Tubo de Crookes

Em uma ampola de vidro, William Crookes submeteu um gás à pressão ambiente e a altas tensões, por meio de duas placas metálicas localizadas no fundo e na frente da ampola, cada qual carregada com cargas diferentes. Quando a diferença de potencial entre as placas era suficientemente grande, os elétrons saiam do cátodo (placa carregada negativamente), colidiam com moléculas do gás, ocorrendo a sua ionização e/ou liberação de luz devido às transições eletrônicas dos átomos do gás, iluminando assim, toda a ampola. A partir desses experimentos, Joseph John Thomson observou que tal fenômeno é independente do gás e do metal utilizado nos eletrodos (placas metálicas). Concluiu, então, que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento químico. Devido a essa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, atestar a existência do elétron.

A descoberta dos Raios X

Foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem detectou pela primeira vez os raios X, que foram assim chamados devido ao desconhecimento, por parte da comunidade científica da época, a respeito da natureza dessa radiação. A descoberta ocorreu quando Röentgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Todo o aparato foi envolvido por uma caixa com um filme negro em seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário. Röentgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam umaradiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a chegada desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto indicava que a radiação possui alto poder de penetração. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico. O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea internada mão humana. Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.

Produção

O dispositivo que gera raios X é chamado de tubo de Coolidge. Da mesma forma que uma válvula termiônica, este componente é um tubo oco e evacuado, ainda possui um catodo incandescente que gera um fluxo de elétrons de alta energia. Estes são acelerados por uma grande diferença de potencial e atingem ao ânodo ou placa.O ânodo é confeccionado em tungstênio. A razão deste tipo de construção é a geração de calor pelo processo de criação dos raios X. O tungstênio suporta temperaturas que vão até 3340 °C. Além disso, possui um razoável valor de número atômico (74) o que é útil para o fornecimento de átomos para colisão com os elétrons vindos do catodo (filamento). Para não fundir, o dispositivo necessita de resfriamento através da inserção do tungstênio em um bloco de cobre que se estende até o exterior do tubo de raios X que está imerso em óleo. Esta descrição refere-se ao tubo de anodo fixo.Ao serem acelerados, os elétrons ganham energia e são direcionados contra um alvo; ao atingi-lo, são bruscamente freados, perdendo uma parte da energia adquirida durante a aceleração. O resultado das colisões e da frenagem é a energia transferida dos elétrons para os átomosdo elemento alvo. Este se aquece bruscamente, pois em torno de 99% da energia do feixe eletrônico é dissipada nele.A brusca desaceleração de uma carga eletrônica gera a emissão de um pulso de radiação eletromagnética. A este efeito dá-se o nome deBremsstrahlung, que significa radiação de freio.As formas de colisão do feixe eletrônico no alvo dão-se em diferentes níveis energéticos devido às variações das colisões ocorridas. Como existem várias formas possíveis de colisão devido à angulação de trajetória, o elétron não chega a perder a totalidade da energia adquirida num único choque, ocorrendo então a geração de um amplo espectro de radiação cuja gama de frequências é bastante larga, ou com diversos comprimentos de onda. Estes dependem da energia inicial do feixe eletrônico incidente, e é por isso que existe a necessidade de milhares de volts de potencial de aceleração para a produção dos raios X.

Detecção

A detecção dos raios X pode ser feita de diversas maneiras, a principal é a impressão de chapas fotográficas que permite o uso medicinal e industrial através das radiografias. Outras formas de detecção são pelo aquecimento de elementos à base de chumbo, que geram imagenstermográficas, o aquecimento de lâminas de chumbo para medir sua intensidade, além de elementos que possuem gases em seu interior à exemplo da válvula Geiger-Müller utilizada para a detecção de radiação ionizante e radiação não ionizante. Podendo ainda ser difratado através de um cristal e dividido em diversos espectros de onda. Sensores (Foto transistores ou foto diodos) captam uma ou algumas faixas de espectro, e são amplificados e digitalizados, formando imagens. Esse último processo (difração de raios X, por cristais) é comumente utilizado em equipamentos de inspeção de bagagens e cargas.

Os Raios X Fazem Mal

A descoberta dos raios X provocou um impacto extraordinário no mundo da medicina; eles permitem que um paciente seja examinado internamente sem nenhuma cirurgia.

Mas os raios X também podem ser perigosos. No princípio da descoberta dos raios X, muitos médicos ficaram expostos e expuseram seus pacientes aos feixes por longos períodos de tempo. Conseqüentemente, médicos e pacientes começaram a desenvolver doenças causadas por radiação e a comunidade médica percebeu que algo estava errado.

O problema é que os raios X são uma forma de radiação ionizante. Quando a luz normal atinge um átomo, ela não muda esse átomo de maneira significativa. Mas quando raios X atingem um átomo, ele pode expulsar elétrons do átomo para criar um íon, um átomo eletricamente carregado. Então, os elétrons livres colidem com outros átomos para criar mais íons.

A carga elétrica de um íon pode gerar uma reação química anormal dentro das células. Entre outras coisas, a carga pode quebrar as cadeias de DNA. Uma célula com uma cadeia de DNA quebrada pode morrer ou o DNA desenvolver uma mutação. Se várias células morrerem, o corpo pode desenvolver várias doenças. Se o DNA sofrer mutação a célula pode se tornar cancerígena - e este câncer pode se espalhar. Se a mutação é em um espermatozóide ou em um óvulo, pode causar defeitos de nascença. Por causa de todos esses riscos, atualmente os médicos usam os raios X moderadamente.

Mesmo com estes riscos, o raio X ainda é uma opção mais segura que a cirurgia. As máquinas de raios X são ferramentas médicas valiosas, assim como são valiosas em segurança e em pesquisa científica. Elas são uma das invenções mais úteis de todos os tempos.