raios X

Os raios X ou raios X são ondas eletromagnéticas com energias quânticas acima de cerca de 100  eV , correspondendo a comprimentos de onda abaixo de cerca de 10  nm . Os raios X estão no espectro eletromagnético na faixa de energia acima da luz ultravioleta . Da radiação gama ela difere pelo tipo de formação: fótons de radiação gama , por reações nucleares ou decaimento radioativo ocorrem durante a radiação de raios X resultante da mudança na velocidade das partículas carregadas.

Os raios X foram descobertos por Wilhelm Conrad Röntgen em 8 de novembro de 1895 e leva seu nome em países de língua alemã, bem como em quase toda a Europa Central e Oriental. Em outras áreas linguísticas, é freqüentemente referido com a expressão raios X , que foi originalmente usada pelo próprio Röntgen . Os raios X são radiações ionizantes .

DIN EN ISO 7010 W003: Aviso de substâncias radioativas ou radiação ionizante

Classificação no espectro eletromagnético

O espectro de raios-X começa abaixo da radiação ultravioleta extrema em um comprimento de onda de cerca de 10 nm (raios X mais suaves) e se estende até menos de 5 da  tarde ( raios X mais duros ou de alta energia ). As faixas de energia dos raios gama e X se sobrepõem em uma ampla faixa. Ambos os tipos de radiação são eletromagnética radiação e, portanto, têm os mesmos efeitos com a mesma energia.

O espectro de radiação gerado em tubos de raios X (veja abaixo) é uma superposição de um espectro contínuo e um espectro discreto. A posição da intensidade máxima depende da tensão de operação do tubo. O comprimento de onda mínimo pode ser calculado usando a lei de Duane-Hunt . Os fótons de tubos de raios X têm uma energia de cerca de 1 keV a 250 keV, correspondendo a uma frequência de cerca de 0,25 · 10 18  Hz a 60 · 10 18  Hz ( Exa - Hertz ). Na faixa de ondas curtas, não há definição uniforme do comprimento de onda de corte. No entanto, existem limites técnicos para a geração de raios-X de ondas mais curtas.

geração

Geração por elétrons

Diagrama de Feynman da geração de bremsstrahlung (tempo da esquerda para a direita): um elétron é espalhado próximo a um núcleo atômico, perde energia e gera um quantum de raios-X no processo. A proximidade de um núcleo é necessária para receber o momento.
Criação da radiação de raios-X característica: um elétron foi removido da camada K (por exemplo, por um impacto de elétrons), um elétron da camada L cai no orifício na camada K; a diferença de energia é emitida como raios-X.

Os raios X são produzidos por dois processos diferentes:

Ambos os efeitos são explorados no tubo de raios X , no qual os elétrons são primeiro acelerados de um filamento ( cátodo ), eles não liberam nenhum raio X porque a aceleração não é grande o suficiente, e então atingem o ânodo , que é projetado como um bloco de metal , no qual eles são travados fortemente. Isso cria raios-X como bremsstrahlung com um total de cerca de 1% da energia irradiada e calor de cerca de 99%, que é dissipado por dispositivos de resfriamento no ânodo. Além disso, os impactos do elétron expulsam os elétrons das camadas dos átomos de metal. Os buracos nas camadas são preenchidos por outros elétrons, criando raios-X característicos.

Hoje os ânodos são em sua maioria feitos de cerâmica , com os locais onde os elétrons atingem são feitos de metais como molibdênio , cobre ou tungstênio .

Outra fonte de raios X são os aceleradores de partículas cíclicas , especialmente para elétrons em aceleração. Quando o feixe de partículas é desviado em um campo magnético forte e, portanto, acelerado transversalmente em sua direção de propagação, a radiação síncrotron , um tipo de bremsstrahlung, é criada . A radiação síncrotron de um ímã de deflexão contém um amplo espectro eletromagnético até uma energia máxima . Com parâmetros adequadamente escolhidos (força do campo magnético e energia da partícula), os raios X também são representados. Além disso, os sistemas síncrotron também podem gerar raios X monoenergéticos com a ajuda de onduladores , que consistem em arranjos periódicos de ímãs fortes.

O bremsstrahlung de raios-X é inerente ao princípio e geralmente indesejável em vários dispositivos técnicos, como microscópios eletrônicos , dispositivos de soldagem por feixe de elétrons e na faixa de níveis de potência de grandes sistemas de radar , onde tubos de elétrons como o magnetron ou amplitron são usados para gerar altos níveis de radiação não ionizante e também emitir raios X durante a operação. Outras fontes técnicas de importância histórica foram os primeiros receptores de televisão em cores da década de 1960 com tubos de raios catódicos , uma vez que os tubos de imagem em cores requerem tensões anódicas mais altas do que os tubos de raios catódicos monocromáticos.

Geração por prótons ou outros íons positivos

Os raios X característicos também são produzidos quando íons positivos rápidos são desacelerados na matéria. Isso é usado para análise química no caso de emissão de raios-X induzida por partículas ou emissão de raios-X induzida por prótons ( PIXE ). Em altas energias, a seção transversal para geração é proporcional a Z 1 2 Z 2 −4 , onde Z 1 é o número atômico do íon (como um projétil ), Z 2 o do átomo alvo. A mesma publicação também oferece uma visão geral das seções transversais para geração.

Raios-X naturais

Os raios X gerados em outros corpos celestes não atingem a superfície da Terra porque são protegidos pela atmosfera. A astronomia de raios-X examina tais raios-X extraterrestres usando satélites de raios-X como Chandra e XMM-Newton .

Na Terra, os raios X são produzidos com baixa intensidade no decorrer da absorção de outros tipos de radiação, que se originam do decaimento radioativo e da radiação cósmica. Os raios X também são produzidos em flashes e ocorrem junto com flashes de raios gama terrestres . O mecanismo subjacente é a aceleração dos elétrons no campo elétrico de um relâmpago e a subsequente produção de fótons por bremsstrahlung . Isso cria fótons com energias de alguns keV a alguns MeV. A pesquisa está em andamento nos detalhes dos processos nos quais os raios X são gerados em tais campos elétricos.

Interação com a matéria

O índice de refração da matéria para raios-X se desvia apenas ligeiramente de 1. Como resultado, uma única lente de raio-X é apenas fracamente focada ou desfocada e um conjunto de lentes é necessário para um efeito mais forte. Além disso, os raios X dificilmente são refletidos na incidência sem pastoreio. No entanto, foram encontradas maneiras na óptica de raios-X de desenvolver componentes ópticos para raios-X.

Os raios X podem penetrar na matéria. É enfraquecido em diferentes graus dependendo do tipo de tecido. A atenuação dos raios X é o fator mais importante em imagens radiológicas . A intensidade do feixe de raios X leva a lei de Lambert-Beer com a distância no trajecto de material de forma exponencial ( ), o coeficiente de absorção é dependente do material e é aproximadamente proporcional à ( : número ordinal , : comprimento de onda ).

A absorção tem lugar através de foto absorção , dispersão de Compton e, com energias alta de fotões, a formação de pares .

  • Na fotoabsorção, o fóton tira um elétron da camada de elétrons de um átomo. Uma certa energia mínima é necessária para isso, dependendo da camada do elétron . A probabilidade desse processo em função da energia do fóton aumenta abruptamente para um valor alto quando a energia mínima é atingida ( borda de absorção ) e então diminui continuamente novamente com energias de fóton mais altas, até a próxima borda de absorção. O “buraco” na camada do elétron é preenchido novamente por um elétron de uma camada superior. Isso cria radiação fluorescente de baixa energia .
  • Além de elétrons fortemente ligados como na fotoabsorção, um fóton de raios-X também pode ser espalhado por elétrons não ligados ou fracamente ligados. Este processo é chamado de espalhamento Compton . Como resultado do espalhamento, os fótons experimentam um alongamento do comprimento de onda que depende do ângulo de espalhamento por uma quantidade fixa e, portanto, uma perda de energia. Em relação à fotoabsorção, o espalhamento Compton só vem à tona com altas energias de fótons e especialmente com átomos leves.

A fotoabsorção e o espalhamento Compton são processos inelásticos nos quais o fóton perde energia e é eventualmente absorvido. Além disso, o espalhamento elástico ( espalhamento de Thomson , espalhamento de Rayleigh ) também é possível. O fóton espalhado permanece coerente com o incidente e retém sua energia.

  • Nas energias acima , o emparelhamento elétron-pósitron também ocorre. Dependendo do material, é o processo de absorção dominante em torno de 5 MeV.

Efeito biológico

Radiografia da mão esquerda de uma criança de 10 anos com seis dedos ( hexadactilia )

Os raios X são ionizantes . Como resultado, pode causar alterações no organismo vivo e causar danos, incluindo câncer . Portanto, a proteção contra radiação deve ser observada ao lidar com radiação . A não observação desse fato levou, por exemplo, a militares que trabalharam em aparelhos de radar com blindagem inadequada das décadas de 1950 a 1980 , uma vez que os aparelhos também emitiam raios X como subproduto (ver: Danos à saúde causados ​​por sistemas de radar militares ) Há uma declaração correspondente do Conselho Consultivo de Especialistas Médicos sobre “Doenças Ocupacionais” do Ministério Federal do Trabalho e Assuntos Sociais da Alemanha.

A estrutura sensível para o desenvolvimento do câncer é o material genético ( DNA ). Presume-se que o dano aumenta linearmente com a dose, o que significa que mesmo uma dose muito pequena de radiação carrega um risco diferente de zero de causar câncer. Esse risco deve ser pesado em relação às vantagens do diagnóstico médico ou da terapia com raios-X.

prova

  • Efeito de luminescência . Os raios X estimulam certas substâncias a emitir luz ("fluorescência"). Este efeito também é usado em imagens radiológicas. Os filmes de raios-X médicos geralmente contêm um filme fluorescente que emite luz quando um fóton de raios-X o atinge e expõe a foto-emulsão sensível à luz circundante.
  • Efeito fotográfico . Os raios X, como a luz, podem escurecer filmes fotográficos diretamente. Sem um filme fluorescente, é necessária uma intensidade cerca de 10 a 20 vezes maior. A vantagem está na maior nitidez da imagem gravada.
  • Fótons de raios-X individuais são detectados com contadores de cintilação ou contadores Geiger .
  • Em diodos semicondutores ( detectores de semicondutores ), os fótons de raios-X geram pares de elétron-buraco dentro do semicondutor, que são separados na zona de carga espacial. Isso cria uma pequena corrente, a força da qual é proporcional à energia e intensidade dos raios-X incidentes. Os sensores de imagem também são fabricados, por exemplo, como uma alternativa para gravações de filmes de raios-X médicos.

Visibilidade ao olho humano

Ao contrário da crença popular, o olho humano pode perceber parcialmente os raios-X. Pouco depois da descoberta de Röntgen em 1895, Brandes relatou um brilho fraco e cinza-azulado que parecia surgir no próprio olho quando ele estava em uma sala escura perto de um tubo de raios-X. Roentgen então descobriu que também havia observado esse efeito. A princípio pensou que fosse sua imaginação, já que o efeito só era produzido pelo tubo de raios X mais potente e, portanto, só o notara uma vez.

O conhecimento de que os raios X podem ser percebidos a olho nu, adaptados à escuridão, está em grande parte esquecido hoje. A razão para isso é provável que o experimento agora seja considerado desnecessariamente perigoso e prejudicial. O mecanismo exato de percepção não é claro. O caminho normal é possível através da excitação da retina , uma excitação direta do nervo óptico ou, por exemplo, que os raios X causem fosforescência no globo ocular e então a luz "normal" seja percebida.

Em 1919, Julius Edgar Lilienfeld foi o primeiro a descrever uma radiação branco-acinzentada visível ao olho humano no ânodo dos tubos de raios X, a " radiação do campo do lírio " em sua homenagem . Sua origem só poderia ser explicada em anos posteriores como uma forma de radiação de transição .

Formulários

Radiografia de quadril direito, fratura óssea fixada com tiras de chapa perfurada e parafusos escareados de metal, sutura cirúrgica fixada
Espectrógrafo de raios-X usado por William Lawrence Bragg para examinar cristais

O corpo humano pode ser rastreado com raios-X, em que os ossos em particular, mas também órgãos internos com dispositivos modernos, tornam-se visíveis (ver também raio-X ). Isso faz uso do fato de que o elemento cálcio , que ocorre nos ossos, tem um número atômico significativamente maior com Z = 20 do que os elementos que constituem principalmente os tecidos moles, a saber, hidrogênio ( Z = 1), carbono ( Z = 6 ), nitrogênio ( Z = 7) e oxigênio ( Z = 8). Além dos aparelhos convencionais que produzem uma projeção bidimensional , também são utilizados tomógrafos de computador , que permitem uma reconstrução espacial do interior do corpo.

Os raios X também podem ser usados ​​para combater o câncer , visando as células cancerosas que i. A. são mais sensíveis à radiação do que o tecido circundante, danificados pela radiação direcionada no decorrer da terapia de radiação .

Até o desenvolvimento dos primeiros antimicóticos , as infecções fúngicas da pele também eram tratadas com raios X (ver também caso da micose ).

Na física de materiais , química , bioquímica , cristalografia e outras ciências, a difração de raios X é usada para elucidação da estrutura no sentido mais amplo, e. B. para examinar a textura ou para a análise real da estrutura do cristal . Um exemplo bem conhecido é a elucidação da estrutura do DNA . Com a ajuda da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), a composição elementar de uma amostra pode ser examinada. Além disso, o XPS oferece a possibilidade de examinar ligações químicas.

Além disso, a composição elementar de uma substância pode ser determinada com raios-X. A substância a ser analisada é irradiada com elétrons em uma microssonda de feixe de elétrons (ou equivalente em um microscópio eletrônico ), após o que os átomos são ionizados e emitem raios X característicos. Os raios X também podem ser usados ​​no lugar dos elétrons. Em seguida, fala -se de análise de fluorescência de raios-X (XRF).

História de descoberta

Wilhelm Conrad Röntgen, descobridor dos raios que levam seu nome
Selo especial para o 150º aniversário de Röntgen e a descoberta dos raios-X

Wilhelm Conrad Röntgen é considerado o descobridor dos raios que agora levam seu nome no mundo de língua alemã, embora seja certo que outros antes dele produziram raios-X. Nos tubos desenvolvidos por Johann Hittorf e William Crookes , que Röntgen também usou para seus experimentos, são gerados raios X, que foram detectados em experimentos por Crookes e a partir de 1892 por Heinrich Hertz e seu aluno Philipp Lenard escurecendo placas fotográficas, mas sem evidentemente sendo claro sobre a importância da descoberta. Em 1881, Johann Puluj desenvolveu uma lâmpada luminescente, mais tarde conhecida como lâmpada Puluj, que era um protótipo de um tubo de raios-X. Também Nikola Tesla experimentou desde 1887 com tubos de raios catódicos e, assim, gerado raios-X, mas não publicou seus resultados.

A primeira observação de raios X por Wilhelm Conrad Röntgen ocorreu no Instituto de Física da Universidade Julius Maximilians de Würzburg na noite de sexta-feira de 8 de novembro de 1895, quando - como ele mesmo descreveu - "não havia mais espíritos submissos em casa ". Apenas sete semanas depois, em 28 de dezembro de 1895, ele submeteu um artigo para publicação com o título: Sobre um novo tipo de raios . Ele descobriu a radiação quando observou objetos fluorescentes próximos ao tubo durante a operação do tubo de raios catódicos, que começou a brilhar fortemente apesar do tubo estar coberto (com papelão preto). A conquista de Röntgen é ter reconhecido a importância dos raios recém-descobertos desde o início e ter sido o primeiro a investigá-los cientificamente. O raio-x da mão de sua esposa, que ele ilustrou em sua primeira publicação sobre raios-X, certamente contribuiu para a fama de Röntgen. Depois de Röntgen ter enviado seu trabalho Sobre um Novo Tipo de Radiação a colegas e amigos em 1º de janeiro de 1896 , incluindo o físico vienense e diretor do II. Instituto Físico-Químico da Universidade de Viena, Franz Exner , do qual o físico de Praga Lechner a notícia de 4 de janeiro foi publicada em 5 de janeiro no jornal diário vienense Die Presse , editado pelo pai de Lechner. Um funcionário do jornal diário trouxe o artigo à atenção do representante vienense do Daily Chronicle e ele o telegrafou imediatamente para Londres. De Londres, na noite de 6 de janeiro, a notícia da descoberta de Röntgen (ou "Professor Routgens") foi telegrafada em todo o mundo, em 7 de janeiro o London Standard publicou seu relatório sobre a "descoberta fotográfica" e em 8 de janeiro esta mensagem foi publicada na American revistas. Relatórios detalhados também apareceram no Frankfurter Zeitung em 7 e 8 de janeiro. Em 9 de janeiro, uma nota sobre os eventos foi publicada em um jornal de Würzburg (de forma imprecisa e sem o consentimento de Röntgen), que serviu de base para outras notícias de jornal. Em meados de janeiro, vários outros experimentos com tubos de raios catódicos foram relatados nos tablóides e na imprensa especializada. Em março de 1897, Röntgen publicou sua terceira comunicação. Nessa época, a conexão causal entre os raios catódicos e os raios X, bem como a origem dos raios X nas finas folhas de metal Hertz-Lenard do tubo de Lenard, foi comprovada. Röntgen foi homenageado com o primeiro Prêmio Nobel de Física em 1901 , com o Comitê do Prêmio Nobel destacando a importância prática da descoberta.

O nome raios X remonta ao anatomista Albert von Kölliker , que em 23 de janeiro de 1896 sugeriu o nome de "radiação de raios X". A ocasião foi a primeira palestra pública de Röntgen sobre sua descoberta, a convite da Sociedade Físico-Médica de Würzburg, fundada por Kölliker e presidida por Karl Bernhard Lehmann . Em algumas áreas da linguagem, o nome raios-X (por exemplo, raios-X ingleses ), que foi introduzido pelo próprio Röntgen, permaneceu .

Em 26 de março de 1896, a polícia, que solicitou permissão para uma palestra planejada em Viena com "Experimento com raios X", teve dúvidas sobre o uso de raios X. A natureza dos raios X como ondas eletromagnéticas foi comprovada em 1912 por Max von Laue .

tópicos relacionados

literatura

Links da web

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Evidência individual

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