O que sabemos sobre os raios X?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

No século 19, a radiação invisível ao olho humano, capaz de passar pela carne e outros materiais, parecia algo completamente fantástico. Agora, os raios X são amplamente usados para criar imagens médicas, conduzir terapia de radiação, analisar obras de arte e resolver problemas de energia nuclear.

Como a radiação de raios X foi descoberta e como ela ajuda as pessoas - descobrimos junto com o físico Alexander Nikolaevich Dolgov.

A descoberta dos raios X

A partir do final do século 19, a ciência começou a desempenhar um papel fundamentalmente novo na formação da imagem do mundo. Há um século, as atividades dos cientistas eram de natureza amadora e privada. No entanto, no final do século XVIII, como resultado da revolução científica e tecnológica, a ciência tornou-se uma atividade sistemática em que toda descoberta se tornou possível graças à contribuição de muitos especialistas.

Institutos de pesquisa, revistas científicas periódicas começaram a aparecer, competição e luta surgiram pelo reconhecimento de direitos autorais para realizações científicas e inovações técnicas. Todos esses processos ocorreram no Império Alemão, onde, no final do século 19, o Kaiser incentivou conquistas científicas que aumentaram o prestígio do país no cenário mundial.

Um dos cientistas que trabalharam com entusiasmo nesse período foi o professor de física reitor da Universidade de Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Em 8 de novembro de 1895, fica até tarde no laboratório, como costuma acontecer, e decide fazer um estudo experimental da descarga elétrica em tubos de vácuo de vidro. Ele escureceu a sala e embrulhou um dos tubos em papel preto opaco para facilitar a observação dos fenômenos ópticos que acompanham a descarga. Para minha surpresa

Roentgen viu uma faixa de fluorescência em uma tela próxima coberta com cristais de cianoplatinita de bário. É improvável que um cientista pudesse imaginar que estava prestes a realizar uma das mais importantes descobertas científicas de seu tempo. No ano que vem, serão escritas mais de mil publicações sobre raios X, os médicos colocarão imediatamente em serviço a invenção, graças a ela, a radioatividade será descoberta no futuro e novos rumos da ciência surgirão.

Roentgen dedicou as semanas seguintes a investigar a natureza do brilho incompreensível e descobriu que a fluorescência aparecia sempre que ele aplicava corrente ao tubo. O tubo era a fonte da radiação, não alguma outra parte do circuito elétrico. Sem saber o que estava enfrentando, Roentgen decidiu designar esse fenômeno como raios X, ou raios X. Além disso, Roentgen descobriu que essa radiação pode penetrar quase todos os objetos em diferentes profundidades, dependendo da espessura do objeto e da densidade da substância.

Assim, um pequeno disco de chumbo entre o tubo de descarga e a tela ficou impermeável aos raios X, e os ossos da mão lançaram uma sombra mais escura na tela, circundados por uma sombra mais clara de tecidos moles. Logo o cientista descobriu que os raios X causam não só o brilho da tela coberta com cianoplatinita de bário, mas também o escurecimento das placas fotográficas (após revelação) nos locais onde os raios X incidem sobre a emulsão fotográfica.

No decorrer de seus experimentos, Roentgen estava convencido de que havia descoberto uma radiação desconhecida para a ciência. Em 28 de dezembro de 1895, ele relatou os resultados da pesquisa em um artigo "Sobre um novo tipo de radiação" na revista Annals of Physics and Chemistry. Ao mesmo tempo, enviou aos cientistas as fotos da mão de sua esposa, Anna Bertha Ludwig, que mais tarde ficou famosa.

Graças ao velho amigo de Roentgen, o físico austríaco Franz Exner, os habitantes de Viena foram os primeiros a ver essas fotos em 5 de janeiro de 1896 nas páginas do jornal Die Presse. No dia seguinte, a informação sobre a inauguração foi transmitida ao jornal London Chronicle. Assim, a descoberta de Roentgen começou gradualmente a entrar na vida diária das pessoas. A aplicação prática foi encontrada quase imediatamente: em 20 de janeiro de 1896, em New Hampshire, os médicos trataram um homem com um braço quebrado usando um novo método de diagnóstico - um raio-X.

Uso precoce de raios-X

Ao longo de vários anos, as imagens de raios-X começaram a ser usadas ativamente para operações mais precisas. Já 14 dias após sua inauguração, Friedrich Otto Valkhoff fez o primeiro raio-X dentário. E depois disso, junto com Fritz Giesel, eles fundaram o primeiro laboratório de raios-X odontológico do mundo.

Em 1900, 5 anos após sua descoberta, o uso de raios X no diagnóstico era considerado parte integrante da prática médica.

As estatísticas compiladas pelo hospital mais antigo da Pensilvânia podem ser consideradas um indicativo da difusão de tecnologias baseadas na radiação de raios-X. Segundo ela, em 1900, apenas cerca de 1-2% dos pacientes recebiam ajuda com raios-X, enquanto em 1925 já eram 25%.

Os raios X eram usados de uma maneira muito incomum na época. Por exemplo, eles foram usados para fornecer serviços de depilação. Por muito tempo, esse método foi considerado preferível em comparação com os mais dolorosos - pinça ou cera. Além disso, os raios X têm sido usados em aparelhos de fixação de sapatos - fluoroscópios try-on (pedoscópios). Eram aparelhos de raio-X com entalhe especial para os pés, além de janelas pelas quais o cliente e os vendedores pudessem avaliar como o calçado se assentava.

O uso precoce de imagens de raios-X de uma perspectiva de segurança moderna levanta muitas questões. O problema era que, na época da descoberta dos raios X, praticamente nada se sabia sobre a radiação e suas consequências, razão pela qual os pioneiros que utilizaram a nova invenção enfrentaram seus efeitos nocivos em sua própria experiência. tornou-se um fenômeno de massa na virada do século 19. Séculos XX, e as pessoas começaram a perceber gradualmente os perigos do uso irracional dos raios-X.

A natureza dos raios-x

A radiação de raios X é uma radiação eletromagnética com energias de fótons de ~ 100 eV a 250 keV, que se encontra na escala de ondas eletromagnéticas entre a radiação ultravioleta e a radiação gama. Faz parte da radiação natural que ocorre nos radioisótopos quando os átomos dos elementos são excitados por uma corrente de elétrons, partículas alfa ou gama quanta, na qual os elétrons são ejetados das camadas de elétrons do átomo. A radiação de raios X ocorre quando partículas carregadas se movem com aceleração, em particular, quando os elétrons são desacelerados, no campo elétrico dos átomos de uma substância.

Os raios X suaves e duros são distinguidos, o limite condicional entre os quais na escala de comprimento de onda é de cerca de 0,2 nm, o que corresponde a uma energia de fóton de cerca de 6 keV. A radiação de raios X é penetrante, devido ao seu curto comprimento de onda, e ionizante, pois ao passar por uma substância, interage com os elétrons, expulsando-os dos átomos, quebrando-os em íons e elétrons e alterando a estrutura da substância em qual atua.

Os raios X fazem com que um composto químico chamado fluorescência brilhe. A irradiação dos átomos da amostra com fótons de alta energia causa a emissão de elétrons - eles deixam o átomo. Em um ou mais orbitais de elétrons, "buracos" são formados - espaços vazios, devido aos quais os átomos entram em um estado de excitação, ou seja, tornam-se instáveis. Milionésimos de segundo depois, os átomos voltam a um estado estável, quando as lacunas nos orbitais internos são preenchidas com elétrons dos orbitais externos.

Essa transição é acompanhada pela emissão de energia na forma de um fóton secundário, daí o surgimento da fluorescência.

Astronomia de raios-x

Na Terra, raramente encontramos raios-X, mas com bastante frequência, eles são encontrados no espaço. Lá, ocorre naturalmente devido à atividade de muitos objetos espaciais. Isso tornou possível a astronomia de raios-X. A energia dos fótons de raios X é muito maior do que a dos ópticos, portanto, na faixa dos raios X emite uma substância aquecida a temperaturas extremamente altas.

Essas fontes cósmicas de radiação de raios X não são uma parte perceptível da radiação de fundo natural para nós e, portanto, não ameaçam as pessoas de forma alguma. A única exceção pode ser uma fonte de radiação eletromagnética forte como uma explosão de supernova, que ocorreu perto o suficiente do sistema solar.

Como criar raios X artificialmente?

Dispositivos de raios-X ainda são amplamente usados para introscopia não destrutiva (imagens de raios-X na medicina, detecção de falhas na tecnologia). Seu principal componente é um tubo de raios X, que consiste em um cátodo e um ânodo. Os eletrodos tubulares são conectados a uma fonte de alta voltagem, geralmente dezenas ou mesmo centenas de milhares de volts. Quando aquecido, o cátodo emite elétrons, que são acelerados pelo campo elétrico gerado entre o cátodo e o ânodo.

Colidindo com o ânodo, os elétrons são desacelerados e perdem a maior parte de sua energia. Nesse caso, a radiação bremsstrahlung da faixa dos raios X aparece, mas a parte predominante da energia do elétron é convertida em calor, então o ânodo é resfriado.

O tubo de raios X de ação constante ou pulsada ainda é a fonte mais difundida de radiação de raios X, mas está longe de ser a única. Para obter pulsos de radiação de alta intensidade, são utilizadas descargas de alta corrente, nas quais o canal de plasma da corrente que flui é comprimido por seu próprio campo magnético da corrente - o chamado pinching.

Se a descarga ocorre em um meio de elementos leves, por exemplo, em um meio de hidrogênio, então ela desempenha o papel de um acelerador efetivo de elétrons pelo campo elétrico que surge na própria descarga. Esta descarga pode exceder significativamente o campo gerado por uma fonte de corrente externa. Dessa forma, são obtidos pulsos de radiação de raios X duros com alta energia dos quanta gerados (centenas de quiloeletronvolts), que possuem alto poder de penetração.

Para obter raios-X em uma ampla faixa espectral, são usados aceleradores de elétrons - síncrotrons. Neles, a radiação é formada dentro de uma câmara de vácuo anular, na qual um feixe estreitamente direcionado de elétrons de alta energia, acelerado quase à velocidade da luz, se move em uma órbita circular. Durante a rotação, sob a influência de um campo magnético, os elétrons voadores emitem feixes de fótons tangencialmente à órbita em um amplo espectro, cujo máximo cai na faixa dos raios-X.

Como os raios X são detectados

Por muito tempo, uma fina camada de fósforo ou emulsão fotográfica aplicada à superfície de uma placa de vidro ou filme de polímero transparente foi usada para detectar e medir a radiação de raios-X. O primeiro brilhou na faixa ótica do espectro sob a ação da radiação de raios X, enquanto a transparência ótica do revestimento mudou no filme sob a ação de uma reação química.

Atualmente, os detectores eletrônicos são mais frequentemente usados para registrar a radiação de raios-X - dispositivos que geram um pulso elétrico quando um quantum de radiação é absorvido no volume sensível do detector. Eles diferem no princípio de converter a energia da radiação absorvida em sinais elétricos.

Os detectores de raios X com registro eletrônico podem ser divididos em ionização, cuja ação é baseada na ionização de uma substância, e radioluminescente, incluindo a cintilação, utilizando a luminescência de uma substância sob ação de radiação ionizante. Os detectores de ionização, por sua vez, são divididos em preenchidos com gás e semicondutores, dependendo do meio de detecção.

Os principais tipos de detectores cheios de gás são câmaras de ionização, contadores Geiger (contadores Geiger-Muller) e contadores proporcionais de descarga de gás. Os quanta de radiação que entram no ambiente de trabalho do contador causam a ionização do gás e o fluxo de corrente, que é registrado. Em um detector semicondutor, pares de elétron-buraco são formados sob a ação de quanta de radiação, que também possibilitam que uma corrente elétrica flua pelo corpo do detector.

O principal componente dos contadores de cintilação em um dispositivo a vácuo é um tubo fotomultiplicador (PMT), que usa o efeito fotoelétrico para converter a radiação em um fluxo de partículas carregadas e o fenômeno da emissão de elétrons secundários para aumentar a corrente das partículas carregadas geradas. O fotomultiplicador possui um fotocátodo e um sistema de eletrodos de aceleração sequencial - dinodos, no qual os elétrons acelerados se multiplicam.

O multiplicador de elétrons secundário é um dispositivo de vácuo aberto (opera apenas sob condições de vácuo), no qual a radiação de raios-X na entrada é convertida em um fluxo de elétrons primários e, em seguida, amplificada devido à emissão secundária de elétrons à medida que se propagam no canal do multiplicador.

As placas de microcanais, que são um grande número de canais microscópicos separados que penetram no detector de placas, funcionam de acordo com o mesmo princípio. Eles podem, adicionalmente, fornecer resolução espacial e a formação de uma imagem óptica da seção transversal do fluxo incidente no detector de radiação de raios-X, bombardeando o fluxo de elétrons de saída de uma tela semitransparente com um fósforo depositado nela.

Raios x em medicina

A capacidade dos raios X de brilhar através de objetos materiais não só dá às pessoas a capacidade de criar raios X simples, mas também abre possibilidades para ferramentas de diagnóstico mais avançadas. Por exemplo, é o cerne da tomografia computadorizada (TC).

A fonte e o receptor de raios X giram dentro do anel em que o paciente se encontra. Os dados obtidos sobre como os tecidos do corpo absorvem os raios X são reconstruídos por um computador em uma imagem 3D. A TC é especialmente importante para o diagnóstico de AVC e, embora seja menos precisa do que a ressonância magnética do cérebro, leva muito menos tempo.

Uma direção relativamente nova, que agora está se desenvolvendo na microbiologia e na medicina, é o uso de radiação de raios-X suave. Quando um organismo vivo é translúcido, permite obter uma imagem dos vasos sanguíneos, estudar detalhadamente a estrutura dos tecidos moles e até fazer estudos microbiológicos ao nível celular.

Um microscópio de raios-X usando radiação de uma descarga do tipo pinch no plasma de elementos pesados torna possível ver esses detalhes da estrutura de uma célula viva,que não pode ser visto por um microscópio eletrônico, mesmo em uma estrutura celular especialmente preparada.

Uma das modalidades de radioterapia utilizadas no tratamento de tumores malignos é a radioterapia dura, que se torna possível devido ao seu efeito ionizante, que destrói o tecido de um objeto biológico. Nesse caso, um acelerador de elétrons é usado como fonte de radiação.

Radiografia em tecnologia

Os raios X moles são usados em pesquisas destinadas a resolver o problema da fusão termonuclear controlada. Para iniciar o processo, você precisa criar uma onda de choque de recuo irradiando um pequeno alvo de deutério e trítio com raios X suaves de uma descarga elétrica e aquecendo instantaneamente a casca desse alvo até um estado de plasma.

Essa onda comprime o material alvo a uma densidade milhares de vezes maior do que a densidade de um sólido e o aquece até uma temperatura termonuclear. A liberação da energia de fusão termonuclear ocorre em um curto espaço de tempo, enquanto o plasma quente se espalha por inércia.

A capacidade de translúcido torna possível a radiografia - uma técnica de imagem que permite exibir a estrutura interna de um objeto opaco feito de metal, por exemplo. É impossível determinar a olho nu se as estruturas da ponte foram soldadas com firmeza, se a costura do gasoduto é hermética e se os trilhos se encaixam perfeitamente.

Portanto, na indústria, o raio X é usado para detecção de falhas - monitorando a confiabilidade das principais propriedades e parâmetros de trabalho de um objeto ou de seus elementos individuais, o que não requer a retirada ou desmontagem do objeto.

A espectrometria de fluorescência de raios-X é baseada no efeito da fluorescência - um método de análise usado para determinar as concentrações de elementos de berílio a urânio na faixa de 0,0001 a 100% em substâncias de várias origens.

Quando uma amostra é irradiada com um poderoso fluxo de radiação de um tubo de raios X, surge a radiação fluorescente característica dos átomos, que é proporcional à sua concentração na amostra. Atualmente, praticamente todo microscópio eletrônico permite determinar, sem qualquer dificuldade, a composição elementar detalhada dos micro-objetos estudados pelo método de análise de fluorescência de raios-X.

Raios X na história da arte

A capacidade dos raios X de brilhar e criar um efeito de fluorescência também é usada para estudar pinturas. O que está escondido sob a camada superior de tinta pode dizer muito sobre a história da criação da tela. Por exemplo, é no trabalho habilidoso com várias camadas de tinta que uma imagem pode ser considerada única na obra de um artista. Também é importante levar em consideração a estrutura das camadas da pintura ao escolher as condições de armazenamento mais adequadas para a tela.

Por tudo isso, a radiação de raios X é imprescindível, permitindo que você olhe por baixo das camadas superiores da imagem sem prejudicá-la.

Desenvolvimentos importantes nessa direção são novos métodos especializados para trabalhar com obras de arte. A fluorescência macroscópica é uma variante da análise de fluorescência de raios-X bem adequada para visualizar a estrutura de distribuição de elementos-chave, principalmente metais, presentes em áreas de cerca de 0,5-1 metro quadrado ou mais.

Por outro lado, a laminografia de raios-X, uma variante da tomografia computadorizada de raios-X, mais indicada para o estudo de superfícies planas, parece promissora para a obtenção de imagens de camadas individuais de uma imagem. Esses métodos também podem ser usados para estudar a composição química da camada de tinta. Isso permite que a tela seja datada, inclusive para identificar uma falsificação.

Os raios X permitem que você descubra a estrutura de uma substância

A cristalografia de raios X é uma direção científica associada à identificação da estrutura da matéria nos níveis atômico e molecular. Uma característica distintiva dos corpos cristalinos é uma múltipla repetição ordenada na estrutura espacial dos mesmos elementos (células), consistindo de um determinado conjunto de átomos, moléculas ou íons.

O principal método de pesquisa consiste em expor uma amostra cristalina a um estreito feixe de raios-X usando uma câmera de raios-X. A fotografia resultante mostra uma imagem de raios-X difratados passando pelo cristal, a partir da qual os cientistas podem então exibir visualmente sua estrutura espacial, chamada de rede cristalina. Várias maneiras de implementar este método são chamadas de análise estrutural de raios-X.

A análise estrutural de raios-X de substâncias cristalinas consiste em duas etapas:

1. Determinação do tamanho da célula unitária do cristal, do número de partículas (átomos, moléculas) na célula unitária e da simetria do arranjo das partículas. Esses dados são obtidos por meio da análise da geometria da localização dos máximos de difração.
2. Cálculo da densidade eletrônica dentro da célula unitária e determinação das coordenadas atômicas, que são identificadas com a posição dos máximos da densidade eletrônica. Esses dados são obtidos analisando a intensidade dos máximos de difração.

Alguns biólogos moleculares prevêem que, na obtenção de imagens das moléculas maiores e mais complexas, a cristalografia de raios-X pode ser substituída por uma nova técnica chamada microscopia eletrônica criogênica.

Uma das mais novas ferramentas em análise química foi o scanner de filme de Henderson, que ele usou em seu trabalho pioneiro em microscopia eletrônica criogênica. No entanto, esse método ainda é bastante caro e, portanto, é improvável que substitua completamente a cristalografia de raios-X em um futuro próximo.

Uma área relativamente nova de pesquisa e aplicações técnicas associadas ao uso de raios-X é a microscopia de raios-X. Ele é projetado para obter uma imagem ampliada do objeto em estudo no espaço real em duas ou três dimensões usando a ótica de focalização.

O limite de difração de resolução espacial em microscopia de raios X devido ao pequeno comprimento de onda da radiação usada é cerca de 1000 vezes melhor do que o valor correspondente para um microscópio óptico. Além disso, o poder de penetração da radiação de raios X permite estudar a estrutura interna de amostras totalmente opacas à luz visível.

E embora a microscopia eletrônica tenha a vantagem de uma resolução espacial ligeiramente superior, não é um método de investigação não destrutivo, pois requer vácuo e amostras com superfícies metálicas ou metalizadas, o que é totalmente destrutivo, por exemplo, para objetos biológicos.