Descoberta e produção dos Raios X.

História

Em 8 de novembro de 1895,  o físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen ao realizar experimentos com os raios catódicos,  observou um novo tipo de radiação, ao qual chamou de raios X.


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 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 [1].

Os artigos abaixo possuem informações mais detalhadas sobre a descoberta de Roentgen:

• Early History of X Rays -  http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/25/2/25-2-assmus.pdf (em inglês)

• A Descoberta dos Raios X: O Primeiro Comunicado de Rontgen - http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/historia/v20_372.pdf (em português)

Produção de raios X

Os raios X podem ser produzidos de duas maneiras:

1. Radiação de freamento: Em um tubo em vácuo, chamado Coolidge, o catodo é aquecido por uma determinada tensão, havendo a liberação de elétrons em direção ao anodo (alvo metálico, feito de tungstênio ou outros materiais). Nele os elétrons perdem sua energia cinética nas colisões, onde 95% é convertido em calor.

http://efisica.if.usp.br/moderna/raios-x/raios-x/

Os 5% restante são atraídos pelos núcleos atômicos do alvo, onde são freados bruscamente, emitindo um fóton de raios X.

Esses fótons podem ter um valor qualquer de energia, entre próximo de zero e um valor máximo proporcional a tensão aplicada no catodo.

Assim, sendo a energia de um fóton dada por  e a energia cínetica de um elétron acelerado igual a , temos:

Temos um espectro continuo:

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod05/m_s01.html

2. Radiação característica: Neste caso temos um espectro característico.

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod05/m_s01.html

Ele surge na interação dos elétrons incidentes e os elétrons na orbita dos átomos do material do alvo. O fóton de raio X é produzido quando surge uma lacuna na camada interna do átomo do alvo, que é preenchida por um elétron da camada externa.

Neste outro vídeo uma animação ilustra os dois processos:

Referências:

[1] http://pt.wikipedia.org/wiki/Raios_X
[2] [1] OKUNO, Emico; CALDAS, Iberê L.; CHOW, Cecil.  Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harbra, 1986

Aplicações das radiações

Radiações são ondas ou partículas que se propagam com uma determinada energia.

Elas podem ser denominadas ionizantes e não ionizantes, dependendo de seu nível de energia.

São não ionizantes as radiações com baixa energia.  Ao interagir com a matéria, não produzem emissão de elétrons de atómos ou moléculas. As ondas eletromagnéticas com energia menor que a da luz visível são exemplos de radiações não ionizantes.

Já as radiações ionizantes, são as que possuem energia suficiente para ionizar átomos e moléculas.


Algumas aplicações: Raio X / Raios gama /Partículas alfa

• Radiografias e gamagrafias: Usa a propriedade de penetração da radiação na matéria para  examinar o interior de materiais e conjuntos lacrados. A radiografia utiliza-se de raios X e a gamagrafia de radiação gama.  Neles o material a ser analisado é colocado entre a fonte de radiação e um filme fotográfico. Uma parte da radiação será absorvida pelo material e o restante irá impressionar o filme fotográfico [1]. É utilizado para inspecionar possíveis rachaduras, como por exemplo em asas e turbinas de aviões. Também na industria do petróleo, para detectar descontinuidade em chapas e tubulações. Na construção do gasoduto Brasil- Bolívia utilizou-se esta técnica [2].

• Estudo de poluição do ar: É feito pelo método PIXE (Particle Induced X-ray Emission). Nele a amostra de ar coletada é irradiada com prótons ou partículas alfa. Quando um material é irradiado com um feixe iônico ocorre uma interação atômica e como consequência, o material emite um fóton característico para cada elemento com comprimento de onda na região do espectro eletromagnético dos Raios-X [3]. Isso irá fornecer informações sobre a qualidade do ar da amostra coletada.

• Datação por carbono:  Leia com mais detalhes em http://ciencia.hsw.uol.com.br/carbono-14.htm

• Radioterapia: A radioterapia é um método capaz de destruir células tumorais, empregando feixe de radiações ionizantes. Uma dose pré-calculada de radiação é aplicada, em um determinado tempo, a um volume de tecido que engloba o tumor, buscando erradicar todas as células tumorais, com o menor dano possível às células normais circunvizinhas, à custa das quais se fará a regeneração da área irradiada [4]. 

• Radiologia diagnóstica: Consiste na utilização de uma feixe de raios X para a produção de imagens em várias tonalidade de cinza numa chapa fotográfica ou numa tela fluoroscópica. Isso é possível pois a absorção de raios X não é a mesma para todos os tecidos [1].

Material online:

• Simulador:  Propriedades das emissões radioativas: poder de penetração

Identificar o poder de penetração das emissões radioativas alfa (a), beta (b) e gama (g). Reconhecer que o poder de penetração de uma partícula está relacionado com sua energia. Estabelecer relação entre o poder de penetração e possíveis danos que as emissões radioativas podem causar nos seres vivos. Identificar possíveis formas de se proteger dos efeitos nocivos das emissões radioativas

• Vídeo: Simulador de Raio-X - Ford Salão do automóvel 2010

Referências:

[1] OKUNO, Emico; CALDAS, Iberê L.; CHOW, Cecil.  Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harbra, 1986

[2] Aplicações da Energia Nuclear  (CNEN) - http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/aplica.pdf

[3] PIXE (Wikipedia) - http://pt.wikipedia.org/wiki/PIXE
[4] INCA - http://www.inca.gov.br/conteudo_view.asp?ID=100

Ondas estacionárias em um microondas

Por que no vídeo se utiliza para os pontos escuros um espaçamento igual a metade do comprimento de onda?

Considere uma corda de comprimento L, sendo em uma extremidade aplicada um frequência f e a outra fixa em um ponto. Se  freqüência for constante, ela irá incidir na extremidade fixa e sofrer reflexão, ocorrendo interferência da onda incidente com a refletida.

Portando, onda estacionária é a superposição de duas ondas em sentidos opostos com mesma frequência, mesmo comprimento de onda,  mesma amplitude e mesma direção.

A distância entre dois nós (N) ou dois ventres (V) consecutivos é igual à metade do comprimento de onda (λ/2)

O maior comprimento de onda possível na corda é de λ = 2L . De forma geral λn = 2L/n com n = 1, 2, 3, ...

Sendo f λ = c, conclui-se que  

Ondas eletromagneticas

Ondas eletromagnéticas são constituídas de campos elétricos e magnéticos oscilantes e se propagam com velocidade constante c no vácuo. Ondas de rádio, ondas luminosas, raios infravermelhos, raios ultravioletas, raios X e raios gama são exemplos de radiações eletromagnéticas [1].

Fonte: http://www.labgis.uerj.br/gis_atualizada/sensoriamento/radiacao.html

As grandezas usadas para caracterização de uma onda eletromagnética são o comprimento de onda ʎ e a frequência f.

A relação ʎf = c é utilizada para onda em geral. Para uma onda eletromagnética c = 3x10^8 m/s

Fonte: http://www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html

O espectro visível constituí  uma pequena parte de todo o espectro da radiação eletromagnética possível, que vai desde as ondas de rádio aos raios gama. A existência de ondas eletromagnéticas foi prevista por James Clerk Maxwell e confirmada experimentalmente por Heinrich Hertz.

Material online:


No simulador do link abaixo você poderá observar a propagação de ondas eletromagnéticas através do espaço. 

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/htmltag.php?code=users.sgeducation.lookang.emwavewee_pkg.emwaveweeApplet.class&name=emwavewee&muid=14019

O site da NASA possui uma seção com material em texto com ótimas ilustrações disponível na própria página e em formato de livro para download. Também conta uma série de vídeos* didáticos sobre o espectro eletromagnético. 

Para acessar clique em http://missionscience.nasa.gov/ems/index.html

*Os vídeos estão em inglês, mas no youtube o usuário willallerbr disponibilizou todos com legenda em português.

Referências:

• [1] OKUNO, Emico; CALDAS, Iberê L.; CHOW, Cecil.  Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harbra, 1986