PRODUO DO RAIO X E INTERAO COM A MATRIAInterao dos raios X com a matriaAo atingir um determinado material, um feixe de raios X interage com a sua estrutura atmica, sofrendo atenuao. Os principais fenmenos que explicam a interao dos ftons de raios X com a matria so o efeito fotoeltrico, o espalhamento de Compton e a produo de pares. Efeito fotoeltricoEste fenmeno ocorre quando um fton de um feixe de raios X colide com um eltron de uma camada interna e totalmente absorvido. Como conseqncia, o eltron ejetado da sua rbita, deixando o tomo em estado ionizado.

[Fig. 1] Efeito fotoeltrico.O eltron ejetado, chamado de fotoeltron, possui uma energia igual diferena entre a energia do fton incidente e a sua energia de ligao inicial. Aps ejetado, o fotoeltron percorre uma pequena distncia e rapidamente absorvido.A deficincia de um eltron devido interao fotoeltrica causa a transio de um eltron de uma camada superior para a camada do eltron ejetado. Ocorre assim a emisso de radiao caracterstica. Esta radiao, no entanto, geralmente absorvida pelo meio atenuante.Em 1921, Albert Einstein recebeu oprmio Nobel de fsicapor explicar o efeito fotoeltrico. Espalhamento de ComptonEste fenmeno, descoberto pelo fsico americano Arthur H. Compton em 1922, consiste no espalhamento de um fton por uma partcula carregada. Ao colidir com um eltron, por exemplo, um fton incidente causa a ejeo do eltron, cedendo parte de sua energia, e espalhado segundo uma direo diferente. A figura 2 ilustra o espalhamento de Compton:

[Fig. 2] Espalhamento de ComptonComo possui energia menor, o fton espalhado apresenta um comprimento de onda maior que o fton original. A variao de comprimento de onda funo do ngulo de espalhamento. Quanto maior o ngulo, maior a mudana de comprimento de onda. Esta relao expressa pela frmula de Compton:

ondef o comprimento de onda final,i o comprimento de onda inicial, h a constante de Planck, me a massa do eltron, c a velocidade da luz e o ngulo de espalhamento.Arthur Compton recebeu oprmio Nobel de fsicaem 1927 pela descoberta e explicao do espalhamento de ftons e mudana de comprimento de onda. Produo de paresA produo de pares consiste na coliso de um fton de alta energia com um ncleo, resultando na gerao de um par eltron-psitron. A figura 3 ilustra este fenmeno:

[Fig. 3] Produo de pares.Segundo a fsica quntica, a menor energia que um fton deve possuir para a produo de um par de partculas igual a 2m0c2, onde m0 a massa de repouso da partcula e c a velocidade da luz. Para um par eltron-psitron, este valor igual a 1,02 MeV, uma vez que a massa de repouso do eltron vale 9,11 x 10-31. Em energias mais altas, outros pares de partculas podem ser gerados. Um par prton-antiprton, por exemplo, produzido em 1,88 GeV. Coeficiente de atenuaoCada um dos efeitos citados acima contribui na atenuao da intensidade de um feixe de raios X. Cada fenmeno pode ser caracterizado por um coeficiente de atenuao, funo da energia do feixe de raios X e do nmero atmico do material. A soma dos coeficientes de atenuao por absoro, espalhamento e produo de pares resulta no coeficiente de atenuao total do material.A figura 4 apresenta as curvas dos coeficientes de atenuao do chumbo em funo da energia. A curva em preto representa o coeficiente de atenuao total.

[Fig. 4] Coeficientes de atenuao do chumbo.A curva em azul representa o coeficiente de atenuao por efeito fotoeltrico. Este coeficiente diretamente proporcional ao quociente Z3/E3, onde Z o nmero atmico do material e E a energia do feixe de raios X. As descontinuidades desta curva correspondem s energias de ligao das diferentes camadas de eltrons do chumbo. Para uma energia maior que a energia de ligao de uma determinada camada, torna-se possvel a ejeo de um eltron por efeito fotoeltrico, resultando em um aumento do coeficiente de absoro.A curva em vermelho da figura 4 representa a variao do coeficiente de espalhamento em funo da energia. Esta curva, inversamente proporcional energia, decresce mais devagar que o coeficiente de absoro fotoeltrica.Por ltimo, a curva em verde representa o coeficiente de atenuao por produo de pares. Como exposto anteriormente, este fenmeno surge a partir de 1,02 MeV. O coeficiente de atenuao por produo de pares, ao contrrio da absoro fotoeltrica e do espalhamento, cresce com a energia, sendo diretamente proporcional energia dos ftons.Como conseqncia da variao de cada coeficiente de atenuao, cada fenmeno predomina em uma determinada faixa de energia: a absoro fotoeltrica prodomina em baixas energias; para energias intermedirias, a atenuao por espalhamento a principal componente do coeficiente de atenuao; para altas energias, observa-se a predominncia do efeito de produo de pares.PRODUO DOS RAIOS XRaios-X so produzidos ao se liberar energia no choque de eltrons de alta energia cintica contra uma placa de metal. Para tais efeitos utiliza-se um tubo de raio-X que consiste num tubo de vidro vcuo com dois eletrodos de tungstnio (diodo), um nodo (plo positivo) e um ctodo (plo negativo). O ctodo consiste num filamento de tungstnio muito fino que esquenta com a passagem de corrente eltrica de alta voltagem. Com isto os eltrons do tungstnio adquirem suficiente energia trmica para abandonar o ctodo (emisso termoinica). Devido a alta voltagem cria-se tambm uma diferena de potencial entre os eletrodos o que faz que os eltrons emitidos pelo filamento de tungstnio sejam acelerados em direo ao nodo (plo positivo). A energia cintica dos eltrons depende da voltagem entre os eletrodos: quanto mais alta a voltagem maior a energia cintica. O nodo est revestido por tungstnio e funciona como alvo para os eltrons.

Tubo de raios-X

No choque dos eltrons com o alvo de tungstnio a maioria da energia cintica destes transformada infelizmente em calor, mas uma pequena parte produz raios-X atravs de trs fenmenos: radiao caracterstica, desacelerao (Bremsstrahlung) e choque nuclear.

A radiao caracterstica ocorre quando o eltron em movimento choca-se com um eltron da camada interna do tomo do alvo de tungstnio e o desloca (caso a energia que ele adquiriu ao deslocar-se do ctodo para o nodo seja maior que a energia de ligao da camada eletrnica), com isso a camada de energia que este eltron do tomo ocupava fica vaga.

Este tomo agora ionizado precisa se estabilizar. Para isto um eltron de uma camada mais externa migra para a vaga na camada de energia interna, liberando neste processo uma determinada e bem precisa quantidade de energia (fton) na forma de raios-X. Esta energia corresponde a diferena entre as energias de ligao das duas camadas (a externa, que o eltron ocupava, e a mais interna que ele passou a ocupar). O fenmeno chamado de radiao caracterstica, j que essa energia das camadas particular de cada elemento (poderamos descobrir qual o elemento do alvo a partir da anlise das energias dos ftons de Rx produzidos pela radiao caracterstica). No entanto a chance deste fenmeno (radiao caracterstica) ocorrer no muito grande.

Na desacelerao, ou efeito de Bremsstrahlung, o eltron em movimento tem sua trajetria desviada pela positividade do ncleo. Este desvio de trajetria acompanhado por uma desacelerao o que faz que parte da energia cintica do eltron seja emitida como fton de raio-X, que ser de maior energia (maior freqncia) quanto maior for o ngulo de desvio da trajetria e quanto mais prximo estiver este eltron do ncleo. A desacelerao tem pouca chance de ocorrer em regies prximas ao ncleo, devido densidade nuclear (na verdade, o tomo bem difano, e se compararmos o tamanho do ncleo a uma laranja, o limite do tomo de um determinado elemento estaria, por exemplo, a 3 Km de distncia). Assim, a maioria dos eltrons sofrem interaes distantes do ncleo e produzem ftons de baixa energia, agora no mais numa faixa de energia caracterstica, mas sim numa variao constante, dependendo do co-seno do ngulo do desvio. A probabilidade desse fenmeno ocorrer tambm pequena, porm tende a ser a maior fonte dos ftons de raios-X em relao aos dois outros fenmenos.

fenmeno de Bremsstrahlung (desacelerao)

No choque nuclear, o eltron choca-se com o ncleo e produz um fton de alta energia. Nesse caso, 100% da energia que ele adquiriu acelerando do ctodo para o nodo transformada em um fton de raio-x. Por exemplo, se a diferena de potencial entre o ctodo e o nodo de 100.000 Volts (e na verdade dessa ordem), o eltron que se chocar diretamente com o ncleo vai produzir um fton de raio-x com energia de 100.000 eV (eletron-Volt). Aqui tambm, e principalmente neste caso, a probabilidade deste fenmeno ocorrer baixa.

Dessa forma, temos que apenas uma parte da energia dos eltrons convertida em raios-X pelos trs fenmenos acima, sendo a maioria transformada em calor.