Raios X

A única diferença entre o raio X do raio gama é sua origem, a radiação gama tem origem natural, sendo emitida diretamente do núcleo do átomo, enquanto os raios X são sintéticos. Há um tempo, diferenciava-se esses dois tipos de radiação eletromagnética por sua energia, tanto que na maioria dos espectros eletromagnéticos (inclusive o que apresentamos anteriormente) o raio X encontra-se antes do Raio Gama, porém atualmente é possível produzir um raio X tão energético ou até mais energético que a radiação gama.

Produção de Raios X

Raios X são produzidos pelo bombardeamento de um material de alto número atômico com elétrons de grande velocidade (ou de grande energia cinética). Este processo para produção de raios X de kilovoltagem geralmente ocorre em um tubo de raios X, que nada mais é do que uma ampola de vidro ou metal, com vácuo em seu interior, que possui um filamento metálico em uma extremidade, denominada cátodo, e um alvo metálico na outra extremidade, denominada ânodo.

Dentro do tubo de raios-X existe uma grande diferença de potencial, devida a uma voltagem aplicada entre o cátodo e o anôdo. Para a produção de raios X, o filamento metálico é aquecido com a passagem de uma corrente elétrica, produzindo elétrons (efeito termoiônico). Estes elétrons são acelerados pela diferença de potencial em direção ao anôdo e nessa colisão parte de sua energia é convertida em raios X. Fisicamente, essa conversão de energia pode ocorrer por dois processos: 

1- Produção de raiosX de espectro característico

Quando os elétrons de alta energia incidem no material alvo, podem remover elétrons das camadas mais internas dos átomos do alvo, deixando uma lacuna na eletrosfera do átomo. Para que o material do alvo volte ao seu estado normal ocorre a transição de um elétron de uma camada mais externa para esta lacuna mais interna. Acompanhando esse rearranjo, radiação X é produzida. Esta radiação é chamada de característica porque sua energia é discreta e tem um valor característico da diferença de energia entre as camadas inicial e final do elétron envolvido na transição.  

2- Produção de raios X de espectro contínuo 

Quando os elétrons de alta energia incidem no material alvo, podem sofrer grandes alterações em sua trajetória devido a interações da sua carga elétrica com o campo elétrico dos núcleos dos átomos do material alvo. Dessa forma, os elétrons ao mudar de direção de propagação, reduzem sua energia cinética e emitem a diferença de energia na forma de raios X.  Esta radiação é conhecida como radiação de fretamento ou bremsstrahlung e depende da interação sofrida pelo elétron, podendo assumir um valor desde zero, para interação nula, até o valor máximo da energia do elétron incidente, para o caso em que o elétron é completamente freado pelo núcleo.

O feixe de raios X final produzido em tubo de raios-X depende destes dois processos, o que se reflete no espectro resultante produzido, ou seja, na intensidade de raios X produzidos para cada energia do feixe. É importante destacar que apenas 1% de toda energia dos elétrons incidentes no material alvo é convertida em raios X, os demais 99% são perdidos em forma de calor.

O espectro final de raios X pode ser alterado em função da modificação de alguns parâmetros no tubo de raios X, como por exemplo: 

– A voltagem aplicada no tubo

No interior do tubo de raios X, os elétrons são acelerados em direção ao alvo devido a diferença de potencial existente na ampola. A máxima energia dos fótons que emergem de uma ampola é a máxima energia dos elétrons que atingem o alvo. Assim, alterando-se a voltagem aplicada, altera-se a energia máxima do feixe produzido.

– A corrente no tubo

A emissão total dos raios X depende do número de elétrons que atingem o alvo, quanto maior a corrente no tubo, maior o número de elétrons colidindo com o alvo e portanto maior produção de radiação.

– O material do alvo

A quantidade de raios X produzidos é proporcional ao número atômico Z do alvo, quanto maior o número atômico do material do alvo, maior a quantidade de raios X produzidos.

Para finalizar, vale destacar que todo o processo descrito até aqui é usado na produção de feixes raios X de quilovoltagem, uma vez que com estes tubos, não é possível acelerar os elétrons até energias mais altas. Para produção de raios X de maior energia, na faixa de megavoltagem, o processo todo se baseia no choque dos elétrons como material alvo da mesma forma que descrito aqui, no entanto, mecanismos diferentes para aceleração dos elétrons são empregados.

 

 

Micro-ondas, muito além de um eletrodoméstico

Comumente utilizada, a radiação de micro-ondas abrange a faixa de frequências de 300 megahertz (MHz) a 300 gigahertz (GHz), sendo do mesmo tipo das ondas de rádio. Essa faixa corresponde a comprimentos de onda entre 1 mm e 1m, menores do que os valores para as ondas de rádio típicas. As micro-ondas são usadas não só em eletrodomésticos, mas também em comunicações, devido a sua facilidade para atravessar barreiras. Elas são capazes de penetrar a atmosfera terrestre, porém a partir de 40 GHz a atmosfera vai se tornando menos transparente à radiação. De fato, acima de 300GHz, a absorção da radiação eletromagnética pela atmosfera da Terra é tão grande que se torna praticamente opaca para as frequências mais altas. Por esse fato, elas são utilizadas para comunicação de veículos espaciais, radio astronomia, estudo da origem do universo e da superfície do planeta, por exemplo. E até mesmo em ações mais próximas das nossas rotinas, como conversas telefônicas, abertura de portas de garagem, redes locais sem fio (Bluetooth, WIFI, etc.), TV a cabo e internet banda larga por cabo coaxial, entre outros.

Gráfico aproximado da opacidade da atmosfera terrestre para vários comprimentos de onda de radiação eletromagnética. As micro-ondas são fortemente absorvidas em comprimentos de onda mais curtos do que cerca de 1,5 cm (frequência superior a 20 GHz) pela água e outras moléculas no ar.

Como fontes geradoras de micro-ondas de baixa potência, são utilizados os transistores de efeito de campo, transístores bipolares, diodo Gunn e diodo IMPATT, entre outros dispositivos de estado sólido. Por outro lado, dispositivos à válvula, ou válvulas termiônicas como magnéton (usado em fornos de micro-ondas), o klystron, o TWT (traveling-wave tube) e o gyrotron, utilizam o movimento balístico de elétrons no vácuo sob a influência de campos elétricos e magnéticos controladores para gerar micro-ondas de alta potência.
As micro-ondas, assim como ocorre com as ondas visíveis, obedecem às leis da óptica e podem ser transmitidas, absorvidas ou refletidas, variando com o tipo de material. As diferentes interações entre as micro-ondas e os materiais está ilustrada na figura abaixo.

Interação das micro-ondas com os materiais

Para comunicação ponto-a-ponto, a vantagem das micro-ondas em comparação com as ondas de rádio, é que, pela sua frequência alta, ela pode carregar um maior número de informações, já que a quantidade de informações transmitidas é proporcional à frequência. Além disso, suas ondas curtas de alta frequência permitem boa condução e direcionamento exato das ondas.

Já no caso dos radares, as micro-ondas emitidas, ao encontrar os corpos presentes no ambiente, são refletidas pelas partículas sólidas e retornam ao receptor de rádio em uma certa velocidade, e consequentemente com frequência e comprimento de onda característicos. O rádio capta este sinal e utiliza um algoritmo para efetuar a medição do comprimento de onda para servir de parâmetro. O sensor de micro-ondas é ativo e passivo, atuando na emissão e captação do sinal.

Reflexão das ondas

O que acontece de forma mais específica, é que o sensor funciona como um radar comum, utilizando o princípio do efeito Doppler. Observado e teorizado pelo físico austríaco Christian Doppler em 1843, ele mede a variação da frequência e do comprimento das ondas devido ao movimento da fonte emissora e da velocidade das ondas. Então, se um certo corpo entrar em um ambiente e começar a se movimentar, mesmo com velocidade baixa, se afastando ou se aproximando da fonte de micro-ondas, a frequência de recepção das ondas será alterada, o que no caso de um sensor, faz um sinal ser enviado ao sistema de controle e ativar um alarme. Um fator interessante é que a água absorve as micro-ondas; assim, se houver água no caminho, as micro-ondas não retornarão ao sensor, e isso fará com que haja uma alteração e posteriormente ative um alarme. Dessa forma, como o corpo humano é composto por 70% de água, uma pessoa ao adentrar em um ambiente com um sensor de micro-ondas ativado, absorverá as micro-ondas e não permitirá que ela retorne ao sensor, ativando o alarme.
Essa característica da água de absorver as micro-ondas é importante para outra utilidade: o tão conhecido e comum forno de micro-ondas. Este eletrodoméstico foi descoberto nos momentos finais da 2ª Guerra Mundial, próximo de 1941. O cientista Percy Spencer foi o inventor, e trabalhava em uma fábrica de radares que emitiam as micro-ondas para detectar a presença de inimigos. Ele percebeu que ao trabalhar com as micro-ondas, um alimento que estava em seu bolso era aquecido, e teve a ideia de criar um aparelho específico para esta função. Assim, poucos anos depois, em 1947, surgiu o primeiro forno de micro-ondas, como conhecido atualmente. A função deste aparelho é de aquecer o alimento dentro dele, por meio de agitação das moléculas de água presentes em sua composição. Neste caso, micro-ondas de frequência próxima a 2,45 GHz (12 cm) passam pelo alimento, causando o aquecimento. Assim, ao parar a emissão das ondas, estas imediatamente desaparecem, fazendo com que não haja nenhum vestígio delas no objeto aquecido.
Não há estudo completo que prove a total ausência de riscos em relação à saúde envolvidos no contato com as micro-ondas. As ondas que podem “escapar” do forno de micro-ondas são regulamentadas pelo órgão administrador de alimentos e medicamentos dos Estados Unidos (FDA – EUA), que classificam esse risco como “muito abaixo de um nível considerado perigoso para causar danos às pessoas”. No entanto, devido a importância do seu uso no cotidiano, estudos ainda são voltados para entender os possíveis riscos biológicos das micro-ondas para um uso seguro.