Capitulo 5 - Raios-X

Produção de Raios X

Os raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895, quando o físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen realizava experimentos com os raios catódicos. A história é apresentada no texto A Descoberta dos Raios X. Neste capítulo trataremos dos conceitos básicos envolvidos com a produção e alguns tipos de aplicações dos raios X na física e na ciência dos materiais. Não trataremos da primeira e mais importante aplicação, qual seja a obtenção de radiografias com os raios X. Apenas como uma ilustração, vejamos a animação abaixo. Com o mouse, desloque o quadrado para diferentes posições da mão e veja exemplos de radiografia.

Raios X podem ser produzidos quando elétrons são acelerados em direção a um alvo metálico.

O choque do feixe de elétrons (que saem do catodo com energia de dezenas de KeV) com o anodo (alvo) produz dois tipos de raios X. Um deles constitui o espectro contínuo, e resulta da desaceleração do elétron durante a penetração no anodo. O outro tipo é o raio X característico do material do anodo. Assim, cada espectro de raios X é a superposição de um espectro contínuo e de uma série de linhas espectrais características do anodo.

Vejamos alguns espectros contínuos obtidos com um anodo de tungstênio (figura extraída de http://www.tulane.edu/~sanelson/geol211/x-ray.htm). Os potenciais usados para acelerar o feixe de elétrons são indicados ao lado da curva correspondente.

O espectro contínuo é simplesmente uma curva de contagens por segundo, versus comprimento de onda do raio X, ou seja Intensidade versus l. Observe que todas as curvas têm em comum o fato de que há um comprimento de onda mínimo, abaixo do qual não se observa qualquer raio X. O curioso é que este valor não depende do material do anodo.

Para entender este fenômeno, lembre-se do capítulo sobre o efeito fotoelétrico. Conforme foi proposto por Einstein, um fóton de radiação, com freqüência f, transporta uma energia hf=hc/l, onde l é o comprimento de onda da radiação. Portanto, o raio X emitido deverá ter energia máxima igual à energia do elétron incidente. Ou seja, o espectro contínuo é limitado pelo comprimento de onda associado à energia máxima do elétron.

A partir das relações

Substituindo-se o alvo de tungstênio (Z=74) por um de molibdênio (Z=42), e mantendo-se as outras condições experimentais constantes, obtém-se o resultado ilustrado na abaixo (extraída de Tipler, Cap. 3).

Observe que as principais diferenças entre essas figuras são os picos existentes na última, em torno de 0.6 Å e 0.7 Å. Tendo em conta que a única diferença entre uma medida e outra foi a substituição do alvo, é razoável admitir que os picos são devidos ao anodo de molibdênio. Estes picos constituem o espectro de raios X característico do molibdênio.

Agora, baseados no modelo de Bohr podemos entender como são gerados os raios característicos, e por quê o espectro obtido com o tungstênio apresenta apenas espectro contínuo.

Quando o elétron proveniente do catodo incide no anodo, ele pode expulsar um elétron orbital. A órbita de onde o elétron será expulso, depende da energia do elétron incidente e dos níveis de energia do átomo do anodo. A lacuna deixada por este elétron será preenchida por um elétron mais externo. Neste processo, a radiação X será emitida, com freqüência dada pela eq. (4.14).