Princípios de raio-x, raios gama e aplicações

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Princípios de raio-x, raios gama e aplicações 
Raios-X: 
Os raios-X foram descobertos pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen em 1895. Ele 
chamou a “nova radiação” de Raio-X pois sua natureza era desconhecida. Desde então tem 
sido amplamente utilizado na Medicina, na indústria e em pesquisas científicas. Após 
descobrir o Raio-X, Röntgen radiografou a mão de sua esposa (Anna Bertha Ludwig). Essa 
pesquisa rendeu-lhe o Prêmio Nobel em Física em 1901. 
 
Produção de raios-x: 
O raio-X é radiação eletromagnética que pode ser produzida basicamente de duas maneiras. 
Porém, ele sempre vai envolver elétrons acelerados colidindo com um alvo. Esse alvo é 
feito de um material de alto número atômico. 
1. Quando um elétron incidente colide com o material e um elétron do material é 
removido das camadas mais internas (camada K com n=1), um elétron da 
camada mais externa irá ocupar o seu lugar e raio-X será emitido nessa 
transição (transição entre órbitas). A energia desse fóton de raio-X representa 
exatamente a diferença entre os níveis de energia envolvidos. Como cada elemento 
possui níveis de energia específicos, a energia do raio-X é própria do material e por isso 
é chamada de raio-X característico. 
2. Quando elétrons incidentes se aproximam de núcleos atômicos de um material, eles são 
desacelerados ou desviados (perdem energia cinética) pela interação com o núcleo e emitem 
fótons de raio-X. A radiação gerada desse modo é conhecida como radiação de frenamento ou 
bremsstrahlung. Os fótons de raio-X podem ter qualquer energia, desde valores perto de zero 
até um valor máximo que é determinado pela energia dos elétrons incidentes. Assim, dessa forma, se 
tem a produção de um espectro contínuo de raios-X. 
 
Se um elétron incidente perder toda a sua energia pelo frenamento. Toda sua 
energia irá para o fóton de raio-X. Como a energia é inversamente 
proporcional ao comprimento de onda, esse fóton terá o mínimo do 
comprimento de onda possível. 
Assim: K = eV = E = hc/l. 
Por isso que o gráfico não começa no zero. Esse valor não depende do 
material, só depende do elétron incidente. Quanto maior é a energia perdida 
pela frenagem, menor é o comprimento de onda. Quanto menor é a energia 
perdida, maior é o comprimento de onda do Raio-X. 
 
Os elétrons que colidem com o alvo vêm do cátodo. O alvo é o ânodo. O cátodo é geralmente um 
filamento de tungstênio, que tem um alto ponto de fusão e emite elétrons com facilidade. O alvo é 
geralmente de molibidênio e tungstênio por possuirem alto ponto de fusão e alto número atômico 
apropriado para gerar raio X. Isso tudo ocorre no vácuo. As moléculas de ar são retiradas para não 
haver colisão dos elétrons com elas, o que faria com que eles perdessem energia e não tivessem 
energia suficiente para gerar raio X ao chegar no ânodo. Existe uma diferença de potencial entre o câ 
todo e o ânodo que acelera esses elétrons em direção ao alvo. Quanto maior for essa diferença de 
potencial, maior a energia cinética desses eletróns em direção ao alvo. 
 
Sistema de produção de raios-x: 
 
Componente básico: Tubo de Raio-X que contém (1) 
emissor de elétrons filamento de tungstênio aquecido – 
chamado catodo – é o polo negativo), (2) anodo (de cobre 
- polo positivo) que contém material ou alvo com o qual os 
elétrons vão colidir (também chamado anodo e é geralmente feito de tungstênio ou molibidênio). A 
parte externa do tubo é feita de pyrex. 
Os elétrons emitidos pelo filamento são acelerados por uma diferença de potencial que existe entre o 
anodo e o catodo e incidem sobre o alvo produzindo raios-X (característico ou 
bremsstrahlung). 
Os Raios-X produzidos são emitidos em quase todas as direções. Serão 
utilizados em exames apenas aqueles que atravessam uma janela formando o feixe 
útil. 
Ponto focal é a área do alvo de onde os Raio-X são emitidos (“ponto focal” 
pequeno -> melhor a nitidez da imagem. 
No catodo também está o focalizador (elétrons se repelem e se espalham 
-> perda e espalhamento do Raio- X). Para evitar isso, o filamento é 
envolvido por uma capa carregada negativamente que mantém os elétrons 
mais unidos e os concentra numa área menor do anodo. 
Princípio da linha de foco no anodo. Há também dois tipos de anodo 
(fixo e giratório). Antigamente, o anodo era fixo, de forma que os elétrons 
sempre batiam no mesmo lugar, o que estragava facilmente a ampola, já que a colisão de elétrons 
degrada o material. Com isso, agora é giratório, já que cada vez os elétrons baterão em um ponto 
diferente, aumentando a durabilidade. 
Efeito anódico: durante a realização do procedimento de raio-x, os feixes de raio-x saem do tubo de 
raio-x pelo pólo catodo e anodo (cada um localizado em uma extremidade) com energias diferentes, 
sendo que o pólo anodo diminui a quantidade de radiação que sai dos feixes de raio-x naquele lado. 
 
Num tubo de raios-X, a maioria dos elétrons incidentes sobre o alvo perde sua energia cinética de 
modo gradual nas inúmeras colisões, convertendo-as em calor. Esta é a razão pela qual tanto o 
catodo como o anodo são feitos de material de alto ponto de fusão. A temperatura é tão alta que 
ainda precisam métodos especiais de resfriamento. No interior do tubo os componentes estão a 
vácuo para aumentar a eficiência de produção de Raio-X. Se não houver vácuo, os elétrons colidirão 
com partículas de gás diminuindo a produção de Raio-X e aumentando muito calor. 
 
Interação do raio-x com a matéria: 
Os raios-X não interagem (são absorvidos) da mesma forma pelos diferentes materiais (corpo). É por 
essa razão que se consegue, por exemplo, radiografar partes do corpo para diagnóstico. 
Elementos pesados (tais como cálcio e bário) são melhores absorvedores de Raio-X que elementos 
leves como hidrogênio, carbono e oxigênio. Portanto, é por isso que estruturas como ossos aparecem 
nitidamente em radiografias. 
Enquanto os ossos absorvem os raios-X, o tecido mole os deixa passar. Por isso nas radiografias os 
ossos são brancos e o restante escuro. 
Mas, o que significa absorver? O que causa a absorção? 
Quais são os mecanismos pelos quais os Raios-X são espalhados ou 
absorvidos pela matéria? 
 
1. Efeito fotoelétrico – isso que significa absorver o Raio-X ou em outras 
palavras é a causa da absorção. O efeito fotoelétrico só ocorre em 
materiais de grande número atômico (por isso o Raio-X é eficiente para se 
visualizar ossos que são justamente formados de cálcio). O efeito 
fotoelétrico também é mais eficiente em uma determinada faixa de energia do Raio-X. Absorver 
significa que o raio-x foi todo utilizado para arrancar um elétron do corpo. 
2. Espalhamento Compton – só espalha o Raio-X. Não colabora em nada para a boa imagem 
médica. Só atrapalha. Também é mais eficiente em uma determinada faixa de energia do Raio-X. 
Ocorre quando um fóton colide com o elétron, mas ele vai continuar 
existindo, só que vai ter a trajetória desviada, tendo menor energia. 
 
 
 
 
3. Transmissão – o Raio-X será transmitido pelo tecido mole com baixo número atômico. 
 
 
É o equilíbrio entre a absorção causada pelo efeito fotoelétrico e a transmissão que proporciona um 
bom contraste para se obter uma boa imagem médica de Raio-X. Por isso é tão importante se 
trabalhar na faixa certa de KV. 
 
Radiação ionizante: 
O raio-X é uma radiação ionizante. Radiação ionizante é toda aquela que ioniza o átomo, ou seja, que 
arranca elétrons do átomo (efeito fotoelétrico). Por isso, toda a radiação ionizante é prejudicial ao 
organismo. 
Os danos são cumulativos. A taxa de exposição e a área exposta afetam na magnitude dos efeitos. Os 
efeitos são a curto (náuseas, vômitos, infecções fortes, hemorragia, perda de cabelo, diarréia) e longo 
prazo causado por grandes exposições ou várias exposições (efeitos genéticos – expressa-se nas 
gerações futuras e efeitos somáticos câncer, anormalidade no embrião, indução de cataratas, redução 
da vida média).Proteção e dosímetros. 
 
Mamografia: 
Uso do Raio-X para se visualizar um tecido mole – a mama. Para tanto é preciso 
se diminuir o KV. A absorção diferencial aumenta com a diminuição do KV, pois 
se aumenta o efeito fotoelétrico. Porém, aumentando o efeito fotoelétrico e a 
absorção, se aumenta muito a dose de radiação recebida pelo paciente. Por isso, 
a mamografia é um exame de alta dose que deve ser feito com baixa frequência. 
 
Interação do raio-x com a matéria: 
A intensidade dos raios-X – que é proporcional ao número de fótons do feixe – decresce quando os 
mesmos atravessam certos meios. Esse fato se chama atenuação, que é devida a absorção e 
espalhamento do feixe. Para um feixe monoenergético esse decréscimo pode ser descrito por: 
I = I0 e-μx 
- I é a intensidade após a passagem, I0 é a intensidade inicial, x é a espessura linear do material e μ é 
o coeficiente de atenuação linear do meio que depende do meio e também da energia da radiação 
incidente. - 
A CRS é a espessura do material necessária para reduzir a intensidade do Raio-X pela 
metade do valor original (X = 0.693/μ). Medir o CSR é o método mais prático de 
avaliação de qualidade de radiação