Trabalho de Física

Tubo de Crookes

Tubo de raios X

Em uma ampola de vidro, William Crookes submeteu um gás a pressão ambiente e a altas tensões, por meio de duas placas metálicas localizadas no fundo e na frente da ampola, cada qual carregada com cargas diferentes. Quando a diferença de potencial entre as placas era suficientemente grande, os elétrons saiam do cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou liberação de luz devido às transições eletrônicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a ampola. A partir desses experimentos, Joseph John Thomson observou que tal fenômeno é independente do gás e do metal utilizado nos eletrodos (placas metálicas). Concluiu, então, que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento químico. Devido a essa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, atestar a existência do elétron.

A descoberta

Hand mit Ringen: a primeira de Wilhelm Röntgen referente a mão de sua esposa, tirada em 22 de dezembro de 1895 e apresentada ao Professor Ludwig Zehnder, do Instituto de Física da Universidade de Freiburg, em 1 de janeiro de 1896.

Foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem detectou pela primeira vez os raios X, que foram assim chamados devido ao desconhecimento, por parte da comunidade científica da época, a respeito da natureza dessa radiação. A descoberta ocorreu quando Röentgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Todo o aparato foi envolvido por uma caixa com um filme negro em seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário.

Röentgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a chegada desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto indicava que a radiação possui alto poder de penetração. Após exaustivas

A descoberta

experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana. Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.

Partícula ou onda

Logo que os raios X foram descobertos, pouco se sabia a respeito da sua constituição. No início do século XX foram encontradas evidências experimentais de que os raios X seriam constituídos por partículas. No entanto, e para a surpresa da comunidade científica, Walther Friedrich e Paul Knipping realizaram um experimento em 1912, no qual conseguiram fazer um feixe de raios X atravessar um cristal, produzindo interferência da mesma forma que acontece com a luz. Isto fez com que os raios X passassem a ser considerados como ondas eletromagnéticas. Porém, por volta de 1920 foram realizados outros experimentos, que apontavam para um comportamento corpuscular dos raios X.

O físico Louis de Broglie tentou resolver este aparente conflito no comportamento dos raios X. Combinando as equações de Planck e de Einstein (E = h.ν = m.c²), chegou a conclusão de que "tudo o que é dotado de energia vibra, e há uma onda associada a qualquer coisa que tenha massa".[1]

Características Produção

O dispositivo que gera raios X é chamado de tubo de Coolidge. Da mesma forma que uma válvula termiônica, este componente é um tubo oco e evacuado, ainda possui um catodo incandescente que gera um fluxo de elétrons de alta energia. Estes são acelerados por uma grande diferença de potencial e atingem ao ânodo ou placa.

O ânodo é confeccionado em tungstênio. A razão deste tipo de construção é a geração de calor pelo processo de criação dos raios X. O tungstênio suporta temperaturas que vão até 3340 °C. Além disso, possui um razoável valor de número atômico (74) o que é útil para o fornecimento de átomos para colisão com os elétrons vindos do catodo (filamento). Para não fundir, o dispositivo necessita de resfriamento através da inserção do tungstênio em um bloco de cobre que se estende até o exterior do tubo de raios X que está imerso em óleo. Esta descrição refere-se ao tubo de anodo fixo.

Ao serem acelerados, os elétrons ganham energia e são direcionados contra um alvo; ao atingi-lo, são bruscamente freados, perdendo uma parte da energia adquirida durante a aceleração. O resultado das colisões e da frenagem é a energia transferida dos elétrons para os átomos do elemento alvo. Este se aquece bruscamente, pois em torno de 99% da energia do feixe eletrônico é dissipada nele.

Características Produção A brusca desaceleração de uma carga eletrônica gera a emissão de

um pulso de radiação eletromagnética. A este efeito dá-se o nome de Bremsstrahlung, que significa radiação de freio.

As formas de colisão do feixe eletrônico no alvo dão-se em diferentes níveis energéticos devido às variações das colisões ocorridas. Como existem várias formas possíveis de colisão devido à angulação de trajetória, o elétron não chega a perder a totalidade da energia adquirida num único choque, ocorrendo então a geração de um amplo espectro de radiação cuja gama de frequências é bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes dependem da energia inicial do feixe eletrônico incidente, e é por isso que existe a necessidade de milhares de volts de potencial de aceleração para a produção dos raios X.

Detecção

A detecção dos raios X pode ser feita de diversas maneiras, a principal é a impressão de chapas fotográficas que permite o uso medicinal e industrial através das radiografias. Outras formas de detecção são pelo aquecimento de elementos à base de chumbo, que geram imagens termográficas, o aquecimento de lâminas de chumbo para medir sua intensidade, além de elementos que possuem gases em seu interior à exemplo da válvula Geiger-Müller utilizada para a detecção de radiação ionizante e radiação não ionizante. Podendo ainda ser difratado através de um cristal e dividido em diversos espectros de onda. Sensores (Foto transistores ou foto diodos) captam uma ou algumas faixas de espectro, e são amplificados e digitalizados, formando imagens. Esse último processo (difração de raios X, por cristais) é comumente utilizado em equipamentos de inspeção de bagagens e cargas.

Medicina

Na medicina os raios X são utilizados nas análises das condições dos órgãos internos, pesquisas de fraturas, tratamento de tumores, câncer (ou cancro), doenças ósseas, etc.

Com finalidades terapêuticas os raios X são utilizados com uma irradiação aproximada de cinco mil a sete mil Rads, sobre pequenas áreas do corpo, por pequeno período de tempo.

No Brasil, os raios X do pulmão para fins diagnósticos de tuberculose pulmonar são chamados de abreugrafia, que se trata de uma incidência sobre uma pequena área do pulmão.

Exposição

A tolerância do organismo humano à exposição aos raios X é de 0,1 röntgen por dia no máximo em toda a superfície corpórea. A radiação de um röntgen produz em gramas de ar, a liberação por ionização, de uma carga elétrica de C.

Efeitos somáticos da radiação

No ser humano a exposição continua aos raios X podem causar vermelhidão da pele, queimaduras por raios X ou em casos mais graves de exposição, mutações do DNA, morte das células e/ou leucemia.

Pesquisa de materiais

Na indústria, os raios X são utilizados no exame de fraturas de peças, condições de fundição, além de outros empregos correlatos. Nos laboratórios de análises físico-químicas os raios X têm largo espectro de utilização.

Natureza eletromagnética

Os raios X propagam-se à velocidade da luz, e como qualquer radiação eletromagnética estão sujeitos aos fenômenos de refração, difração, reflexão, polarização, interferência e atenuação. Sua penetrância nos materiais é relevante, pois todas as substâncias são transparentes aos raios X em maior ou menor grau.

Em algumas substâncias como compostos de cálcio e platinocianeto de bário, os raios X geram luminescência. Esta radiação ioniza os gases por onde passa. A exemplo da luz visível, não é desviado pela ação de campos elétricos ou magnéticos. Desloca-se em linha reta, sensibiliza filmes fotográficos, além de descarregar os objetos carregados eletricamente, qualquer que seja a polaridade (sendo uma característica não totalmente confirmada a de descarregar eletricamente os objetos).

Interação com a matéria

Quando os raios X atingem a matéria, assim como o tecido do paciente, os fótons têm quatro possíveis destinos. Os fótons podem ser:

Completamente espalhados sem perda de energia.

Absorvidos com perda total de energia. Espalhados com alguma absorção e com perda

de energia. Transpostos sem qualquer alteração.

Definições dos termos

Espalhamento - mudança de direção de um fóton com ou sem perda de energia.

Absorção - deposição de energia, ou seja, remoção de energia do feixe.

Atenuação - redução da intensidade do feixe principal causada pela absorção e espalhamento.

Ionização - remoção de um elétron de um átomo neutro produzindo um íon negativo (o elétron + outro átomo neutro) e um íon positivo (o átomo remanescente).

Interações dos raios X em Nível Atômico

Existem quatro principais interações em nível atômico, dependendo da energia do fóton incidente:

Espalhamento não modificado ou coerente - espalhamento puro.

Efeito fotoelétrico - absorção pura. Efeito compton - espalhamento e

absorção. Produção par - pura absorção.

Espectro Eletromagnético

espectro eletromagnético ou espetro eletromagnético) é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até aos radiação gama.

Uma carga em repouso cria à sua volta um campo que se estende até ao infinito. Se esta carga for acelerada haverá uma variação do campo eléctrico no tempo, que irá induzir um campo magnético também variável no tempo (estes dois campos são perpendiculares entre si). Estes campos em conjunto constituem uma onda electromagnética (a direcção de propagação da onda é perpendicular às direcções de vibração dos campos que a constituem). Uma onda electromagnética propaga-se mesmo no vácuo.

Maxwell concluiu que a luz visível é constituída por ondas electromagnéticas, em tudo análogas às restantes, com a única diferença na frequência e comprimento de onda.

De acordo com a frequência e comprimento de onda das ondas eletromagnéticas pode-se definir um espectro com várias zonas (podendo haver alguma sobreposição entre elas).

Funcionamento

Quando um filamento metálico é aquecido, ele emite elétrons (como numa lâmpada comum) esses elétros são condensados e direcionados para uma superfície metálica.Quando eles se chocam com a superfície, emitem outras partículas subatômicas, e dentre elas, os raios "X" ou raios Roetgen. Esses raios atravessam vários materiais, inclusive o corpo humano, em maior ou menor intensidade, e são capazes de sensibilizar um filme comum de fotografia.

Daí surgem as imagens de raios X.As primeiras máquinas, nada mais eram que uma espécie de LÃMPADA COMUM de filamento, sendo que no seu interior era colocada uma pequena placa metálica.

Os TUBOS DE IMAGEM de TV tambem produzem feixes de elétrons, que sempre se chocam com alguma superfície metálica, daí... uma TV tambem é uma fonte de raios "X" (pode ver no manual)

O problema é que esses raios Roetgen, muito úteis, tambem atingem o núcleo das células, prejudicando a sua reprodução, podendo causar cancer.

Aline Souza N:01Michele Soares N:21

Professora: Selma