A natureza desconhecida e misteriosa dos raios que o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen descobriu de forma quase acidental, e com a qual obteve uma fotografia da estrutura óssea da mão de sua esposa, levou-o a denominá-los raios X.

Os raios X são emissões de natureza eletromagnética, com comprimento de onda extremamente pequeno, produzidas pela desaceleração de partículas carregadas ou pela transição de elétrons nos átomos. O comprimento de onda dos raios X varia de 0,05 a centenas de angströns (um angström equivale a 10^-10m). Como outras formas de radiação, entre elas os raios gama, ultravioleta, infravermelhos, a luz visível e as ondas de rádio, os raios X apresentam fenômenos associados com sua natureza ondulatória, tais como interferência, difração e polarização. A difração dos raios X por cristais determinou serem eles uma radiação eletromagnética de natureza idêntica à da luz, da qual difere apenas pelo comprimento de onda muito menor.

Röntgen descobriu os raios X em 8 de novembro de 1895, quando estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Durante uma de suas experiências, o cientista colocou o tubo numa caixa de papelão negro, que foi guardada numa câmara escura. Por acaso, havia próximo à caixa um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário. Röntgen notou então que, quando se fornecia corrente elétrica aos elétrons do tubo, era emitida uma radiação que velava a chapa fotográfica. Röntgen observou também que vários materiais opacos à luz diminuíam mas não extinguiam a emissão de luz induzida pelos raios X, o que indicava que eles atravessavam a matéria com relativa facilidade. Assim, o cientista resolveu fotografar corpos normalmente opacos e obteve, pela primeira vez na história da ciência, uma chapa fotográfica que revelava a estrutura interna da mão humana, com todas as suas formações ósseas.

Produção de raios X

O aparelho produtor de raios X denomina-se tubo de Coolidge, no qual um catodo incandescente produz um fluxo de elétrons puros que é acelerado por uma grande diferença de potencial e atinge o ânodo. Para fins de pesquisa pode-se utilizar qualquer metal, mas nos aparelhos comerciais, o ânodo é feito de tungstênio, material com alto ponto de fusão, pois é grande a quantidade de calor gerada no processo. Além disso, o ânodo é oco, o que permite resfriá-lo mediante a circulação de água ou óleo em seu interior. Dentro do tubo cria-se um vácuo para evitar o enfraquecimento ou o desvio de elétrons do feixe original.

Os raios X se produzem quando o feixe de elétrons, de grande energia, atinge um alvo, com o que os elétrons são rapidamente frenados. A maioria dos elétrons do feixe colide com as partículas de material de tal forma que perdem apenas pequena parte da energia original. Como resultado de inúmeras colisões desse tipo, os elétrons são paulatinamente frenados e sua energia é entregue aos átomos do alvo, que se aquece (cerca de 99% da energia do feixe se dissipa no alvo, sob a forma de calor). A rápida desaceleração de uma carga elétrica provoca a emissão de um pulso de radiação eletromagnética, fenômeno conhecido pelo nome alemão Bremsstrahlung, que quer dizer radiação de freio. Devido a todas as possíveis formas de colisão em que o elétron não perde a totalidade da energia num único choque, o espectro da radiação emitida conterá uma gama variada de comprimentos de onda. O comprimento de onda resultante depende apenas da energia inicial do feixe incidente, mas não do material do alvo. Para produzir raios X são necessários milhares de volts de potencial de aceleração.

Simulação

Produção de Raios-X

Propriedades dos raios X

Os raios X, que se deslocam à velocidade da luz, são, como esta, sujeitos aos fenômenos de reflexão, refração, difração, interferência e polarização. São altamente penetrantes e todas as substâncias, em maior ou menor grau, tornam-se transparentes a eles. Algumas delas, como o platinocianeto de bário e certos compostos de cálcio, emitem fluorescência quando por eles excitados. Os raios X ionizam os gases que atravessam, impressionam chapas fotográficas e se deslocam em linha reta, mas não são desviados pela ação de campos elétricos ou magnéticos. Além disso, descarregam os corpos eletrificados, qualquer que seja a polaridade da carga, como foi demonstrado por Elihu Thomson em 1896.

Alguns efeitos dos raios X, como sua ação sobre chapas fotográficas ou o aquecimento de uma lâmina de chumbo, podem ser empregados para medir sua intensidade. Os processos mais usuais de medição dos raios X, no entanto, empregam os efeitos da propriedade que têm de ionizar os gases, numa câmara de ionização ou pelo uso de contadores Geiger-Müller.

Efeitos e aplicações dos raios X

No homem, uma exposição demorada aos raios X poderá causar vermelhidão da pele, empolamento, ulcerações e mesmo sérias lesões cancerígenas, com morte das células e leucemia. A tolerância do organismo humano à exposição aos raios X é de 0,1 röntgen por dia, em toda a superfície do corpo (um röntgen é capaz de produzir, em 1,938x10^-3 gramas de ar, a liberação, por ionização, de uma carga elétrica de 3,33x10^-3C). Com finalidades terapêuticas, entretanto, essa radiação poderá elevar-se até cinco mil röntgens, sobre pequenas áreas do corpo, durante poucos momentos.

Os raios X têm grande uso na vida moderna. Em medicina, são empregados no tratamento de tumores cancerosos, pesquisas de fraturas ósseas, análise das condições dos órgãos internos etc. Na indústria, utilizam-se os raios X no exame de fraturas de peças, condições de fundição, além de outros empregos correlatos.

©Encyclopaedia Britannica do Brasil Publicações Ltda.

Difração de raios-X

A difração de raios-X tem sido uma ferramenta muito utilizada na medida da estrutura cristalina de vários materiais assim como na identificação química de compostos.

Figura 1. Espectro eletromagnético.

Os átomos em um cristal estão arranjados em uma família de planos paralelos, como mostrado na figura 2, com cada família tendo uma separação característica d entre seus planos. Quando um feixe monocromático de raios X incide em um cristal, o mesmo será espalhado em todas as direções, mas devido ao arranjo regular dos átomos, em certas direções as ondas espalhadas irão interferir construtivamente enquanto que em outras, ocorrerá interferência destrutiva.

Figura 2. Difração de raios X por uma família de planos paralelos com espaçamento interplanar d.

Conforme mostra a figura 2, diferença de percurso entre dois raios adjacentes é dado por 2dsenq e caso esta diferença de percurso seja igual a um múltiplo inteiro n de comprimentos de onda, os raios irão interferir construtivamente. Portanto, pode-se estabelecer a seguinte condição:

nl = 2dsenq , n=1,2,3,... (1)

A equação (1) é conhecida como Lei de Bragg. A condição estabelecida por esta lei, permanece a mesma para qualquer par de planos variando-se apenas a ordem de difração n para l e d fixos. Para planos adjacentes, n assume um valor unitário, mas para outra combinação de planos n passa a ter outros valores.

A Lei de Bragg é suficiente para definir a difração em redes cristalinas simples tais como a cúbica simples e a tetragonal.

O espaçamento interplanar d está relacionado com o tamanho e a forma da célula unitária do cristal. Através de argumentos geométricos, é possível estabelecer uma relação entre estes parâmetros. Isto permite prever os possíveis ângulos em que haverá interferência construtiva, e com isso, o tipo de célula unitária pode ser identificada. Para a célula cúbica simples esta relação é dada por :

(2)

onde d_hkl é espaçamento interplanar, a é o parâmetro de rede e h, k e l são os índices dos planos correspondentes e a é o parâmatro de rede, que varia de acordo com o tipo de material analizado.

Experimento de Difração de raios-X para o aluminio

Procedimento Experimental

1)      Aqui será determinado o ângulo máximo para cada pico a partir do espectro de difração de raio-X do Alumínio como exemplo (gráfico 1);

2)      Aplicando a lei de Bragg para cada pico determinando a distância d_hkl para cada plano de difração;

3)      Comparando os valores com os da tabela que relaciona cada índice de Muller (hkl) com as respectivas distâncias interplanares d_hkl para o alumínio

Gráfico 1. Espectro de difração do Alumínio

Resultados

m=1

l= 1,542 Å

A técnica de difração de raio-x pode ser muito útil para a determinação de amostras conhecidas e desconhecidas, isto nos permite também determinar a composição de vários materiais e também do que ele é composto, por exemplo, metais puros, dopados, ligas metálicas, etc...