Produção de raios-X

Existem três mecanismos comuns para a produção de raios-X: a aceleração de uma partícula carregada, transições atómicas entre níveis discretos de energia e o decaimento radioactivo de alguns núcleos atómicos. Cada mecanismo leva a um espectro característico de radiação de raios X.

Na teoria do eletromagnetismo clássico, a aceleração de cargas elétricas emitem ondas eletromagnéticas. Na fonte terrestre mais comum de raios-X, o tubo de raios-X, um feixe de electrões de alta energia colide com um alvo sólido. Como os elétrons de movimento rápido do feixe interagem com os elétrons e núcleos dos átomos do alvo, eles são repetidamente defletidos e retardados. Durante esta desaceleração abrupta, os elétrons do feixe emitem bremsstrahlung (alemão: “radiação de frenagem”) – um espectro contínuo de radiação eletromagnética com uma intensidade de pico na região de raios X. A maior parte da energia irradiada em um tubo de raios X está contida neste espectro contínuo. Fontes muito mais poderosas (e muito maiores) de um continuum de raios X são aceleradores de partículas de sincrotrão e anéis de armazenamento. Em um sincrotron, partículas carregadas (geralmente elétrons ou positrons) são aceleradas a energias muito altas (tipicamente bilhões de elétrons volts) e então confinadas a uma órbita fechada por ímãs fortes. Quando as partículas carregadas são deflectidas pelos campos magnéticos (e portanto aceleradas pela mudança de direcção do seu movimento), emitem a chamada radiação sincrotrónica – um continuum cuja intensidade e distribuição de frequência são determinadas pela força dos campos magnéticos e pela energia das partículas em circulação. Fontes de luz synchrotron especialmente projetadas são utilizadas mundialmente para estudos de raios X de materiais.

Em um tubo de raios X, além do espectro contínuo de radiação emitida pelos elétrons desaceleradores, há também um espectro de linhas discretas de emissão de raios X que é característico do material alvo. Esta “radiação característica” resulta da excitação dos átomos alvo através de colisões com os elétrons de movimento rápido. Mais comumente, uma colisão primeiro causa a ejeção de um elétron de concha interna firmemente ligado ao átomo; um elétron de concha externa frouxamente ligado cai então na concha interna para preencher a vacância. No processo, um único fóton é emitido pelo átomo com uma energia igual à diferença entre os estados de vacância da concha interna e da concha externa. Esta diferença de energia geralmente corresponde aos comprimentos de onda dos fótons na região do raio X do espectro. A radiação característica de raios X também pode ser produzida a partir de um material alvo quando este é exposto a um feixe de raios X primário. Neste caso, os fótons de raios X primários iniciam a seqüência de transições de elétrons que resultam na emissão de fótons de raios X secundários.

Em 1913 o físico inglês Henry Moseley descobriu uma relação simples entre os comprimentos de onda das linhas de emissão de raios X de um alvo e o número atômico do elemento alvo – os comprimentos de onda são inversamente proporcionais ao quadrado do número atômico. Conhecida como a lei de Moseley, esta relação provou ser uma ferramenta definitiva na determinação dos números atómicos nos primeiros tempos da física atómica. As técnicas de fluorescência de raios X, nas quais os comprimentos de onda dos raios X característicos são registrados após a excitação de um alvo, são agora comumente usadas para identificar os constituintes elementares dos materiais.

A emissão de raios X é às vezes um subproduto de uma transformação nuclear. No processo de captura de elétrons, um elétron atômico de concha interna é capturado pelo núcleo atômico, iniciando a transformação de um próton nuclear em um nêutron e baixando o número atômico por uma unidade (ver radioatividade: Tipos de radioatividade). A órbita interna da concha vazia é então rapidamente preenchida por um elétron de concha externa, produzindo um fóton de raio X característico. O relaxamento de um núcleo excitado para um estado de menor energia também resulta, por vezes, na emissão de um fotão de raios X. Entretanto, os fótons emitidos na maioria das transições nucleares deste tipo são de energia ainda maior do que os raios X – eles caem na região de raios gama do espectro eletromagnético.

Muitas fontes astronômicas de raios X foram descobertas ao longo dos últimos 50 anos; coletivamente são um rico recurso de informação sobre o universo (veja fontes de raios X). Os raios X são emitidos pela coroa quente do Sol (atmosfera exterior) e pelas coroas de outras estrelas comuns na galáxia Via Láctea. Muitos sistemas estelares binários emitem raios X copiosos; as fontes mais fortes produzem, só na região dos raios X, mais de 1.000 vezes toda a produção de energia do Sol. Os resíduos de Supernova são também fortes fontes de raios X, que por vezes estão associados à radiação sincrotrónica produzida por partículas de alta energia carregadas que circulam em campos magnéticos intensos e por vezes com emissões atómicas de gases extremamente quentes (na ordem dos 10 milhões de kelvins). Poderosas fontes extragalácticas de raios X, incluindo galáxias activas, quasares e aglomerados galácticos, estão actualmente sob intenso escrutínio científico; em alguns casos, os mecanismos exactos da produção de raios X são ainda incertos ou desconhecidos. Como a atmosfera da Terra absorve fortemente os raios X, observações astronômicas na região dos raios X devem ser feitas a partir de satélites em órbita. O lançamento do Observatório de Raios-X Chandra em 1999 avançou muito as capacidades observacionais da astronomia de raios-X (ver telescópio: telescópios de raios-X).

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