Pode ser que nem todos tenham ouvido falar dos raios ultravioletas e infravermelhos, mas da existência dos raios X é evidente que todos sabem. Estes raios interessantes atravessam corpos que, para a luz habitual, são opacos. O expoente de absorção deles é proporcional à densidade da substância. Por isso, com o auxílio dos raios X é possível obter uma fotografia dos órgãos internos do homem. Nestas fotografias, distinguem-se bem os ossos do esqueleto ( fig. 1) e detectam-se diferentes deformações dos tecidos brandos.
A descoberta dos raios X
Os raios X foram descobertos em 1895 pelo físico alemão W. Röntgen. Röntgen soube ver, soube notar coisas novas onde muitos cientistas - seus antecessores - não viram nada de interessante. Este dom especial permitiu-lhe fazer uma descoberta importante.
No fim do séc. XIX, a atenção geral dos físicos estava virada para as descargas em gases a pressão baixa. Nestas condições, num tubo de descarga de gás forma-se um fluxo de elétrons muito rápidos. Nesse tempo, chamavam-lhes raios catódicos. A natureza destes raios ainda não tinha sido determinada rigorosamente. Só se sabia que estes raios partiam do tubo catódico.
Tendo-se dedicado ao estudo dos raios catódicos. Röntgen depressa viu que a chapa fotográfica, que se encontrava perto do tubo de descarga, era impressionada mesmo no caso do tubo estar envolvido em papel preto. Depois disto, ele conseguiu observar ainda um fenômeno que o surpreendeu. Um écran de papel, umedecido por uma solução de platinocianeto de bário, começava a iluminar-se, se com ele se envolvesse o tubo carregado. Além disso, quando Röntgen colocou a mão entre o tubo e o écran, neste tornaram-se visíveis as sombras escuras dos ossos, sobre o fundo de impressões mais claras da mão inteira.
O cientista compreendeu que quando o tubo de descarga funcionava, aparecia uma radiação fortemente penetrante que até então não era conhecida. Chamou-lhe raios X. Mais tarde, esta radiação passou a ser chamada também " raios Röntgen ".
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Fig. 1 |
Fig. 2 |
Röntgen verificou que o novo tipo de radiação aparecia no lugar onde os raios catódicos (feixes de elétrons rápidos) chocavam com as paredes de vidro do tubo. Neste lugar o vidro iluminava-se com uma cor esverdeada. Experiências posteriores mostraram que os raios X apareciam quando os elétrons rápidos eram retardados por qualquer obstáculo, em particular, pelos eléctrodos metálicos.
Propriedades dos raios X
Os raios, descobertos por Röntgen, atuavam na chapa fotográfica, provocavam a ionização do ar, mas não eram refletidos, de forma sensível, por nenhuma substância e não se refratavam. O campo electromagnético não exercia nenhuma influência na direção da sua propagação.
Logo surgiu a hipótese de que os raios X são ondas electromagnéticas que se irradiam durante a travagem brusca dos elétrons. Os raios X distinguem-se dos raios luminosos da parte visível do espectro e dos raios ultravioletas pelo fato de terem menor comprimento de onda. O seu comprimento de onda é tanto menor quanto maior for a energia dos elétrons que chocam com os obstáculos. A grande capacidade de penetração dos raios X e as suas outras particularidades estão ligadas ao fato de eles terem um comprimento de onda muito pequeno. Mas esta hipótese precisava de ser demonstrada e a sua demonstração só foi obtida 15 anos depois da descoberta do Röntgen.
A difração dos raios X
Se a radiação de Röntgen ( de raios X) é constituída por ondas electromagnéticas, então ela deve verificar a difração - fenômeno a que obedecem todos os tipos de ondas. Ao princípio, fazia-se passar os raios X através de uma fenda muito estreita em discos de chumbo, mas não se conseguiu verificar nada que fosse parecido com difração. O físico alemão MAX LAUE considerou que o comprimento de onda dos raios X fosse muito pequeno para que se tornasse possível verificar a difração destas ondas em obstáculos criados artificialmente, visto que não é possível construir fendas de comprimento 10-10 m, porque desse tamanho são os próprios átomos. E se os raios X tivessem um comprimento de onda próximo das dimensões dos átomos? Então resta-nos uma única possibilidade - utilizar os cristais. Estes têm uma estrutura ordenada, onde as distâncias entre os átomos isolados são da mesma ordem que o tamanho dos próprios átomos, ou seja, 10-10 m. Os cristais, com a sua estrutura periódica, constituem um dispositivo natural, que deve, sem falta, provocar uma difração sensível das ondas, se o comprimento destas for próximo do tamanho dos átomos.
E assim se fez incidir um feixe de raios X num cristal, atrás do qual se encontrava uma chapa fotográfica. O resultado estava totalmente de acordo com as perspectivas mais optimistas. A par de uma mancha central grande, dada pelos raios, que se propagavam em linha reta, surgiram pequenas manchas dispostas regularmente à volta da primeira ( fig. 2) . O aparecimento destas manchas só se podia explicar com base na difração dos raios X pela estrutura ordenada do cristal.
O estudo do quadro de difração permitiu determinar o comprimento de onda dos raios X. Ele era menor do que o comprimento da onda da radiação ultravioleta e era da mesma ordem do tamanho do átomo ( 10-10 m) .
A aplicação dos raios X
Os raios X têm numerosas aplicações práticas muito importantes.
Na medicina aplicam-se para diagnosticar doenças.
Os raios X são amplamente aplicados na investigação científica.
Devido ao quadro de difração, que nos é dado pelos raios X quando atravessam cristais, é possível verificar a ordem de disposição dos átomos no espaço-estrutura dos cristais. Fazer isto para os cristais de substâncias inorgânicas não foi muito difícil. Mas com o auxílio da análise estrutural com raios de Röntgen pode decifrar-se a estrutura das ligações orgânicas complexas, incluindo as proteínas. Em particular, foi determinada a estrutura das moléculas da hemoglobina que contêm dezenas de milhares de átomos.
Isto foi possível graças ao fato do comprimento de onda dos raios X ser muito pequeno e de isso tornar possível "ver" as estruturas moleculares. Ver, como é evidente, não no sentido literal da palavra; trata-se de obter um quadro de difração , com o auxílio do qual, trabalhando bastante na sua decifração , se pode conhecer o caráter da disposição dos átomos no espaço .
Uma das aplicações dos raios X é a radio localização - um método de detectar falhas em peças fundidas, fendas nos carris, verificação da qualidade das costuras de soldagem, etc. A radio localização com raios de Röntgen é baseada na variação da absorção dos raios X pelo artigo, se dentro dele existirem cavidades ou corpos estranhos.
A estrutura do tubo de Röntgen
Para obter raios X, construíram-se mecanismos muito perfeitos que se chamam tubos de Röntgen . Eles diferenciam-se substancialmente dos aparelhos construídos por Röntgen.
Fig. 3
Na fig. 3 está representada esquematicamente a estrutura de um tubo eletrônico de Röntgen. O cátodo C é uma espiral de volfrâmio, que emite elétrons graças à emissão termo eletrônica. O cilindro Cl foca o feixe de elétrons que depois colidem com o eletrodo metálico (ânodo) A . Durante este processo, formam-se os raios X. A diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo atinge várias dezenas de quilo volts. No tubo forma-se um alto vácuo; a pressão do gás neste tubo é de 10-5 - 10-7 mm Hg.