Introdução

Em 1895, enquanto Rötgen trabalhava com os seus tubos de descarga,
verificou que as placas fotográficas junto dos tubos com os quais
trabalhava ficaram emulcionados apesar de não terem sido expostos à luz
solar.

Assim ele dicidiu que este efeito deveu-se à emissão de alguma forma de
radiação electromagnética proveniente dos tubos de descarga, e baptizouos com o nome de Raios – X, ou seja raios decohecidos, dado que não
sabia qual era a sua origem. 

Objectivos

Ao concluir esta unidade você será capaz de:

• Identificar as características de uma oscilação mecânica.
• Identificar as grandezas físicas que caracterizam uma oscilação mecânica.
• Determinar as grandezas físicas que caracterizam uma oscilação mecânica. 

Raios –x ou Röntgen 

Rötgen deduziu que estes raios eram de natureza electromagnética e
verificou que os raos-x eram produzidos quando um feixe de electrões
chocasse com um alvo metálico. Röntegen também pode verificar quanto
maior é a energia dos electrões, maior é a frequência dos raios-x.
Conclusivamente podemos então afirmar que:

Os raios-x são de natureza electromagnética e que são produzidos quando
um feixe de electrões choca com um alvo metálico. A frequência dos
raios-x é tanto maior quanto maior for a energia dos electrões que
chocam com o alvo metálico. 

Raios catódicos suas propriedades

Raios catódicos, são um feixe de electrões que se propagam em linha
recta e altamente energéticos devido a sua elevada energia cinética, pois
viajam à velocidades muito próximas a da luz (cerca de 300.000 km/s).

As principais propriedades e aplicaçõesdos raios catódicos são:  

• Movem-se em linha recta.
• Provocam fluorescência em algumas substâncias.
• Eles possuem energia cinética devido a sua velocidade.
• Eles sofrem deflecção em campos electricos e campos magnéticos.
• Eles podem produzir Raios – X no choque com matéria.
• São usados nos microscópios electrónicos, nos aparelhos de televisão, nos osciloscópios, etc. 

O tubo de raios – x

A figura mostra esquematicamente um tubo de raios – x moderno. Neste
caso, usa-se a emissão termoelectrónica, ou seja, emitem-se os electrões
do cátodo através de energia calorífica. Assim, o cátodo é aquecido
através da resistência de aquecimento o que vai excitar os electrões livres
do cátodo. Devido a existência de um campo eléctrico entre o cátodo e o
ânodo e daí uma diferença de potencial (d.d.p.), os electrões vão se mover
do cátodo para o ânodo formando os raios catódicos. Chegados ao ânodo,
os electrões chocam com o alvo metálico cedendo a sua energia cinética
aos electrões dos átomos do material que constitui o alvo. Por sua vez, os
electrões do alvo metálico emitem a energia absorvida na forma de raios
– x. 

Quando os electrões (raios catódicos) são acelerados por uma d.d.p. da
ordem dos 20 kV, o tubo produz raios – x de grande com primento de onda, ou seja de pequena frequência, os chamados raios – x “moles”. Mas
se os raios catódicos forem acelerados por uma voltagem da ordem dos
100 kV, os raios – x produzidos serão de pequeno comprimento de onda,
ou seja, de grande frequência, os chamados raios- x duros. Por isso,
quanto maior é a d.d.p. entre o cátodo e o ânodo, maior é a frequência dos
raios-x e maior é a sua dureza e quanto maior é o comprimento de onda
dos raios –x menor é a sua dureza, porque a frequência é inversamente
proporcional ao comprimento de onda.

A intensidade dos raios –x depende do número de electrões que choca
com o alvo metálico na unidade de tempo. Isto é controlado pela
intensidade da corrente que atravessa a resistência de aquecimento. O
poder de penetração dos raios –x depende da voltagem ou d.d.p. entre o
cátodo e o ânodo. Assim podemos concluir que:

• A frequência dos raios – x é directamente proporcional à d.d.p. entre o cátodo e o ânodo.
• O comprimento de onda é inversamente proporcional à d.d.p. entre o cátodo e o ânodo.
• Quanto maior é a frequência dos raios –x maior é a sua dureza.
• A intensidade dos raios –x depende do número de electrões que choca com o alvo metálico na unidade de tempo.
• O poder de penetração dos raios –x depende da voltagem ou d.d.p. entre o cátodo e o ânodo. 

Já dissemos que durante a colisão dos raios catódicos com o alvo
metátlico eles cedem a sua energia cinética aos electrões do alvo
metálico. Porém, apenas uma pequena parte desta energia (menos de 0,05
%) é convertida em energia dos raios –x. O resto é convertido em energia
térmica. Por isso, para evitar a destruição do ânodo por
sobreaquecimento, usa-se um líquido refrigerante que pode ser água ou
óleo, para arrefecer o ânodo. 

Aplicações dos raios – x

Os raios-x foram usados menos de três meses após a sua descoberta por
Röntgen. As principais aplicações nos nossos dias cobrem uma vasta área
das ciências que vão desde a arte, passando pela engenharia até a
medicina Na arte os raios – x são usados na detecção de imagens ocultas
em pinturas antigas. Na engenharia os raios – x têm a sua aplicação no
exame de metais, na procura de defeitos de frabrico. Na medicinas os
raios –x podem ser usados como meio de diagnóstico e de terapia. Como
meio de diagnóstico, os raos – x podem ser usados na detecção de ossos
partidos, investigação de desordens respiratórias ou digestivas. No caso
de investigação de desordens digestivas o paciente deverá ingerir bário ou
iodo para os raios-x possam ser absorvidos pelas paredes do estômago. 

Como meio de terapia os raios –x são usados no tratamento de cânceres
(câncuros) malignos.

Durante o uso dos raios – x na medicina, é muito importante controlar a
dosagem (a frequêcia) que deve ser usada para cada tipo de diagnóstico
ou terapia, porque os raios – x podem causa a destruição de tecidos vivos.
Por isso, não é conveniente que um paciente esteja constantemente
exposto aos raios –x, daí que não seja conveniente fazer duas radiografias
da mesma parte do corpo ( do tórax por exemplo) num intervalo de tempo
inferior a seis meses. Resumindo podemos afirmar que os raio – x têm
larga aplicação:

• Na arte, para a detecção de imagens ocultas em pinturas antigas.
• Na engenharia, para o exame de metais, na procura de defeitos de frabrico.
• Na medicina, como meio de diagnóstico (detecção de ossos partidos, investigação de desordens respiratórias ou digestivas) e como terêutico (no tratamento de cânceres malignos). 

Transformações de energia no tubo dos raios – x

Já vimos que os raios-x são produzidos quando um feixe de electrões
choca com um alvo metálico. Vimos também que os electrões são
acelerados por um campo eléctrico existente entre o cátodo e o ânodo.
Durante todos estes processoes há transformações de energia, pois na
natureza a energia não se cria nem se distrói, apenas transforma-se – Lei
de Conservação de energia. Deste modo, os electrões ao sairem do cátodo
possuem energia potencial eléctrica. Durante o sue movimento em
direcção ao ânodo, a energia potencial eléctric aé transformada em
cinética. Durrante a colisão dos electrões com o ânodo, a sua energia
cinética é transformada em energia das ondas electromagnéticas que é
constituida pelos raios-x. 

Assim, podemos escrever:

Assim, na produção dos raios –x , tendo em conta as transformações de
energia, são válidas as seguintes igualdades: 

Onde:

A frequência dos raios-x produzidos é máxima, pois como vimos
anteriormente, apenas uma pequena parte (menos de 0,05%) da energia
cinéticas dos electrões ou raios catódicos é transformada em energia dos
raios-x produzidos no tubo. O comprimento de onda é mínimo pois este é
inversamente proporcional a sua frequência. 

Propriedades dos Raios – x

Os raios-x têm as seguintes propriedades:

• Propagam-se em linha recta,
• atravessam a matéria práticamente sem se alterarem,
• provocam fluorescência quando incidem sobre certas substâncias especialmente em sais,
• emulcionam chapas fotográficas,
• não sofrem refracção,
• não sofrem deflecção em campos eléctricos e magnéticos,
• provocam descarga eléctrica sobre corpos electrizados, 
• provocam o efeito fotoeléctrico,
• são produzidos quando um feixe raios catódicos incide sobre os núcleos de um alvo metálico

Lei de Moseley

Em 1954 Moseley propôs uma lei na qual mostrava que a frequência dos
raios-x estava relacionada com o número atómico “Z” dos átomos do
material que constitui o alvo metálico. Assim,
A lei de Moseley estabelece que a frequência dos raios-x é directamente
proporcioanl ao quadrado do número atómico dos átomos que
constituem o alvo metálico. (f ~Z^2 ).

Mas como  f ~ Z^2 isso significa que f ~ Z (tirando a raiz quadrada
de ambos os membros. Assim, como consequência da Lei de Moseley,
podemos afirmar que a raíz quadrada da frequência dos raios-x é
directamente proporcional ao número atómico dos átomos da substância
que contitui o alvo metálico.

O electrões que pasam para o nível K no átomo do alvo metálico
provenientes de qualquer nível excitado (L, M, N, etc), produzem os
raios-x numa série de comprimentos de onda semelhante a um espectro
óptico, que ficou conhecido com série K. Assim se distinguem as séries
Kα, Kβ, etc. Quando a transição ocorre para o nível L, então obtem-se a
série – L, e assim sucessivamente. Mas como os raios-x são produzidos
pelas transições que ocorrem apenas nas camadas internas (K e L) dos
átomos que constituem o alvo metálico, normalmente só se distiguem as
séries K e L.

A Tabela 1 seguinte apresenta o comprimento de onda das linhas Kα de
alguns elementos da tabela periódica, quando usados como alvo metálico
na produção de raios-x.