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Como Funciona o Raio X (ART1807)

Neste artigo explicamos o a princípio de funcionamento dos aparelhos de raio X que são usados na medicina, na indústria, em equipamentos de segurança e em muitas outras aplicações práticas. De que modo uma radiação pode penetrar em nosso corpo e revelar o que há no seu interior é assunto do deste "Como Funciona" apresentado em nosso site.

 

Como pode uma radiação atravessar corpos materiais espessos e revelar o que há do outro lado ou mesmo no interior?

Certamente esta é a curiosidade que muitos leitores manifestam, logo imaginando coisas que nem sempre são possíveis, como aparelhos para ver através de paredes" ou para revelar a presença de pessoas e objetos escondidos.

Entender o que é o raio X e como funcionam os equipamentos que o

usem vai ajudar o leitor a entender também o que é possível e o que não

é possível para fazer esta radiação penetrante.

Explicamos neste artigo de maneira bastante simples o que são

os raios X, como são produzidos e como são usados.

 

O que são os Raios-X

Cargas elétricas em movimento oscilatório produzem ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço à velocidade e 300 mil quilômetros por segundo.

Dependendo da freqüência, ou seja, do número de oscilações que a carga ou cargas que produzem a radiação tem, as ondas terão propriedades e, portanto, usos diferentes.

Para as freqüências mais baixas temos as ondas de rádio.

Nas freqüências um pouco mais elevadas temos a radiação infravermelha e

aumentando um pouco mais esta freqüência chegamos a um tipo de radiação que podemos ver, ou seja, a luz visível.

Acima da luz visível temos a radiação ultravioleta, conforme mostra a figura 1 onde representamos o espectro eletromagnético, ou seja, o conjunto de todas as freqüências que podem ser produzidas.

 

Figura 1 – O espectro eletromagnético
Figura 1 – O espectro eletromagnético

 

 

A medida que aumenta a freqüência da radiação diminui o comprimento de onda, de tal forma que chegando a luz visível já temos radiações com comprimentos de ondas tão curtos que são medidos em frações de milímetros ou angstroms.

Um angstrom (A) equivale a 10-10 metro, o que sem dúvida representa algo muito pequeno.

Observe que acima dos raios ultravioletas encontramos uma espécie de radiação cujo comprimento de onda varia entre alguns angstroms a menos de 1 angstrom.

As ondas eletromagnéticas podem contornar objetos cujos comprimentos ou dimensões sejam menores que ela.

Urna onda de 300 metros como a de urna estação de rádio de ondas médias (operando em 1 MHz) pode facilmente contornar objetos como casas, carros e mesmo morros e chegar a um rádio do outro lado (figura 2).

 

Figura 2 – Ondas longas contornam grandes obstáculos
Figura 2 – Ondas longas contornam grandes obstáculos

 

 

Por outro lado, ondas de comprimento muito pequeno como as de

radar e de luz não conseguem passar por objetos, mesmo pequenos e são refletidas (figura 3).

 

 

   Figura 3 – Ondas curtas refletem em objetos
Figura 3 – Ondas curtas refletem em objetos

 

 

E por este motivo que não podemos ver através de nosso corpo, de objetos comuns (de determinados tipos), da parede, etc. As ondas de luz

não conseguem atravessar estes obstáculos;

E claro que existem objetos em que a disposição dos átomos forma uma rede cristalina ou ainda um espaçamento que permite a passagem das ondas, o que nos leva aos objetos transparentes como o vidro, a água, o próprio ar, etc. (figura 4).

 

 

Figura 4 – Objetos transparentes
Figura 4 – Objetos transparentes

 

 

Em materiais densos como o ferro, a terra, a madeira não há espaço para que as ondas de luz passem e estes objetos são opacos.

Existem materiais em que os raios podem passar sem problemas, não sofrendo desvio de trajetória, como o vidro transparente.

Podemos então "ver" do outro lado uma imagem sem nenhuma distorção.

Por outro lado, os materiais em que os raios de luz passam, mas sofrendo algum desvio de trajetória, vemos luz, mas não a imagem do que está do outro lado.

Isso ocorre com o vidro leitoso em que vemos apenas o “vulto" do outro lado, mas não uma imagem clara, conforme mostra a figura 5.

 

   Figura 5 – Materiais translúcidos como o vidro leitoso
Figura 5 – Materiais translúcidos como o vidro leitoso

 

 

No caso dos raios X o comprimento de onda é tão pequeno que uma boa parte pode passar por entre os átomos de quase qualquer material.

Apenas no núcleo estes raios podem sofrer desvios mas como estas partes são muito pequenas em relação ao átomo no todo, não há muita influência, a não ser em alguns casos que veremos.

A figura 6 mostra o que ocorre.

 

   Figura 6 – Os raios X podem passar por entre os átomos
Figura 6 – Os raios X podem passar por entre os átomos

 

 

Resumindo, os raios X têm a mesma natureza da luz comum, ultravioleta e infravermelho.

Como possuem comprimentos de onda muito pequeno podem passar por

entre os átomos e um corpo.

 

Produzindo Raios X

A descoberta dos raios X foi quase acidental.

No dia 8 de novembro de 1895, W.K.Rontgen, um cientista alemão, fazia

experiências com o tubo de Crookes, tendo coberto o dispositivo com um

pedaço de cartão preto.

O tubo de Crookes, conforme mostra a figura 7, consistia no antecessor do tubo de raios catódicos, empregado durante bom tempo como Cinescópio em televisão.

 

   Figura 7 – O tubo de Crookes
Figura 7 – O tubo de Crookes

 

 

O Este tubo constava de um bulbo de vidro no qual era feito o vácuo. No seu interior havia um filamento que aquecido e ligado ao negativo de uma bateria emitia elétrons em direção a um segundo elemento denominado anodo.

O filamento que funcionava como um catodo produzia então um fluxo de elétrons que passou a ser denominado de raios catódicos, por seu descobridor, Sir William Crookes.

Mas, o que Rontgen notou na sua experiência é que um pedaço de material fluorescente colocado nas proximidades do tubo, se iluminava com sua ligação, mesmo estando distante e havendo o cartão para envolver o tubo, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8 – A descoberta dos raios X
Figura 8 – A descoberta dos raios X

 

 

Alguma espécie de radiação misteriosa conseguia emanar do tubo, passar pelo cartão e incidir no material fluorescente fazendo-o brilhar.

Muito apropriadamente, por desconhecer a natureza da radiação Rontgen chamou-a de Raio-X.

Hoje sabemos que se trata de ondas eletromagnéticas de reduzidíssimo comprimento de onda e por isso muito penetrantes, que são produzidas quando elétrons emitidos pelo catodo dos tubos incidem no anodo.

Os tubos modernos de raios X operam com tensões elevadíssimas da ordem de 100 000 V, que aceleram elétrons de tal forma que ao incidirem num eletrodo carregado positivamente liberam a radiação, conforme vemos na figura 9.

 

   Figura 9 – Um tubo de raios X
Figura 9 – Um tubo de raios X

 

 

AS PROPRIEDADES

No início, assim como no caso da radiação nuclear, não se suspeitava

dos perigos do raio X, levando-se em conta apenas seus benefícios.

Os raios X podiam atravessar o corpo humano, mas eram levemente bloqueados pelos ossos que então apareciam na forma de sombras e isso levou a medicina a um uso muito intenso desta radiação.

Os aparelhos de raio X nada mais são do que emissores desta radiação que são apontados para uma tela fluorescente ou então uma chapa fotográfica.

O paciente era então colocado entre os dois de modo que os raios pudessem atravessá-lo e com isso excitar ou a tela ou a foto, como mostra a figura 10.

 

   Figura 10 – A radiografia
Figura 10 – A radiografia

 

 

Para vermos através de um objeto, este deve ser intercalado entre a fonte e o sensor, o que mostra ao leitor capaz de deduzir facilmente as coisas, que não é tão simples fazer algum dispositivo baseado nesta forma de radiação capaz de "ver através de paredes".

No entanto, ao atravessar o corpo vivo, os raios X, pela sua alta energia também produzem alguns efeitos indesejáveis.

Células de nosso corpo são mortas, e algumas de partes em que normalmente não ocorre a reposição pelo organismo.

Isso significa que os efeitos da radiação se acumulam com o tempo e o dano ao organismo é irreparável.

Dizemos que ,se trata de um efeito cumulativo.

E por esse motivo que a quantidade de chapas de Raios X que uma

pessoa pode tirar deve ser limitada a um valor mínimo, e a própria intensidade de radiação precisa ser rigorosamente controlada.

Os próprios profissionais de Raios X devem ter muito cuidado na operação do equipamento, e tirar férias prolongadas para uma “recuperação" das células que são destruídas.

Hoje em dia, equipamentos com baixas energias e menos perigosos são usados nestes trabalho, minimizando os perigos ao paciente e ao operador.

Mesmo as grossas proteções de chumbo, ou os aventais de chumbo

que os profissionais usam não bloqueiam totalmente os raios X e isso deve ser levado em conta.

E claro que uma ou duas chapas por ano, ou em casos de necessidade

extrema trazem muito mais benefícios do que malefícios e não devem ser rejeitadas.

Em substituição aos raios X nos casos em que são necessários exames muito freqüentes outras técnicas como o ultra-som ou a ressonância magnética (veja artigo no site) são bem melhores,pois usam radiações não destrutivas.

Entretanto, as propriedades dos raios X também encontram utilidades

em outros campos.

 

Usos do Raios X

O comprimento de onda muito pequeno dos raios X permitindo sua passagem por entre os átomos possibilita de uma maneira precisa a

análise da estrutura dos materiais.

Passando um feixe de raios X por um material *em que os átomos tenham uma disposição ordenada, como num cristal, ocorrem difrações que formam padrões como amostrada na figura 11.

 

Fig. 11 - Padrão de difração de raios X num cristal.
Fig. 11 - Padrão de difração de raios X num cristal.

 

 

Podemos então estudar pormenores da estrutura de um material analisando a disposição dos átomos através de raios X.

Isso e aproveitado na indústria para o estudo de materiais com grande precisão.

Uma aplicação conhecida por muitos leitores que já viajaram por via aérea é na segurança dos aeroportos.

Um emissor de raios X é colocado de tal forma que as bagagens passem por ele conforme mostra a figura 12.

 

    Figura 12 – Raios X dos aeroportos
Figura 12 – Raios X dos aeroportos

 

 

Do outro lado existe uma tela fluorescente ou então uma câmera sensível que podem fornecer imagens de malas e bolsas sem a necessidade de abertura.

Armas e outros objetos de metal, por serem menos transparentes aos raios X fornecem sombras bem definidas que permitem acusá-los.-

 

CONCLUSÃO

Evidentemente, as aplicações vistas são apenas as mais comuns que podem ser encontradas em nosso dia a dia.

Outras aplicações mais sofisticadas são apenas encontradas nos laboratórios de pesquisas, mas certamente levarão a aplicações comerciais no futuro.

 

 

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