Trabalho de Física

Trabalho de Física
Tubo de Crookes
Tubo de raios X
 Em uma ampola de vidro, William Crookes submeteu um gás a
pressão ambiente e a altas tensões, por meio de duas placas
metálicas localizadas no fundo e na frente da ampola, cada qual
carregada com cargas diferentes. Quando a diferença de potencial
entre as placas era suficientemente grande, os elétrons saiam do
cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas
do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou liberação de luz devido às
transições eletrônicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a
ampola. A partir desses experimentos, Joseph John Thomson
observou que tal fenômeno é independente do gás e do metal
utilizado nos eletrodos (placas metálicas). Concluiu, então, que os
raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento
químico. Devido a essa conclusão, Thomson pôde, posteriormente,
atestar a existência do elétron.
A descoberta
 Hand mit Ringen: a primeira de Wilhelm Röntgen referente a mão de sua
esposa, tirada em 22 de dezembro de 1895 e apresentada ao Professor
Ludwig Zehnder, do Instituto de Física da Universidade de Freiburg, em 1
de janeiro de 1896.
 Foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem detectou
pela primeira vez os raios X, que foram assim chamados devido ao
desconhecimento, por parte da comunidade científica da época, a respeito
da natureza dessa radiação. A descoberta ocorreu quando Röentgen
estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num
tubo de Crookes. Todo o aparato foi envolvido por uma caixa com um filme
negro em seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa,
havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário.
 Röentgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do
tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica.
Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel
fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que
vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a chegada
desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto
indicava que a radiação possui alto poder de penetração. Após exaustivas
A descoberta
 experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à
sua esposa que posicionasse sua mão entre o
dispositivo e o papel fotográfico.
 O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea
interna da mão humana. Essa foi a primeira radiografia,
nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de
novembro de 1895. Posteriormente à descoberta do
novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta
causava vermelhidão da pele, ulcerações e
empolamento para quem se expusesse sem nenhum
tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar
sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então
à morte.
Partícula ou onda
 Logo que os raios X foram descobertos, pouco se sabia a respeito
da sua constituição. No início do século XX foram encontradas
evidências experimentais de que os raios X seriam constituídos por
partículas. No entanto, e para a surpresa da comunidade científica,
Walther Friedrich e Paul Knipping realizaram um experimento em
1912, no qual conseguiram fazer um feixe de raios X atravessar um
cristal, produzindo interferência da mesma forma que acontece com
a luz. Isto fez com que os raios X passassem a ser considerados
como ondas eletromagnéticas. Porém, por volta de 1920 foram
realizados outros experimentos, que apontavam para um
comportamento corpuscular dos raios X.
 O físico Louis de Broglie tentou resolver este aparente conflito no
comportamento dos raios X. Combinando as equações de Planck e
de Einstein (E = h.ν = m.c²), chegou a conclusão de que "tudo o que
é dotado de energia vibra, e há uma onda associada a qualquer
coisa que tenha massa".[1]
Características
Produção
 O dispositivo que gera raios X é chamado de tubo de Coolidge. Da mesma
forma que uma válvula termiônica, este componente é um tubo oco e
evacuado, ainda possui um catodo incandescente que gera um fluxo de
elétrons de alta energia. Estes são acelerados por uma grande diferença de
potencial e atingem ao ânodo ou placa.
 O ânodo é confeccionado em tungstênio. A razão deste tipo de construção
é a geração de calor pelo processo de criação dos raios X. O tungstênio
suporta temperaturas que vão até 3340 °C. Além disso, possui um razoável
valor de número atômico (74) o que é útil para o fornecimento de átomos
para colisão com os elétrons vindos do catodo (filamento). Para não fundir,
o dispositivo necessita de resfriamento através da inserção do tungstênio
em um bloco de cobre que se estende até o exterior do tubo de raios X que
está imerso em óleo. Esta descrição refere-se ao tubo de anodo fixo.
 Ao serem acelerados, os elétrons ganham energia e são direcionados
contra um alvo; ao atingi-lo, são bruscamente freados, perdendo uma parte
da energia adquirida durante a aceleração. O resultado das colisões e da
frenagem é a energia transferida dos elétrons para os átomos do elemento
alvo. Este se aquece bruscamente, pois em torno de 99% da energia do
feixe eletrônico é dissipada nele.
Características
Produção
 A brusca desaceleração de uma carga eletrônica gera a emissão de
um pulso de radiação eletromagnética. A este efeito dá-se o nome
de Bremsstrahlung, que significa radiação de freio.
 As formas de colisão do feixe eletrônico no alvo dão-se em
diferentes níveis energéticos devido às variações das colisões
ocorridas. Como existem várias formas possíveis de colisão devido
à angulação de trajetória, o elétron não chega a perder a totalidade
da energia adquirida num único choque, ocorrendo então a geração
de um amplo espectro de radiação cuja gama de frequências é
bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes
dependem da energia inicial do feixe eletrônico incidente, e é por
isso que existe a necessidade de milhares de volts de potencial de
aceleração para a produção dos raios X.
Detecção
 A detecção dos raios X pode ser feita de diversas maneiras, a
principal é a impressão de chapas fotográficas que permite o uso
medicinal e industrial através das radiografias. Outras formas de
detecção são pelo aquecimento de elementos à base de chumbo,
que geram imagens termográficas, o aquecimento de lâminas de
chumbo para medir sua intensidade, além de elementos que
possuem gases em seu interior à exemplo da válvula Geiger-Müller
utilizada para a detecção de radiação ionizante e radiação não
ionizante. Podendo ainda ser difratado através de um cristal e
dividido em diversos espectros de onda. Sensores (Foto
transistores ou foto diodos) captam uma ou algumas faixas de
espectro, e são amplificados e digitalizados, formando imagens.
Esse último processo (difração de raios X, por cristais) é
comumente utilizado em equipamentos de inspeção de bagagens e
cargas.
Medicina
 Na medicina os raios X são utilizados nas
análises das condições dos órgãos internos,
pesquisas de fraturas, tratamento de tumores,
câncer (ou cancro), doenças ósseas, etc.
 Com finalidades terapêuticas os raios X são
utilizados com uma irradiação aproximada de
cinco mil a sete mil Rads, sobre pequenas áreas
do corpo, por pequeno período de tempo.
 No Brasil, os raios X do pulmão para fins
diagnósticos de tuberculose pulmonar são
chamados de abreugrafia, que se trata de uma
incidência sobre uma pequena área do pulmão.
Exposição
A tolerância do organismo humano à
exposição aos raios X é de 0,1 röntgen
por dia no máximo em toda a superfície
corpórea. A radiação de um röntgen
produz em gramas de ar, a liberação por
ionização, de uma carga elétrica de C.
Efeitos somáticos da radiação
No ser humano a exposição continua aos
raios X podem causar vermelhidão da
pele, queimaduras por raios X ou em
casos mais graves de exposição,
mutações do DNA, morte das células e/ou
leucemia.
Pesquisa de materiais
Na indústria, os raios X são utilizados no
exame de fraturas de peças, condições de
fundição, além de outros empregos
correlatos. Nos laboratórios de análises
físico-químicas os raios X têm largo
espectro de utilização.
Natureza eletromagnética
 Os raios X propagam-se à velocidade da luz, e como qualquer
radiação eletromagnética estão sujeitos aos fenômenos de refração,
difração, reflexão, polarização, interferência e atenuação. Sua
penetrância nos materiais é relevante, pois todas as substâncias
são transparentes aos raios X em maior ou menor grau.
 Em algumas substâncias como compostos de cálcio e
platinocianeto de bário, os raios X geram luminescência. Esta
radiação ioniza os gases por onde passa. A exemplo da luz visível,
não é desviado pela ação de campos elétricos ou magnéticos.
Desloca-se em linha reta, sensibiliza filmes fotográficos, além de
descarregar os objetos carregados eletricamente, qualquer que seja
a polaridade (sendo uma característica não totalmente confirmada a
de descarregar eletricamente os objetos).
Interação com a matéria
 Quando os raios X atingem a matéria, assim
como o tecido do paciente, os fótons têm quatro
possíveis destinos. Os fótons podem ser:
 Completamente espalhados sem perda de
energia.
 Absorvidos com perda total de energia.
 Espalhados com alguma absorção e com perda
de energia.
 Transpostos sem qualquer alteração.
Definições dos termos
 Espalhamento - mudança de direção de um
fóton com ou sem perda de energia.
 Absorção - deposição de energia, ou seja,
remoção de energia do feixe.
 Atenuação - redução da intensidade do feixe
principal causada pela absorção e
espalhamento.
 Ionização - remoção de um elétron de um átomo
neutro produzindo um íon negativo (o elétron +
outro átomo neutro) e um íon positivo (o átomo
remanescente).
Interações dos raios X em Nível
Atômico
Existem quatro principais interações em
nível atômico, dependendo da energia do
fóton incidente:
Espalhamento não modificado ou
coerente - espalhamento puro.
Efeito fotoelétrico - absorção pura.
Efeito compton - espalhamento e
absorção.
Produção par - pura absorção.
Espectro Eletromagnético
 espectro eletromagnético ou espetro eletromagnético) é o intervalo
completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de
rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os
raios X, até aos radiação gama.
 Uma carga em repouso cria à sua volta um campo que se estende até ao
infinito. Se esta carga for acelerada haverá uma variação do campo
eléctrico no tempo, que irá induzir um campo magnético também variável
no tempo (estes dois campos são perpendiculares entre si). Estes campos
em conjunto constituem uma onda electromagnética (a direcção de
propagação da onda é perpendicular às direcções de vibração dos campos
que a constituem). Uma onda electromagnética propaga-se mesmo no
vácuo.
 Maxwell concluiu que a luz visível é constituída por ondas
electromagnéticas, em tudo análogas às restantes, com a única diferença
na frequência e comprimento de onda.
 De acordo com a frequência e comprimento de onda das ondas
eletromagnéticas pode-se definir um espectro com várias zonas (podendo
haver alguma sobreposição entre elas).
Funcionamento
 Quando um filamento metálico é aquecido, ele emite elétrons (como numa
lâmpada comum) esses elétros são condensados e direcionados para uma
superfície metálica.
Quando eles se chocam com a superfície, emitem outras partículas
subatômicas, e dentre elas, os raios "X" ou raios Roetgen. Esses raios
atravessam vários materiais, inclusive o corpo humano, em maior ou menor
intensidade, e são capazes de sensibilizar um filme comum de fotografia.
Daí surgem as imagens de raios X.
As primeiras máquinas, nada mais eram que uma espécie de LÃMPADA
COMUM de filamento, sendo que no seu interior era colocada uma
pequena placa metálica.
Os TUBOS DE IMAGEM de TV tambem produzem feixes de elétrons, que
sempre se chocam com alguma superfície metálica, daí... uma TV tambem
é uma fonte de raios "X" (pode ver no manual)
O problema é que esses raios Roetgen, muito úteis, tambem atingem o
núcleo das células, prejudicando a sua reprodução, podendo causar
cancer.
Aline Souza N:01
Michele Soares N:21
Professora: Selma