Descoberta dos Raios X

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Radiação X
                                    Física das radiações
Prof.s Priscila Santana e Lucas PaixãoProf.s Priscila Santana e Lucas Paixão
Departamento de Anatomia e Imagem
 
Introdução
● Todos os livros de física moderna informam que os raios 
X foram descobertos por um cientista chamado Röntgen, 
em 1895.
● Costuma­se dizer que essa descoberta foi feita por acaso, 
e  a  contribuição  de  Röntgen  é  comumente  minimizada  ­ 
como  se  ele  nada  mais  tivesse  feito  além  de  perceber  a 
existência de um novo tipo de radiação.
Fonte:  Martins,  R.A.  A  Descoberta  dos  Raios  X:  O  Primeiro 
Comunicado de Röntgen. Revista Brasileira de Ensino de Física vol. 20, 
no. 4, Dezembro, 1998.
 
Introdução
● Descrições desse  tipo passam uma visão errônea sobre o 
próprio processo de pesquisa científica.
● A pesquisa experimental pode ter alguma contribuição do 
acaso, mas em sua maior parte é um trabalho sistemático, 
racional,  dirigido  por  pressupostos  teóricos  e  exigindo 
uma  grande  engenhosidade  técnica  para  superar 
dificuldades observacionais e para se testar hipóteses.
 
Introdução
● Röntgen foi essencialmente um físico experimental, dedicado 
ao estudo quantitativo de fenômenos delicados.
● Röntgen descobriu os raios X no final de 1895, aos 50 anos 
de idade. 
● Em  1901,  ele  recebeu  o  primeiro  Prêmio  Nobel  em  Física, 
por essa descoberta.
 
Introdução
● Dos  quase  60  trabalhos  que  publicou  durante  sua  vida, 
apenas três curtos artigos foram dedicados aos raios X. 
● Um deles no final de dezembro de 1895 (Rontgen, 1895); um 
segundo  em  março  do  ano  seguinte  (Rontgen,  1896);  e  o 
terceiro em março de 1897 (Rontgen, 1897).
● O primeiro é o trabalho mais famoso.
 
Introdução
● Dos  quase  60  trabalhos  que  publicou  durante  sua  vida, 
apenas três curtos artigos foram dedicados aos raios X. 
● Um deles no final de dezembro de 1895 (Rontgen, 1895); um 
segundo  em  março  do  ano  seguinte  (Rontgen,  1896);  e  o 
terceiro em março de 1897 (Rontgen, 1897).
● O primeiro é o trabalho mais famoso.
 
 
 
Introdução
● Dos  quase  60  trabalhos  que  publicou  durante  sua  vida, 
apenas três curtos artigos foram dedicados aos raios X. 
● Um deles no final de dezembro de 1895 (Rontgen, 1895); um 
segundo  em  março  do  ano  seguinte  (Rontgen,  1896);  e  o 
terceiro em março de 1897 (Rontgen, 1897).
● O primeiro é o trabalho mais famoso.
 
Introdução
● Röntgen:  “Eu  estava  interessado  há  muito  tempo  no 
problema  dos  raios  catódicos  em  tubos  de  vácuo, 
estudados por Hertz e Lenard”.
● “Eu  havia  seguido  suas  pesquisas  e  a  de  outros  com 
grande  interesse e decidira que  logo que  tivesse  tempo 
faria algumas pesquisas próprias. Encontrei esse  tempo 
no  final  do  último  mês  de  outubro.  Eu  já  estava 
trabalhando  há  alguns  dias  quando  descobri  algo  de 
novo.”
 
Introdução
● Röntgen:  “Eu  estava  trabalhando  com  um  tubo  de 
Crookes  coberto  por  uma  blindagem  de  papelão 
preto. Um pedaço de papel com platino­ cianeto de 
bário  estava  lá  na  mesa.  Eu  tinha  passado  uma 
corrente pelo tubo, e notei uma linha preta peculiar 
no papel”.
 
Introdução
● Röntgen:  ““Estavam  saindo  raios  do  tubo  que  tinham 
um  efeito  luminescente  sobre  o  papel.  Testei­o  com 
sucesso a distâncias cada vez maiores, até mesmo a dois 
metros.  Ele  parecia  inicialmente  um  novo  tipo  de  luz 
invisível.  Era  claramente  algo  novo,  algo  não 
registrado”.
● “Tendo  descoberto  a  existência  de  um  novo  tipo  de 
raios,  é  claro  que  comecei  a  investigar  o  que  eles 
fariam”.
 
Introdução
● Röntgen  trabalhou  intensamente  durante  algumas  semanas, 
procurando determinar as propriedades da nova radiação.
● Eles  se  propagavam  em  linha  reta,  produzindo  por  isso  sombras 
regulares.  Eram  capazes  de  penetrar  grandes  espessuras  de  diversos 
materiais  ­  especialmente  no  caso  de  materiais  menos  densos.  Os 
metais ­ especialmente o chumbo ­ o absorviam mais fortemente.
● Eram  capazes  de  produzir  fluorescência  em  várias  substâncias 
diferentes.
 
Introdução
● Por  analogia  com  a  luz,  radiação  ultravioleta  e  raios  catódicos,  ele 
estudou  várias  outras  propriedades:  os  raios  X  eram  capazes  de 
sensibilizar chapas fotográficas, como essas radiações. 
● Não podiam ser refletidos, nem refratados ­ o que os diferenciava da 
luz e da radiação ultravioleta, mas os aproximava dos raios catódicos. 
No entanto, eram muito mais penetrantes do que os raios catódicos, e, 
ao contrário desses, não podiam ser desviados por ímãs.
● Fez  alguns  testes,  e  não  detectou  fenômenos  de  interferência  e 
polarização com os novos raios.
 
 
 
Introdução
● Na época de Natal de 1895, quando se sentiu suficientemente seguro 
com  relação  às  principais  propriedades  dos  novos  raios,  Röntgen 
redigiu seu primeiro artigo.
● O  trabalho  foi  enviado  para  publicação,  e  antes  que  a  revista  fosse 
preparada, Röntgen convenceu a gráfica a imprimir um certo número 
de separatas
● No  dia  1o.  de  janeiro  ele  já  estava  enviando  pelo  correio  algumas 
dezenas  de  separatas,  acompanhadas  por  radiografias  de  diversos 
objetos ­ incluindo da mão de sua esposa.
 
Introdução
 
Introdução
● “  O  [jornal]  Wiener  Presse  foi  o  primeiro  a  soprar  a  trombeta  de 
aviso,  e  os  outros  se  seguiram.  Em  poucos  dias,  eu  estava  enojado 
com  a  coisa  toda.  Eu  já  não  conseguia  reconhecer  meu  próprio 
trabalho  nos  relatos.  Para  mim,  a  fotografia  era  um  meio  para  um 
fim, mas foi transformada na coisa mais importante”.
● “Gradualmente,  habituei­me  ao  ruído,  mas  a  tempestade  durou 
bastante.  Durante  exatas  quatro  semanas  fui  incapaz  de  fazer  um 
único experimento!”.
 
Introdução
https://www.myesr.org/html/img/pool/IDOR_2015_Poster_A4_b
r_web.jpg
https://s­media­cache­ak0.pinimg.com/236x/0
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b.jpg
http://38.media.tumblr.com/c08b65f790b678c417672c161f75e80d/tumblr_nfyvrkdZ
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Raios X contínuos e característicos
● Roentgen  descobriu  que  os  raios  X  são  produzidos 
quando um feixe de elétrons atinge um alvo.
● Os elétrons perdem grande parte da sua energia em 
colisões com elétrons atômicos no alvo, causando a 
excitação e ionização dos átomos. 
 
Raios X contínuos e característicos
● Além  do  mais,  eles  podem  ser  acentuadamente 
desviados de sua  trajetória na vizinhança do núcleo 
do átomo.
● Assim,  perdendo  energia  pela  irradiação  de  fótons 
de raios X.
 
 
 
Raios X contínuos e característicos
● Para entender os processos envolvidos na produção 
de raios X, vamos ver as propriedades típicas de um 
feixe de raios X. 
 
Raios X contínuos e característicos
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Raios X contínuos e característicos
● Os  gráficos  dão  o  número  relativo  de  fótons  em  cada 
intervalo de energia em função da energia do fóton.
● A área sob a curva é proporcional ao número total de fótons 
emitidos. 
● Estes espectros medidos nos mostram que o espectro consiste 
de um espectro contínuo e alguns picos discretos.
 
Raios X contínuos e característicos
● A  parte  contínua  é  chamada  de  radiação  de 
frenamento, ou bremsstrahlung.
● Os picos  são chamados  radiação  característica  uma 
vez que sua posição depende do número atômico do 
material alvo.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Quando  um  elétron  em  alta  velocidade  penetra  as 
camadas da superfície do alvo, ele pode sofrer um 
número diferente de tipos de colisões ou encontros.
● A  maioria  das  colisões  envolve  pequenas 
transferências  de  energia,  levando à  ionização dos 
átomos do alvo.  
 
Interações dos elétrons com o alvo
● A figura mostra um número de colisões nas quais a 
direçãode  movimento  do  elétron  é  alterada  e 
ionizações são produzidas.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
 
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Todas estas colisões transferem alguma energia aos 
elétrons que são arrancados dos átomos.
● Por exemplo, um elétron com energia de 100 keV 
pode sofrer 1000 de tais interações antes de chegar 
ao  repouso  e  a  grande  parte  da  sua  energia 
aparecerá na forma de calor.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Em  algumas  destas  colisões,  o  elétron  que  é 
arrancado do átomo pode ter energia suficiente para 
produzir sua própria trajetória.
● Estes  elétrons  são  chamados  raios  delta  ()  (figura 
anterior).
 
Interações dos elétrons com o alvo
● De  mais  interesse  para  nós  estão  os  eventos  muito 
mais  raros,  ilustrados  nas  trajetórias  b,  c  e  d  da 
figura.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● De  mais  interesse  para  nós  estão  os  eventos  muito 
mais  raros,  ilustrados  nas  trajetórias  b,  c  e  d  da 
figura.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Na  trajetória  b,  o  elétron  incidente  atinge 
diretamente  um  elétron  da  camada  K  dos 
átomos de W do alvo.
● Quando o buraco criado é preenchido por um 
elétron  de  uma  camada  mais  externa,  será 
emitida radiação característica K.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Se  o  elétron  incidente  da  trajetória  b  não  possui 
energia suficiente para ejetar o elétron da camada K 
do alvo,  então não haverá radiação característica K.
● Como no caso do espectro 
de 60 kVp.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
 
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Ocasionalmente,  o  elétron  incidente  se  aproximará 
muito perto do núcleo do átomo e sofrerá uma perda 
radiativa.
● trajetória c.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Neste  caso,  o  elétron orbita  parcialmente  ao  redor 
do núcleo pela forte atração entre o núcleo positivo 
e o elétron negativo.
● O  elétron  vai  sair  da  interação  com  energia 
reduzida.  A  perda  em  energia  aparecerá  na  forma 
de  um  fóton  com  energia  hf  e  o  elétron  incidente 
sairá com energia E – hf.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Neste  caso,  o  elétron orbita  parcialmente  ao  redor 
do núcleo pela forte atração entre o núcleo positivo 
e o elétron negativo.
● O  elétron  vai  sair  da  interação  com  energia 
reduzida.  A  perda  em  energia  aparecerá  na  forma 
de  um  fóton  com  energia  hf  e  o  elétron  incidente 
sairá com energia E – hf.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● A  desaceleração  do  elétron  dá  origem  à  radiação 
chamada de radiação de frenamento ou bremsstrahlung.
● Para  elétrons  de  alta  energia,  este  processo  é  mais 
provável que o processo de ionização.
● Esta radiação é responsável pelo espectro contínuo. 
 
Interações dos elétrons com o alvo
● A  trajetória  d  representa  o  improvável  tipo  de 
interação em que o elétron incidente vai em direção 
ao  núcleo  e  é  parado  completamente  em  uma 
colisão.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Toda a energia do elétron incidente aparecerá como 
radiação de frenamento.
● O número de tais colisões é pequeno mas finito e dá 
o limite de alta energia mostrado nos espectros.
 
 
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Toda  a  energia  do  elétron  incidente  aparecerá 
como radiação de frenamento.
● O número de tais colisões 
é pequeno mas finito e
dá o limite de alta energia 
mostrado nos espectros.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● Assim,  quando  um  elétron  de  100  keV  (que  foi 
acelerado por um potencial de 100 kVp) atinge um 
alvo, é de se esperar alguns fótons de 100 keV de 
energia mas nenhum com energia superior.
● Os  eventos  ilustrados  nas  trajetórias  b,  c  e  d  são 
muito raros comparados com o da trajetória a para 
as energias usadas nas máquinas de raios X.
 
Interações dos elétrons com o alvo
● A  100  kVp,  por  exemplo,  os  elétrons  que  atingem  o  alvo  perdem 
mais de 99% da sua energia em processos de  ionização que levam 
ao calor.
● O  tubo  de  raios  X  é  um  conversor  de  energia  em  raios  X  muito 
ineficiente.
● Em energias mais altas (betatrons ou aceleradores lineares), acorre o 
inverso, com 95% da energia convertida em radiação de frenamento.
 
Radiação Característica
● Para entender a produção de radiação característica, 
é necessário um diagrama de níveis de energia mais 
detalhado.
● Investigações  cuidadosas  demonstraram  que  a 
camada L  é  feita de  três subníveis (LI, LII  e LIII), a 
camada M de cinco subníveis (I a V), a camada N 
de 7 subníveis. 
 
Radiação Característica
● A energia desses níveis  foram medidas com grande 
precisão.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação Característica
● As entradas na tabela estão em keV e então dão o 
potencial do tubo (em kVp) necessário para excitar 
um nível particular.
● Por  exemplo,  para  um  alvo  de  tungstênio  é 
necessário um potencial no tubo de 69,525 kV para 
ejetar  o  elétron  da  camada  K  do  átomo.  Se  esta 
tensão for aplicada, todas as linhas K aparecerão.
 
 
 
Radiação Característica
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação Característica
● Quando  o  elétron  K  é  ejetado,  o  espaço  pode  ser 
preenchido por elétrons das camadas L, M ou N.
● Por exemplo, um elétron faz a  transição de LIII para K. 
A  energia  irradiada  é  a  diferença  entre  os  níveis 
correspondentes (Tabela anterior).
69,525 – 10,204 = 59,321 keV
 
Radiação Característica
● Esta  transição é  chamada  K­LIII.  O  fóton  emitido é 
chamado de linha Kα1. 
● Algumas importantes linhas de emissão são dadas:
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação Característica
● As intensidades relativas das linhas K permanecem 
as  mesmas,  independentemente  da  energia  de 
excitação.
● Porém, a quantidade comparada com a radiação de 
frenamento  aumenta  rapidamente  com  o  aumento 
da  energia  de  excitação  acima  da  energia  mínima 
para ejetar o elétron K e depois diminui lentamente.
 
Radiação Característica
● Nenhum  pico  aparece  para  o  espectro  de  60  kV 
embora esta energia é maior que as linhas K .α
● 60  kV  não  pode  excitar  esta  linha  porque  não  há 
energia suficiente para ejetar o elétron K do átomo.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação Característica
● Na região de baixa energia dos gráficos, as linhas L 
da  tabela  são  produzidas  mas  não  são  observadas 
porque  elas  são  completamente  absorvidas  no 
encapsulamento do tubo.
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
 
 
Radiação Característica
● As linhas discretas do espectro característico geralmente não são de grande 
importância,  tanto  em  diagnóstico  como  em  terapia,  porque  a  sua 
contribuição é apenas uma pequena fração da energia no espectro total.
● Mamografia  talvez  seja  a  exceção  uma  vez  que  tubos  com  alvos  de 
molibdênio para produzir radiação K entre 17 e 19 keV sãofrequentemente 
utilizados.  Filtros  de  Mo  são  adicionados  para  reduzir  o  espectro  de 
bremsstrahlung e melhorar o contraste em mamografia.  
 
Radiação bremsstrahlung
● Os tipos de interação de elétrons com o alvo que dão origem a fótons 
de radiação de frenamento já foram mencionados.
● Uma teoria para predizer o interação dos raios X em um alvo deveria 
levar em conta: as trajetórias dos elétrons dentro do alvo, a mudança 
de direção em cada  interação,  as probabilidades de perda de energia 
por cada interação, a direção de emissão dos fótons bremsstrahlung e 
sua atenuação e espalhamento ao deixar o alvo.
 
Radiação bremsstrahlung
● Isto é muito complexo.
● Solução proposta: 
● Radiação de alvo fino: considera­se um alvo de fina 
espessura  e  modo  que  nenhum  elétron  sofre  mais 
que uma colisão na média ao atravessar o alvo.
 
Radiação bremsstrahlung
● Quando  um  feixe  de  elétrons  de  energia  E1  atinge 
um alvo fino, a  intensidade da radiação emitida em 
cada  intervalo  de  energia  do  fóton  de  0  a  E1  é 
constante.
 
Radiação bremsstrahlung
● Como  a  intensidade é  proporcional  ao produto  do 
número  de  fótons  e  sua  energia,  um  fóton  com 
energia  ½  E1  será  produzido  com  duas  vezes  a 
probabilidade de um fóton com energia E1.
● Um fóton com energia 1/10 E1 com dez vezes esta 
probabilidade.
 
Radiação bremsstrahlung
● Se  plotarmos  o  número  de  fótons  por  intervalo  de 
energia em função da energia, obteremos uma curva 
aumentando  para  valores  maiores  em  menores 
energias, como ilustrado na figura.
 
 
 
Radiação bremsstrahlung
● A área sob a curva dá o total de energia radiada, que 
é igual a kE1, proporcional à máxima energia E1.
 
Radiação bremsstrahlung
● Esta  teoria  simplificada  concorda  bem  com 
os  experimentos  para  elétrons  de  baixa 
energia (até 100 keV).
● Radiação  de  alvo  grosso:  um  alvo  grosso 
pode  ser  considerado  como  um  número  de 
alvos finos superpostos.
 
Radiação bremsstrahlung
● Assim,  elétrons  com  energia  inicial  E1  irão,  após 
passar por uma camada fina do alvo, ter energia E2 
e  irão produzir um espectro correspondente a E2, e 
assim por diante. 
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação bremsstrahlung
● O espectro  total  será então a superposição de  todos 
os espectros de alvos finos para as energias E1, E2, 
E3, E4, E5 etc. (linhas pontilhadas).
Johns, H.E.; Cunningham, J.R. The physics of radiology. 4th ed. Springfield: Charles C. Thomas, 1983.
 
Radiação bremsstrahlung
● As  linhas  pontilhadas  A  e  B  são  os  espectros 
produzidos  pelo  bombardeamento  de  elétrons  de 
um alvo grosso com elétrons de 60 keV e 100 keV.
● Antes  de  compará­los  aos  espectros  medidos, 
devemos  levar  em conta os  efeitos  de  filtração do 
feixe  pela  janela  do  tubo  e  qualquer  filtração 
adicional. Feito isso, obtemos as curvas sólidas.
 
Radiação bremsstrahlung
● Elas  possuem  picos  em  torno  de  40  e  30  keV  e 
possuem  praticamente  a  mesma  forma  dos 
espectros contínuos medidos.
● Finalmente,  devemos  adicionar  a  quantidade 
apropriada  de  radiação  característica  às  curvas 
teóricas para obter concordância entre os resultados 
teóricos e experimentais.
 
 
 
Radiação bremsstrahlung
● Vários aspectos não foram levados em consideração 
(aproximação).
● Felizmente,  espectros  medidos  estão  disponíveis 
para  várias  configurações  possíveis  e  não 
precisamos depender de espectros calculados.
 
Radiação bremsstrahlung
 
Radiação bremsstrahlung