são designadas pelas mesmas letras com índices Em cada espectro, as riscas K são as que correspondem a raios X de maior frequência, ou seja, a raios X mais energéticos, mais duros.

Os elementos de baixo número atómico só originam a série de riscas K e, à medida que se utilizam anticátodos de elementos de número atómico crescente, vai-se tornando possível o aparecimento sucessivo das séries de riscas L, M, N,...

Para cada elemento, as respectivas séries de riscas não aparecem para o mesmo valor da tensão eléctrica estabelecida nos terminais do tubo de raios X. A série K é, de todas as séries, a que exige tensão mais elevada para ser emitida.

Interpreta-se o aparecimento dessas riscas admitindo que, quando os electrões emitidos pelo cátodo de um tubo de raios X chocam com o anticátodo, penetram nos átomos do elemento que o constitui, e alguns desses electrões, devido às elevadas velocidades que possuem, arrancam electrões dos níveis mais interiores.

A extracção de um electrão do nível K só é possível quando a energia, E, do electrão bombardeante (E = q.V) for suficiente para fazer subir aquele electrão para um nível mais elevado, geralmente ocupado parcialmente, ou para o afastar completamente do átomo. Após excitação, a lacuna do nível K pode preencher-se mediante a transição de um electrão de um estado de energia superior, de qualquer outro nível, com emissão de um fotão X, cuja energia é igual à diferença de energias do sistema atómico, antes e depois da transição do electrão, pelo que a sua frequência é dada por . Do grande número de átomos excitados, obtém-se a emissão de toda a série K.



Esquema de níveis de energia para a interpretação da formação de raios X característicos de um elemento:

transição de electrões para estados de níveis inferiores que tenham ficado vagos por deles terem sido desalojados electrões.



São possíveis todas as riscas de qualquer das séries quando o electrão bombardeante possuir a energia necessária para arrancar ao átomo um electrão do nível K.

Se o electrão bombardeante só possuir energia suficiente para arrancar um electrão do nível L, surgem apenas as séries L, M, N,..., correspondentes às transições energéticas de electrões de níveis superiores para os níveis inferiores deixados vagos.

Esta interpretação da emissão de raios X explica porque existe, para cada elemento, um valor mínimo da diferença de potencial, tensão eléctrica, necessária para a emissão de cada um dos espectros K, L, M, N,... Esse valor é determinado pela energia mínima necessária para arrancar um electrão do nível K, L, M, N,..., respectivamente.



Lei de Moseley

Moseley concluiu que as frequências correspondentes a uma mesma risca de uma determinada série, nos espectros dos vários elementos, estão relacionadas com os respectivos números atómicos, Z, sendo essa relação:



onde é uma constante de proporcionalidade e é outra constante de proporcionalidade que tem o mesmo valor para todas as riscas de uma dada série.



Relação entre as frequências das riscas espectrais das séries K e L dos raios X característicos dos vários elementos, e o número atómico, Z, desses elementos.





A lei de Moseley permite afirmar que:

A raíz quadrada da frequência das riscas espectrais dos raios X, no espectro de um elemento qualquer, é uma função linear simples do número atómico desse elemento.



A lei de Moseley fornece uma maneira de avaliar o número atómico.



Espectros de absorção

A absorção de raios X pela matéria é acompanhada de emissão de electrões e também de emissão de raios X chamados secundários cuja frequência é característica dos átomos que constituem o material em que a radiação X incide.

Este fenómeno é interpretado da seguinte maneira. Um fotão X, de energia sempre muito elevada, pode arrancar um electrão ao átomo, até mesmo um electrão pertencente a um nível energético interno. A lacuna assim provocada nesse nível pode ser preenchida por um electrão de qualquer outro nível a que corresponda energia mais elevada, com emissão de um fotão X cuja frequência é característica não só do átomo como também daquele nível interno tal como nos espectros de riscas de emissão.



Aplicação dos raios X

Os diferentes tecidos animais absorvem desigualmente os raios X. A pele e os músculos, essencialmente constituídos por compostos onde figuram carbono (Z = 6), hidrogénio (Z = 1), oxigénio (Z = 8) e azoto (Z = 7), têm poder absorvente muito menor do que os ossos e os dentes, em cuja constituição figuram o fósforo (Z = 15) e o cálcio (Z = 20).

Assim, num alvo fluorescente (radioscopia) ou numa placa fotográfica (radiografia), podem ser detectadas fracturas ósseas, alterações dentárias, ou podem ser localizados corpos estranhos.

Para se detectarem lesões orgânicas no aparelho digestivo e no aparelho urinário, o paciente tem de receber "produtos de contraste" que contenham compostos de elementos de números atómicos elevados, os quais tornam opaco o órgão que se quer radiografar, uma vez que possuem elevado poder absorvente.

A aplicação de raios X sobre os tecidos do organismo pode provocar, em caso de acção prolongada, queimaduras profundas, muito perigosas, e a destruição de células. As células mais sensíveis à acção dos raios X são as dos tecidos orgânicos em proliferação rápida, como as dos tecidos embrionários e as dos tecidos cancerosos.

Algumas vezes é possível a destruição de tumores cancerosos pela acção, convenientemente doseada, dos raios X (radioterapia), utilizando raios X duros, isto é, de elevada energia, que atravessam os tecidos superficiais sem provocar queimaduras de pele (radiodermites) e vão destruir os tecidos cancerosos profundos.

A protecção contra os raios X faz-se recorrendo a materiais contendo elementos de elevado número atómico, como o chumbo, ou contendo chumbo na sua constituição, sais de chumbo.

Em metalurgia utilizam-se as diferenças de absorção dos raios X pelas diferentes partes de uma peça metálica para detectar, por exemplo, imperfeições nas proximidades de uma soldadura, bolhas de ar nos metais fundidos, ou outros defeitos.

Utilizam-se ainda os raios X na repressão de fraudes: descoberta de artefactos ilícitos nas bagagens, distinção entre pedras preciosas verdadeiras e artificiais, detecção de substâncias proibidas em certos produtos alimentares e de higiene, certificação de obras de arte,...

O estudo da difracção dos raios X por cristais, através das figuras de Laue, permite determinar a repartição, no espaço, dos planos reticulares nesses cristais e pode, portanto, dar informações sobre a sua estrutura.