Física das Radiações - Raio-X

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Física das Radiações 
Raio - X 
Introdução 
• 1890- Muitos cientistas estavam pesquisando 
a natureza dos raios catódicos emitidos por 
tudo de vidro evacuado. 
• Tubo ou Ampola de Crookes 
 
William Crookes 
1832-1919 
Tubo de Crookes 
• São emanações que 
partiam do cátodo até 
ânodo e se propagavam 
em linha reta. 
 
• Aplicação de um campo 
eletromagnético faz 
defletir os raios. 
 
Tubo de Crookes 
• Philipp Lenard modificou 
o tubo de crookes. 
• Colocação de uma janela 
de aluminio para ver se os 
raios catódicos saíam por 
esta janela. 
• Usou um anteparo 
fluorescente e verificou 
que até uma distância de 
8 cm, ele detectava 
luminescência. 
 
Philipp Lenard 
1862-1947 
NOBEL PRIZE 
Tubo de Crookes 
• Em 8 de Novembro de 
1895. Refez o 
experimento do Tubo de 
Crookes. 
• Embrulhou o tubo com 
papel preto por causa da 
luminescência ser muito 
forte e iria atrapalhar a 
visão do anteparo com 
platino cianeto de bário 
(fraca luminescência). 
• Afastou o anteparo até 
2m. 
 
Wilhelm Conrad Röntgen 
1845-1923 
NOBEL PRIZE 
Tubo de Crookes 
• Ligou e desligou o tubo. 
Toda vez que desligava o 
tubo a luminescência 
desaparecia. 
• 7 Semanas no 
Laboratório..... 
• Os novos raios eram mais 
penetrantes que os 
catódicos e não sofriam 
deflexão com a ação de 
campo magnético. 
 
Wilhelm Conrad Röntgen 
1845-1923 
NOBEL PRIZE 
Descoberta 
• Concluiu que os raios 
eram parcialmente 
“parados” pelos ossos, 
da mesma forma que 
por uma placa de vidro 
com átomos de 
chumbo. 
 
Raios-X 
Ana Bertha (esposa de Röntgen) 
15 minutos de exposição 
22 de Dezembro de 1895 
Raios-X 
Artigo foi aceito para publicação no dia 28/12/1895. 
O Artigo foi enviado para a revista um dia após o Natal. 
Podoscópio 
Abreugrafia 
Raio-X 
• Em 1912 a natureza dos Raios-
X foi firmemente estabelecida 
como sendo uma onda 
eletromagnética de 
comprimento de onda muito 
menor que o da luz. 
• Em 1920, com a teoria da 
dualidade onda-partícula, é 
que ficou estabelecido que a 
luz e os raios-x apresentam 
caráter dual, e foi dado o 
nome de fóton à partícula 
associada à onda 
eletromagnética. 
• Nesta mesma época que se 
descobriu os raios γ 
 
Max von Laue 
1879-1960 
NOBEL PRIZE 
Esquema de um emissor de raio-X 
• Filamento aquecido 
emite elétrons (efeito 
termoiônico); 
• Elétrons são acelerados 
pela diferença de 
potêncial V entre 
eletrodos; 
• Alvo é feito com metal 
de alto ponto de fusão 
(tungstênio ou 
molibdênio) 
 
Raio-X 
• Componentes básicos de um 
sistema de raio-x podem ser 
encontrados em TV; 
• Numa TV P&B os raios-x são 
de baixa energia e os mesmos 
são absorvidos pela tubo de 
imagem. (27KV) 
• No final da década de 70 nos 
Estados Unidos foi detectado 
uma quantidade considerável 
de raio-x proveniente de TV a 
cores defeituosos, esses raios-
x passavam pelo tubo de 
imagem. 
 
Classificação dos feixes de raios-X segundo a 
tensão de aceleração dos elétrons que os 
produzem 
Classificação Voltagem 
Baixa energia ou raio-X mole 0,1 – 20Kv 
Diagnóstico 20 – 120Kv 
Ortovoltagem 120 – 300Kv 
Energia Intermediária 300 – 1000Kv 
Megavoltagem > 1MV 
Produção de Raios-X 
• Alvo de Tungstênio (PF 3695K) 
• Alvo de Molibdênio(PF 2896K) 
• Necessidade de resfriamento 
 
• São dois os processos fundamentais de 
produção de raios-X: Raio-X de freamento e 
Raio-X característico. 
Radiação de Freamento 
Bremsstrahlung 
• Somente uma fração muito pequena dos 
elétrons se aproximam do núcleo 
• Os elétrons podem perder toda energia ou 
parte dela ao se aproximar do núcleo e 
emitem um fóton de raio-x. 
Radiação de Freamento 
Bremsstrahlung 
• Os raios-x podem ter qualquer energia, que 
depende do grau de aproximação com núcleo 
e com a energia cinética que possui. 
• O espectro do raio-x é contínuo, ou seja, os 
fótons de raio-x produzidos podem ter 
qualquer energia, desde valores próximos de 
zero até um valor máximo Emax. 
Lei de Duane e Hunt 
λν min
)( hcheVelétronK máxmáxdofótonE ====
Independe do material 
Quanto maior a voltagem aplicada, 
Maior será a eficiência. 
EXERCÍCIO 1 
Raios-X Característicos 
• Assinatura do Material 
• Espectro discreto 
 
Charles Glover Barkla 
1877-1944 
NOBEL PRIZE 
Ca 
K 
N 
M 
L 
Kβ (4.01 keV) 
Kα (3.69 keV) 
Raios-X Característicos 
 
 
• Para o Tungstênio e 
Molibdênio, as energias 
totais dos elétrons da 
camada K são, 
respectivamente, -
69,5KeV e -20,0KeV, e 
da camada L, de -
12,1KeV e -2,87KeV. 
EEE KLxraiofóton −=− )(
EXERCÍCIO 2 
Aplicação do Raio-X Característico 
• Pixe (Particle Induced X- ray Emission) é uma 
poderosa técnica não destrutiva de análise 
elementar utilizada nos mais variados ramos de 
pesquisa. 
 
• Entre suas inúmeras aplicações, é muito utilizada 
por geólogos, arqueólogos, conservatórios, 
museus e outros para responder questões a 
respeito da proveniência, datação e 
autenticidade de peças e obras de arte. 
 
Aplicação do Raio-X Característico 
• Vantagens desta técnica: 
– alta sensibilidade 
– análise multi-elementar 
– não destrutivo 
– medidas à pressão atmosférica 
– é rápido 
 
Aplicação do Raio-X Característico 
• Preparação das amostras: 
– Devem estar em estado sólido; 
– A superfície deve ser o mais lisa possível; 
– Supõem-se que o que será estudado está 
uniformemente distribuído na amostra, não 
formando grãos ou aglomerados em 
determinadas regiões; 
– Ao preparar as amostras, não contaminar a 
superfície. Ou seja, não deixar cair no chão, não 
tocar com os dedos, ... Caso isso ocorra, o que 
você estará enxergando pode ser a sujeira da 
sala e não os metais da sua amostra. 
 
Aplicação do Raio-X Característico 
Filmes Finos 
• Espessura ~ Angstrons 
• O feixe de prótons 
atravessa a amostra mas 
não perde toda sua 
energia devido à 
espessura do filme. 
• Exemplo: amostras 
filtradas, metais 
evaporados sobre uma 
superfície, deposição de 
substâncias sobre outro 
material, ... 
 
Alvos Grossos 
• Geralmente são auto-
sustentáveis. 
• O feixe de próton perde 
toda sua energia na 
amostra. 
• É importante conhecer a 
composição da amostra 
para determinar a 
concentração dos metais 
nela presentes. 
• Exemplo: amostras de pó 
transformadas em 
pastilhas,... 
Feixe 
amostra 
(Ca) 
Detector 
Raio-X 
Eletrônica 
 contagens 
canal Kα Kβ 
PIXE 
0 2 4 6 8 10 12 14
1
10
100
1000
10000
Brα
RbαZnβ
Znα
Cuα
Coβ
Coα + Feβ
Feα + Mnβ
Mnα
Tiα
Caβ
Caα
Kα
Clα
Sα
Erva Mate "A"
co
nt
ag
en
s 
/ µ
C
Energia (KeV)
 natural
 após chimarrão
Atenuação dos Raios-X 
• O uso de raio-x para radiografiar a parte 
interna dos corpos se baseia na absorção 
diferenciada de seus fótons por diferentes 
tecidos do corpo. 
• Elementos com alto número atômico como 
cálcio(Z=20), bário (Z=56) e iodo (Z=53) são 
melhores absorvedores do que hidrogênio 
(Z=1), carbono(Z=6) e oxigênio (Z=8); 
Atenuação dos Raios-X 
• Gordura, sangue e tumores absorvem raio-x 
de forma parecida. 
• No caso de tumor é necessário usar uma 
substância para obter contraste na imagem. 
• Abdômem: compostos de bário absorvem 
mais raio-x que estômago e intestino. 
• Fluxo sanguinêo: utilização de composto de 
iodo. 
• Tórax: Gases (ar) 
Atenuação de um feixe de radiação 
monoenergética 
• Os raios-X e os raios gama, por serem uma 
onda eletromagnética com caráter dual onda-
partícula, obedecem à mesmaregra quanto à 
atenuação quando atravessam um dado meio. 
• A atenuação se refere somente à diminuição 
do número de fótons e, portanto, estamos 
tratando o feixe só em termos de quantidade. 
Atenuação de um feixe de radiação 
monoenergética 
xeII µ−= 0 xeNN µ−= 0
Intensidade do feixe 
Número de fótons 
Coeficiente de atenuação linear 
espessura 
Atenuação de um feixe de radiação 
monoenergética 
x 
I0 I 
Atenuação de um feixe de radiação 
monoenergética 
X=X1/2 
I0 I=I0/2 
Camada Semirredutora (CSR) 
Coeficiente de atenuação linear e CSR de 
chumbo e alumínio para fótons emitidos pelo 
60Co e 137Cs 
Radioisótopo Energia (MeV) Material µ (cm-1) X1/2 (cm) 
60Co 1.25 Pb 0.66 1.05 
60Co 1.25 Al 0.15 4.62 
137Cs 0.66 Pb 1.23 0.59 
137Cs 0.66 Al 0.20 3.46 
Coeficientes de Atenuação Linear µ (cm-1) em função 
da energia do fóton, para alguns materiais 
Energia Água Ar Concreto Alumínio Chumbo 
100KeV 0.170 1.86 x 10-4 0.412 0.459 62.98 
500KeV 0.097 1.05 x 10-4 0.211 0.228 1.83 
1000KeV 0.071 7.65 x 10-4 0.154 0.166 0.81 
1500KeV 0.057 6.23 x 10-4 0.125 0.135 0.59 
 
	Física das Radiações
	Slide Number 2
	Introdução
	Tubo de Crookes
	Tubo de Crookes
	Tubo de Crookes
	Tubo de Crookes
	Descoberta
	Raios-X
	Raios-X
	Slide Number 11
	Podoscópio
	Abreugrafia
	Raio-X
	Esquema de um emissor de raio-X
	Raio-X
	Classificação dos feixes de raios-X segundo a tensão de aceleração dos elétrons que os produzem
	Produção de Raios-X
	Radiação de Freamento�Bremsstrahlung
	Radiação de Freamento�Bremsstrahlung
	Lei de Duane e Hunt
	Exercício 1
	Raios-X Característicos
	Slide Number 24
	Raios-X Característicos
	Exercício 2
	Aplicação do Raio-X Característico
	Aplicação do Raio-X Característico
	Aplicação do Raio-X Característico
	Aplicação do Raio-X Característico
	Slide Number 31
	Slide Number 32
	Atenuação dos Raios-X
	Atenuação dos Raios-X
	Atenuação de um feixe de radiação monoenergética
	Atenuação de um feixe de radiação monoenergética
	Atenuação de um feixe de radiação monoenergética
	Atenuação de um feixe de radiação monoenergética
	Coeficiente de atenuação linear e CSR de chumbo e alumínio para fótons emitidos pelo 60Co e 137Cs
	Coeficientes de Atenuação Linear m (cm-1) em função da energia do fóton, para alguns materiais
	Slide Number 41