30.4: Raios X - Origens e aplicações atômicas
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Defina o tubo de raio-x e seu espectro.
- Mostre a energia característica do raio-x.
- Especifique o uso de raios X em observações médicas.
- Explique o uso de raios X em tomógrafos em diagnósticos.
Cada tipo de átomo (ou elemento) tem seu próprio espectro eletromagnético característico. Os raios X estão na extremidade de alta frequência do espectro de um átomo e também são característicos do átomo. Nesta seção, exploramos os raios X característicos e algumas de suas aplicações importantes.
Já discutimos anteriormente os raios x como parte do espectro eletromagnético nas energias de fótons e no espectro eletromagnético. Esse módulo ilustrou como um tubo de raios X (um CRT especializado) produz raios X. Os elétrons emitidos por um filamento quente são acelerados com alta voltagem, ganhando energia cinética significativa e atingindo o ânodo.
Existem dois processos pelos quais os raios x são produzidos no ânodo de um tubo de raios-X. Em um processo, a desaceleração dos elétrons produz raios x, e esses raios x são chamados de bremsstrahlung, ou radiação de frenagem. O segundo processo é de natureza atômica e produz raios x característicos, assim chamados porque são característicos do material anódico. O espectro de raios X na Figura é típico do que é produzido por um tubo de raios-X, mostrando uma ampla curva de radiação bremsstrahlung com picos característicos de raios-X.
O espectro na Figura é coletado durante um período de tempo em que muitos elétrons atingem o ânodo, com uma variedade de resultados possíveis para cada golpe. A ampla gama de energias de raios-X na radiação bremsstrahlung indica que a energia de um elétron incidente geralmente não é totalmente convertida em energia de fótons. O raio X de maior energia produzido é aquele para o qual toda a energia do elétron foi convertida em energia de fótons. Assim, a tensão acelerada e a energia máxima de raio-x estão relacionadas pela conservação de energia. A energia potencial elétrica é convertida em energia cinética e depois em energia de fótons, de modo que\(E_{max} = hf_{max} = q_eV\). Unidades de elétron-volts são convenientes. Por exemplo, uma tensão acelerada de 100 kV produz fótons de raios X com uma energia máxima de 100 keV.
Alguns elétrons excitam átomos no ânodo. Parte da energia que eles depositam por colisão com um átomo resulta em um ou mais elétrons internos do átomo sendo lançados em uma órbita superior ou na ionização do átomo. Quando os átomos do ânodo se desexcitam, eles emitem radiação eletromagnética característica. Os mais energéticos são produzidos quando uma vaga na camada interna é preenchida, ou seja, quando um elétron\(n = 1\) ou\(n = 2\) camada é excitado para um nível mais alto e outro elétron cai no local vazio. Um raio X característico (veja Energias de Fótons e Espectro Eletromagnético) é a radiação eletromagnética (EM) emitida por um átomo quando uma vaga na camada interna é preenchida. A figura mostra um diagrama representativo do nível de energia que ilustra a rotulagem dos raios X característicos. Os raios X criados quando um elétron cai em uma vaga de\(n = 1\) camada são chamados\(K_a\) quando vêm do próximo nível superior; ou seja, uma\(n = 1\) transição\(n = 2\) para. Os rótulos\(K, \, L, \, M, . . . \) vêm da antiga rotulagem alfabética de conchas, começando com,\(K\) em vez de usar os principais números quânticos 1, 2, 3,... Um raio\(K_{\beta}\) X mais energético é produzido quando um elétron cai em uma\(n = 1\) camada vazia da\(n = 3\) camada; ou seja, uma\(n = 1\) transição\(n = 3\) para a camada. Da mesma forma, quando um elétron cai na\(n = 2\) camada a partir da\(n = 3\) camada, um raio\(L_{\alpha}\) X é criado. As energias desses raios x dependem das energias dos estados dos elétrons no átomo específico e, portanto, são características desse elemento: cada elemento tem seu próprio conjunto de energias de raios-x. Essa propriedade pode ser usada para identificar elementos, por exemplo, para encontrar traços (pequenos) de um elemento em uma amostra ambiental ou biológica.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): Characteristic X-Ray Energy
Calcule a energia aproximada de um\(K_{\alpha}\)
raio X de um ânodo de tungstênio em um tubo de raio-x.
Estratégia
Como calculamos as energias em um átomo de múltiplos elétrons? No caso de raios x característicos, o cálculo aproximado a seguir é razoável. Os raios X característicos são produzidos quando uma vaga na camada interna é preenchida. Os elétrons da camada interna estão mais próximos do núcleo do que outros em um átomo e, portanto, sentem pouco efeito líquido dos outros. Isso é semelhante ao que acontece dentro de um condutor carregado, onde seu excesso de carga é distribuído pela superfície para que ele não produza nenhum campo elétrico interno. É razoável supor que os elétrons da camada interna tenham energias semelhantes às do hidrogênio, conforme dado por\(E_n = -\frac{Z^2}{n^2} E_0 (n = 1, \, 2, \, 3, . . .)\). Conforme observado, um raio\(K_a\) X é produzido por uma\(n = 1\) transição\(n = 2\) para. Como há dois elétrons em uma\(K\) camada preenchida, uma vaga deixaria um elétron, de modo que a carga efetiva seria\(Z - 1\) em vez de\(Z\). Para tungstênio,\(Z = 74\), de modo que a carga efetiva seja 73.
Solução
\(E_n = - \frac{Z^2}{n^2}E_0(n = 1, \, 2, \, 3, . . .)\)fornece as energias orbitais para que os átomos semelhantes a hidrogênio estejam\(E_n = -(Z^2/n^2)E_0\), onde\(E_0 = 13.6 \, eV\). Conforme observado, o efetivo\(Z\) é 73. Agora, a energia dos\(K_{\alpha}\) raios X é dada por\[E_{K_{\alpha}} = \Delta E = E_i - E_f = E_2 - E_1,\] onde\[E_1 = -\dfrac{Z^2}{1^2}E_0 = - \dfrac{73^2}{1} \left(13.6 \, eV\right) = - 72.5 \, keV\] e\[E_2 = - \dfrac{Z^2}{2^2} E_0 = - \dfrac{73^2}{4}\left(13.6 \, eV\right) = -18.1 \, keV.\] assim,\[E_{K_{\alpha}} = -18.1 \, keV - (- 72.5 \, keV) = 54.4 \, keV.\]
Discussão
Essa grande energia de fótons é típica dos raios X característicos de elementos pesados. É grande em comparação com outras emissões atômicas porque é produzido quando uma vaga na camada interna é preenchida e os elétrons da camada interna estão fortemente ligados. As energias características dos raios X se tornam progressivamente maiores para elementos mais pesados porque sua energia aumenta aproximadamente como\(Z^2\). É necessária uma tensão acelerada significativa para criar essas vagas internas. No caso do tungstênio, pelo menos 72,5 kV são necessários, porque outras camadas são preenchidas e você não pode simplesmente colocar um elétron em uma camada mais alta. O tungstênio é um material anódico comum em tubos de raios-X; tanto da energia dos elétrons impactantes é absorvida, aumentando sua temperatura, que é necessário um material de alto ponto de fusão, como o tungstênio.
Usos médicos e outros usos diagnósticos de raios-X
Todos nós podemos identificar os usos diagnósticos dos fótons de raio-x. Entre elas estão as radiografias odontológicas e médicas universais, que se tornaram uma parte essencial do diagnóstico médico. (Veja a Figura e a Figura.) Os raios X também são usados para inspecionar nossa bagagem nos aeroportos, conforme mostrado na Figura, e para detectar precocemente rachaduras em componentes cruciais da aeronave. Um raio X não é apenas um substantivo que significa fóton de alta energia, mas também é uma imagem produzida por raios x e foi transformada em um verbo familiar - ser radiografado.
As imagens de raio-x mais comuns são sombras simples. Como os fótons de raio-x têm altas energias, eles penetram em materiais que são opacos à luz visível. Quanto mais energia um fóton de raio-x tiver, mais material ele penetrará. Portanto, um tubo de raio-x pode ser operado a 50,0 kV para uma radiografia de tórax, enquanto pode ser necessário operar a 100 kV para examinar uma perna quebrada engessada. A profundidade de penetração está relacionada à densidade do material e à energia do fóton. Quanto mais denso o material, menos fótons de raio-x passam e mais escura é a sombra. Assim, os raios X se destacam na detecção de quebras nos ossos e na obtenção de imagens de outras estruturas fisiológicas, como alguns tumores, que diferem em densidade do material circundante. Por causa de sua alta energia de fótons, os raios X produzem ionização significativa nos materiais e danificam as células dos organismos biológicos. Os usos modernos minimizam a exposição ao paciente e eliminam a exposição a outras pessoas. Os efeitos biológicos dos raios X serão explorados no próximo capítulo junto com outros tipos de radiação ionizante, como as produzidas pelos núcleos.
À medida que a energia dos raios X aumenta, o efeito Compton (veja Photon Momentum) se torna mais importante na atenuação dos raios X. Aqui, o raio X se espalha de uma camada externa de elétrons do átomo, dando ao elétron ejetado alguma energia cinética enquanto perde energia em si. A probabilidade de atenuação dos raios x depende do número de elétrons presentes (a densidade do material), bem como da espessura do material. A composição química do meio, caracterizada por seu número atômico\(Z\), não é importante aqui. Os raios X de baixa energia fornecem melhor contraste (imagens mais nítidas). No entanto, devido à maior atenuação e menor dispersão, eles são mais absorvidos por materiais mais espessos. Um maior contraste pode ser obtido injetando uma substância com um grande número atômico, como bário ou iodo. A estrutura da parte do corpo que contém a substância (por exemplo, o trato gastrointestinal ou o abdome) pode ser facilmente vista dessa maneira.
O câncer de mama é a segunda principal causa de morte entre mulheres em todo o mundo. A detecção precoce pode ser muito eficaz, daí a importância do diagnóstico por raio-x. Uma mamografia não pode diagnosticar um tumor maligno, apenas fornece evidências de um nódulo ou região de maior densidade dentro da mama. A absorção de raios-X por diferentes tipos de tecidos moles é muito semelhante, então o contraste é difícil; isso é especialmente verdadeiro para mulheres mais jovens, que geralmente têm seios mais densos. Para mulheres mais velhas que correm maior risco de desenvolver câncer de mama, a presença de mais gordura na mama confere mais contraste ao nódulo ou tumor. A ressonância magnética (Ressonância Magnética) foi usada recentemente como suplemento aos raios X convencionais para melhorar a detecção e eliminar falsos positivos. A dose de radiação dos raios X do sujeito será tratada em um capítulo posterior.
Um raio X padrão fornece apenas uma visão bidimensional do objeto. Ossos densos podem ocultar imagens de tecidos moles ou órgãos. Se você pegasse outro raio-x do lado da pessoa (o primeiro sendo de frente), obteria informações adicionais. Embora imagens de sombra sejam suficientes em muitas aplicações, imagens muito mais sofisticadas podem ser produzidas com tecnologia moderna. A figura mostra o uso de um scanner de tomografia computadorizada (TC), também chamado de scanner de tomografia axial computadorizada (CAT). Os raios X passam por uma seção estreita (chamada de fatia) do corpo (ou parte do corpo) do paciente em várias direções. Uma série de muitos detectores do outro lado do paciente registra os raios X. O sistema é então girado em torno do paciente e outra imagem é tirada, e assim por diante. O tubo de raios X e o conjunto de detectores são conectados mecanicamente e, portanto, giram juntos. O processamento complexo de imagens computacionais da absorção relativa dos raios X em diferentes direções produz uma imagem altamente detalhada. Fatias diferentes são retiradas à medida que o paciente se move pelo scanner em uma mesa. Várias imagens de diferentes fatias também podem ser analisadas por computador para produzir informações tridimensionais, às vezes aprimorando tipos específicos de tecido, conforme mostrado na Figura. G. Hounsfield (Reino Unido) e A. Cormack (EUA) ganharam o Prêmio Nobel de Medicina em 1979 pelo desenvolvimento da tomografia computadorizada.
Difração de raios X e cristalografia
Como os fótons de raio-x são muito energéticos, eles têm comprimentos de onda relativamente curtos. Por exemplo, o raio\(K_{\alpha}\) X de 54,4 keV do Example tem um comprimento de onda\(\lambda = hc/E = 0.0228 \, nm\). Assim, os fótons típicos de raios-X agem como raios quando encontram objetos macroscópicos, como dentes, e produzem sombras nítidas; no entanto, como os átomos têm tamanho da ordem de 0,1 nm, os raios X podem ser usados para detectar a localização, a forma e o tamanho dos átomos e moléculas. O processo é chamado de difração de raios-x, porque envolve a difração e a interferência dos raios x para produzir padrões que podem ser analisados em busca de informações sobre as estruturas que dispersaram os raios X. Talvez o exemplo mais famoso de difração de raios-X seja a descoberta da estrutura de dupla hélice do DNA em 1953 por uma equipe internacional de cientistas trabalhando no Laboratório Cavendish — o americano James Watson, o inglês Francis Crick e o neozelandês Maurice Wilkins. Usando dados de difração de raios X produzidos por Rosalind Franklin, eles foram os primeiros a discernir a estrutura do DNA que é tão crucial para a vida. Por isso, Watson, Crick e Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1962. Há muito debate e controvérsia sobre a questão de Rosalind Franklin não ter sido incluída no prêmio.
A figura mostra um padrão de difração produzido pela dispersão dos raios X de um cristal. Esse processo é conhecido como cristalografia de raios-X por causa das informações que ele pode fornecer sobre a estrutura cristalina, e foi o tipo de dados que Rosalind Franklin forneceu para Watson e Crick para DNA. Os raios X não apenas confirmam o tamanho e a forma dos átomos, mas também fornecem informações sobre os arranjos atômicos dos materiais. Por exemplo, a pesquisa atual em supercondutores de alta temperatura envolve materiais complexos cujos arranjos de rede são cruciais para a obtenção de um material supercondutor. Eles podem ser estudados usando cristalografia de raios-X.
Historicamente, a dispersão dos raios X dos cristais foi usada para provar que os raios X são ondas EM energéticas. Suspeitava-se disso na época da descoberta dos raios X em 1895, mas foi somente em 1912 que o alemão Max von Laue (1879-1960) convenceu dois de seus colegas a dispersar os raios X dos cristais. Se um padrão de difração for obtido, ele raciocinou, então os raios x devem ser ondas e seu comprimento de onda poderia ser determinado. (O espaçamento dos átomos em vários cristais era razoavelmente conhecido na época, com base em bons valores para o número de Avogadro.) Os experimentos foram convincentes e o Prêmio Nobel de Física de 1914 foi dado a von Laue por sua sugestão que levou à prova de que os raios X são ondas EM. Em 1915, a equipe única de pai e filho de Sir William Henry Bragg e seu filho Sir William Lawrence Bragg recebeu um Prêmio Nobel conjunto pela invenção do espectrômetro de raios-X e da então nova ciência da análise de raios-X. O ancião Bragg havia migrado da Inglaterra para a Austrália logo após se formar em matemática. Ele aprendeu física e química durante sua carreira na Universidade de Adelaide. O jovem Bragg nasceu em Adelaide, mas voltou para os Laboratórios Cavendish, na Inglaterra, para fazer carreira em cristalografia de raios-X e nêutrons; ele apoiou Watson, Crick e Wilkins por seu trabalho em desvendar os mistérios do DNA e a Max Perutz por seu trabalho ganhador do Prêmio Nobel de 1962 sobre o estrutura da hemoglobina. Aqui, novamente, testemunhamos a natureza capacitadora da física — estabelecendo instrumentos e projetando experimentos, bem como resolvendo mistérios nas ciências biomédicas.
Alguns outros usos dos raios X serão estudados em capítulos posteriores. Os raios X são úteis no tratamento do câncer devido ao efeito inibidor que têm na reprodução celular. Os raios X observados vindos do espaço sideral são úteis para determinar a natureza de suas fontes, como estrelas de nêutrons e possivelmente buracos negros. Criados em explosões de bombas nucleares, os raios X também podem ser usados para detectar testes atmosféricos clandestinos dessas armas. Os raios X podem causar excitações de átomos, que então fluorescem (emitindo radiação EM característica), tornando a fluorescência induzida por raios X uma ferramenta analítica valiosa em uma variedade de campos, da arte à arqueologia.
Resumo
- Os raios X são radiação EM de frequência relativamente alta. Eles são produzidos por transições entre os níveis de elétrons da camada interna, que produzem raios x característicos do elemento atômico, ou pela aceleração de elétrons.
- Os raios X têm muitos usos, incluindo diagnósticos médicos e difração de raios-X.
Glossário
- raios x
- uma forma de radiação eletromagnética
- difração de raios-x
- uma técnica que fornece informações detalhadas sobre a estrutura cristalográfica de materiais naturais e manufaturados