FNC 314

Nesta etapa da experiência, será estudado o decaimento dos átomos que ocorre após a sua ionização provocada pela absorção de fótons de raios-X incidentes para elementos com diferentes valores de número atômico Z. Uma das possibilidades para o decaimento é a emissão de um novo fóton de raio-X cuja energia é característica do átomo que o emite. A energia do novo fóton é necessariamente menor do que a energia do fóton incidente. Esta emissão é denominada por fluorecência. O processo que compete com a fluorescência é a emissão de elétrons que recebem a denominação de elétrons Auger. Não trataremos da emissão de elétrons Auger neste curso. A probabilidade do decaimento por emissão de raios-X depende do

número atômico e da camada onde a vacância, formada pela ionização, é deixada. Esta probabilidade é dada pelo rendimento de fluorescência que é mostrado na figura 1. Na faixa de números atômicos estudada nesta experiência, Z = 23 até 30, as linhas K_a e K_b dominam o espectro de fluorescência. Neste caso, a radiação de Bremstrahlung não faz parte do espectro de emissão.

Outro fenômeno pertinente à incidência de raios-X na matéria é a absorção dos fótons pelos átomos pertencentes ao sólido. Ela pode ser estudada observando-se a transmissão de um feixe de raios-X através de uma lâmina de um determinado material com densidade r (absorvedor). A grandeza de interesse para absorção é o coeficiente de absorção mássico, m , que é uma função da energia dos fótons incidentes. Usualmente, este coeficiente é dado em unidades de cm²/g. Ele pode ser medido considerando as intensidades relativas nas situações com e sem absorvedor e conhecendo a espessura, Dx, do material atravessada pelos fótons de raios-X. O efeito fotoelétrico é o fenômeno dominante para a absorção na faixa de energia dos raios-X considereda neste experimento. O efeito Compton, que é espalhamento elástico dos fótons por elétrons, também participa do processo de interação.

figura 2 - Intensidade transmitida através de uma lâmina de espessura Dx.

A figura 2 ilustra a relação entre as intensidades I₀ e I_T com o coeficiente m. A hipótese de que o número de fótons absorvidos no interior do material, de espessura Dx, é proporcional ao número de fótons incidentes conduz à lei exponencial, conhecida como lei de Lambert-Beer, mostrada na figura 4. O fator rDx é uma medida do número de átomos por unidade de área encontrados pelos fótons do feixe incidente. Microscópicamente, o coeficiente de absorção mássico está relacionado com a seção de choque de ionização ou excitação, s, dos átomos por raios-X. Estas seções de choque podem ser definidas para cada camada atômica e fornecem a probabilidade de um fóton com uma determinada energia provoque a ionização ou excitação de uma determinada camada atômica. O coeficiente m é escrito como

onde N₀ é o número de Avogrado e A a massa atômica em átomo-grama.

A dependência do coeficiente de absorção mássico com a energia dos raios-X incidentes é ilustrada esquematicamente na figura 3. A característica mais marcante do gráfico é a presença de descontinuidades, ou bordas, em determinados valores de energia dos raios-X. Elas ocorrem quando e energia dos fótons é suficientemente grande para provocar a ionização dos átomos absorvedores, ou seja, quando a seção de choque de ionização de uma determinada camada atômica torna-se apreciável. Logo, os valores onde aparecem as bordas correspondem às energias de ionização das várias camadas atômicas. Estas energias de ionização estão tabeladas e permitem prever onde as bordas de absorção ocorrem. O estudo será realizado considerando-se a absortância, A, que é definida como A = I₀/ I_T e acompanha a variação de m.

O aparato mostrado na figura 4 será utilizado para o estudo do espectros de fluorescência. Um carrossel que abriga lâminas de 8 elementos diferentes (vanadio, cromo, manganês, ferro, cobalto, niquel, cobre e zinco) é colocado no eixo do goniômetro. Diferentemente das experiências anteriores, onde se usava um cristal, os materiais encontrados nas lâminas não possuem uma estrutura cristalina bem definida e portanto, a difração de raios-X não ocorre. O estudo da fluorescência será realizado conforme explicado adiante.

A posição do contador Geiger, neste caso, é fixada na direção ortogonal ao feixe incidente. A montagem do carrossel é tal que as lâminas fazem um ângulo de 45 graus com a direção do feixe incidente. O giro do carrossel permite variar o material que é irradiado pelos fótons de raios-X provenientes do anodo de cobre. Primeiramente, a taxa de contagem c_m⁰, proporcional à I₀, deve ser medida sem a presença da lâmina absorverdora (filtro). Para os elementos mais leves, a taxa de contagem deve acompanhar o rendimento de flurescência mostrado na figura 1. Por outro lado, os fótons correspondentes às linhas K_a e K_b do cobre não conseguem ionizar a camada K dos elementos cobre e zinco. Assim, a taxa de contagem da fluorescência destes elementos é somente devida a radiação de Bremsstrahlung proveniente do tubo RX. O gráfico de c_m⁰ em função de Z deve ser levantado e na discussão deve ser salientada a razão da presença de um máximo antes de Z=29.

Em seguida, o mesmo procedimento deve ser adotado colocando agora as várias lâminas absorvadoras, ou filtros com os diferentes elementos, defronte ao contador Geiger. A taxa de contagem c_m^Z, proporcional à I_T, deve ser medida para todos os pares possíveis. Os valores das razões A = c_m⁰/c_m^Zdevem ser calculados e colocados num gráfico em função das energias E_Ka dos elementos fluorescentes conforme a tabela de raios-X. Deve-se discutir a ocorrência das bordas de absorção e as energias onde essas bordas ocorrem.