Um episódio bem interessante: ABC da Astronomia- Raios X

Retirado do TV Escola diretamente para o Blog! Apreciem e aproveitem para dar uma olhada nos outros episódios.

História e Produção dos Raios X

 Nos anos de 1890 muitos cientistas pesquisando a natureza dos Raios catódicos emitidos por um tubo de vidro evacuado (tubo de Crookes) com dois eletrodos metálicos aos quais se aplicava uma diferença de potencial. As emanações provindas do eletrodo negativo em direção ao positivo se caracterizavam em linhas retas e o local onde esses raios incidiam aparecia um feixe luminoso o qual sofria desvio devido ao campo magnético. Esses feixes chamados raios catódicos, foram também estudados por Philipp Lenard o qual modificou o tubo de crookes colocando uma janela de alumínio para ver se os raios catódicos saíam através dessa janela para o exterior colocando um anteparo fluorescente onde a certa distância detectava-se luminescência devido aos raios catódicos. 

 Em 1895, Wilhelm Conrad Rontgen, repete o experimento de Lenard modificando o material colocado em volta do tubo para um papel preto a fim de que a luminescência não atrapalhasse a visão de uma tela pintada com platino cianeto de bário que florescia fracamente sendo colocada a poucas distâncias do tubo. Na escuridão foi afastando a tela e verificou que a luminescência persistia sendo assim algo diferente dos raios catódicos além de não sofre desvio ao se aplicar campo magnético no feixe. Esses raios eram mais penetrantes até mesmo ao incidir este raio em sua mão onde podia se observar o contorno dos ossos de seus dedos sendo mostrados na tela fluorescente. Rontgen chamou esses raios de Raios X o responsável pela luminescência além de que esses raios se originavam no vidro onde os raios catódicos incidiam. 

Produção de Raios X

 Os tubos de raios X são compostos de anodos e catodos colocados dentro de um invólucro de vidro, no vácuo. O catodo consiste de um filamento de tungstênio na forma de uma bobina colocada em um tipo de copo metálico com foco raso. Quando este filamento é aquecido os elétrons ficam agitados e são liberados da superfície do tungstênio (material usado por ser mais flexível e ser resistente ao stress causado pelo aquecimento). Como o anodo é positivo com relação ao filamento, os elétrons provenientes do catodo serão atraídos ao anodo, sem ocorrer colisões, adquirindo grande velocidade. Ao serem subitamente barrados pelo anodo, ocorrerá emissão de raios X, sendo 1% de emissão de Raios X e o restante radiação térmica, em todas as direções. Cerca da metade dos raios X são absorvidos pelo alvo sendo o restante emergente do tubo. 

Ao redor do filamento forma-se uma nuvem de elétrons que tendem a repelir outros elétrons provenientes do aquecimento. Para evitar isso, a tensão a ser aplicada deverá ser suficiente a fim de acelerar os elétrons rapidamente entre anodo e catodo. 

Figura: Representação do tubo de raios X. Devido à temperatura atingida dentro do tubo ser elevada, é utilizado um óleo para seu resfriamento, além de várias proteções metálicas e de chumbo a fim de isolar o tubo de vidro <<retirado de :http://www.geocities.ws>>

 Durante o bombardeamento de elétrons, o alvo (anodo) de um tubo de raios X não deve esquentar muito. Caso isto ocorra, emitirá elétrons do mesmo modo que o filamento e esses elétrons seguirão do anodo para o catodo em um ciclo inverso e o filamento, que é muito delicado, será destruído pelo bombardeamento de elétrons. A fim de prevenir tal fato, retificadores de silício devem ser colocados no circuito para atuarem como uma chave que bloqueia a corrente de elétrons no sentido inverso. 

 Os tubos de raios X tomam diversas formas dependendo de sua aplicação. Tubos de raios X de diagnósticos são projetados para produzir imagens de partes do paciente e, para mínima exposição, o ponto focal do tubo tende a ficar alinhado com a área a ser exposta. Na interação dos raios X com a matéria, a intensidade do feixe é atenuada. Existem diversos tipos de interação, dentre eles: 

 Espalhamento Coerente: a radiação muda de direção sem mudança em seu comprimento de onda; 

 Efeito Fotoelétrico: um fóton incidente com um pouco mais de energia do que os elétrons de determinada camada do átomo,faz com que um elétron dessa camada seja liberado da órbita, desaparecendo o fóton que cede sua energia para o elétron. O elétron que agora é livre, em geral tem baixa energia e, por ter pouco poder de penetração, será rapidamente absorvido. O átomo deixado com uma vaga, geralmente na camada K, será preenchido por um elétron da camada seguinte; 

 Espalhamento Compton: um fóton de alta energia incide em um elétron da camada mais externa do átomo, arrancando-o. O fóton é, em geral, defletido e caminha em uma direção diferente da sua original; 

Assim, durante a atenuação, o feixe, ao atravessar a matéria, pode ter sua energia absorvida ou sofrer deflexão.

Aplicações das Radiações

Atualmente o conceito de radiação leva na consideração de sua periculosidade sem abordar os aspectos positivos de suas aplicações. A medicina, a indústria, particularmente a farmacêutica, e a agricultura são as áreas mais beneficiadas na utilização de radiação ionizante. Os riscos e os benefícios devem ser ponderados. A radiação é um risco e deve ser usada de acordo com os seus benefícios. Veremos algumas dessas aplicações:

Radioterapia: Consiste na utilização da radiação gama, raios X ou feixes de elétrons para o tratamento de tumores, eliminando células cancerígenas e impedindo o seu crescimento. O tratamento consiste na aplicação programada de doses elevadas de radiação, com a finalidade de atingir as células cancerígenas, causando o menor dano possível aos tecidos sãos intermediários ou adjacentes. 

Braquiterapia: Trata-se de radioterapia localizada para tipos específicos de tumores e em locais específicos do corpo humano. Para isso são utilizadas fontes radioativas emissoras de radiação gama de baixa e média energia, encapsuladas em aço inox ou em platina, com atividade da ordem das dezenas de Curies. A principal vantagem é devido à proximidade da fonte radioativa afeta mais precisamente 

as células cancerígenas e danifica menos os tecidos e órgãos próximos. 

Aplicadores: São fontes radioativas de emissão beta distribuídas numa superfície, cuja geometria depende do objetivo do aplicador. Muito usado em aplicadores dermatológicos e oftalmológicos. O princípio de operação é a aceleração do processo de cicatrização de tecidos submetidos a cirurgias, evitando sangramentos e quelóides, de modo semelhante a uma cauterização superficial. A atividade das fontes radioativas é baixa e não oferece risco de acidente significativo sob o ponto de vista radiológico. O importante é o controle do tempo de aplicação no tratamento, a manutenção da sua integridade física e armazenamento adequado dos aplicadores. 

Radioisótopos: Existem terapias medicamentosas que contêm radiosiótopos que são administrados ao paciente por meio de ingestão ou injeção, com a garantia da sua deposição preferencial em determinado órgão ou tecido do corpo humano. Por exemplo, isótopos de iodo para o tratamento do cancro na tiróide. 

Radiografia: A radiografia é uma imagem obtida, por um feixe de raios X ou raios gama que atravessa a região de estudo e interage com uma emulsão fotográfica ou tela fluorescente. Existe uma grande variedade de tipos, tamanhos e técnicas radiográficas. As doses absorvidas de radiação dependem do tipo de radiografia. Como existe a acumulação da radiação ionizante não se devem tirar radiografias sem necessidade e, principalmente, com equipamentos fora dos padrões de operação. O risco de dano é maior para o operador, que executa rotineiramente muitas radiografias por dia. Para evitar exposição desnecessária, deve-se ficar o mais distante possível, no momento do disparo do feixe ou protegido por um biombo com blindagem de chumbo. 

Tomografia: O princípio da tomografia consiste em ligar um tubo de raios X a um filme radiográfico por um braço rígido que gira ao redor de um determinado ponto, situado num plano paralelo à película. Assim, durante a rotação do braço, produz-se a translação simultânea do foco (alvo) e do filme. Obtêm-se imagens de planos de cortes sucessivos, como se observássemos fatias seccionadas, por exemplo, do cérebro. Não apresenta riscos de acidente, pois é operada por eletricidade, e o nível de exposição à radiação é similar. Não se devem realizar exames tomográficos sem necessidade, devido à acumulação de dose de radiação. 

Mamografia: Atualmente a mamografia é um instrumento que auxilia na prevenção e na redução de mortes por câncer de mama. Como o tecido da mama é difícil de ser examinado com o uso de radiação penetrante, devido às pequenas diferenças de densidade e textura de seus componentes como o tecido adiposo e fibroglandular, a mamografia possibilita somente suspeitar e não diagnosticar um tumor maligno. O diagnóstico é complementado pelo uso da biópsia e ultrasonografia. Com estas técnicas, permite-se a detecção precoce em pacientes assintomáticas e imagens de melhor definição em pacientes sintomáticas. A imagem é obtida com o uso de um feixe de raios X de baixa energia, produzidos em tubos especiais, após a mama ser comprimida entre duas placas. O risco associado à exposição à radiação é mínimo, principalmente quando comparado com o benefício obtido. 

Mapeamento com radiofármacos: O uso de marcadores é comum. O marcador radioativo tem o objetivo de, como o nome mesmo diz marcar moléculas de substâncias que se incorporam ou são metabolizadas pelo organismo do homem, de uma planta ou animal. Por exemplo, o iodo-131 é usado para seguir o comportamento do iodo -127, estável, no percurso de uma reação química in vitro ou no organismo. Nestes exames, a irradiação da pessoa é inevitável, mas deve-se ter em atenção para que esta seja a menor possível. 

Gamagrafia: Impressão de radiação gama em filme fotográfico utilizada pela Indústria. A aplicação de radioisótopos mais conhecida na indústria é a radiografia de peças metálicas ou gamagrafia industrial. Os fabricantes de válvulas usam a gamagrafia, na área de Controle da Qualidade, para verificar se há defeitos ou rachaduras no corpo das peças sendo até mesmo utilizada nas empresas de aviação. 

Datação por Carbono-14: O C-14 resulta da absorção contínua dos nêutrons dos raios cósmicos pelos átomos de nitrogênio nas altas camadas da atmosfera. Esse isótopo radioativo do carbono se combina com o oxigênio, formando o CO2, que é absorvido pelas plantas. Fósseis de madeira, papiros e animais contêm C-14, cuja meia-vida é de 5.600 anos. Isso significa que, a cada 5.600 anos, a atividade do C-14 é reduzida à metade. Medindo-se a proporção de C-14 que ainda existe nesses materiais é possível saber a “idade” deles. Foi assim, por exemplo, que se determinou a idade dos Pergaminhos do Mar Morto. 

Auto-Radiografia: É possível acompanhar, com o uso de traçadores radioativos, o metabolismo das plantas, verificando o que elas precisam para crescer, o que é absorvido pelas raízes e pelas folhas e onde um determinado elemento químico fica retido.Uma planta que absorveu um traçador radioativo pode, também, ser “radiografada”, permitindo localizar o radioisótopo. Para isso, basta colocar um filme, semelhante ao usado em radiografias e abreugrafias, sobre a região da planta durante alguns dias e revelá-lo. A técnica do uso de traçadores radioativos também possibilita o estudo do comportamento de insetos, como abelhas e formigas. Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, porque passam a “emitir radiação”, e seu “raio de ação” pode ser acompanhado. No caso de formigas, descobre-se onde fica o formigueiro e, no caso de abelhas, até as flores de sua preferência. A “marcação” de insetos com radioisótopos também é muito útil para eliminação de pragas, identificando qual predador se alimenta de determinado inseto indesejável. Neste 

caso o predador é usado em vez de inseticidas nocivos à saúde. Outra forma de eliminar pragas é esterilizar os respectivos “machos” por radiação gama e depois soltá-los no ambiente para competirem com os normais, reduzindo sua reprodução sucessivamente, até a eliminação da praga, sem qualquer poluição com produtos químicos. 

Em defesa da alimentação e do meio ambiente, pode-se, também, determinar se um agrotóxico fica retido nos alimentos ou quanto vai para o solo, para a água e para a atmosfera. Ainda no campo dos alimentos, uma aplicação importante é a irradiação para a conservação de produtos agrícolas, como batata, cebola, alho e feijão. Batatas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano sem murcharem ou brotarem. 

Fontes: << http://www.fisica.net/nuclear/aplicacoes_da_energia_nuclear_por_cnen.pdf>> 

<< http://www.fiocruz.br/biosseguranca/Bis/lab_virtual/radiacao.html>>

Ondas estacionárias em um microondas

Veja o vídeo ao lado sobre ondas estacionárias em um microondas:

Ondas estacionárias são ondas que não se propagam pelo meio, em exemplo ondas estacionárias em uma corda. Essas ondas só iram surgir em acordo com uma variedade de condições. Necessitam que uma energia seja fornecida no sistema com uma freqüência apropriada ou seja, que o sistema atinja sua frequência natural fenômeno mais conhecido como Ressonância. A ressonância será notada através de um aumento da amplitude resultante das vibrações onde se cria ondas estacionárias de máxima amplitude para freqüências específicas da fonte.

Ao aplicar-se diferentes frequênçãs que atinjam a frequência natural tem-se o harmônico onde serão desde o harmônico fundamental, ao segundo, terceiro e assim por diante.

Pensando em uma corda presa em suas extremidades chamada de nós.

Em exemplo a figura ao lado onde tem-se o comprimento da corda em metade do comprimento de onda onde . Quando dobra-se da freqüência anterior tem-se um comprimento de corda completo seguindo-se assim para as demais freqüências:

 Observando o microondas tem-se na parte superior da parede lateral do forno a existência de uma região onde se encontra uma fonte de ondas denominada “tubo magnetron”. Esse tubo é responsável pela geração das ondas eletromagnéticas na faixa de microondas que, em razão dessa freqüência de ressonância, são refletidas pelas paredes metálicas internas do forno assim como uma corda de extremidades fechadas. A cavidade é projetada de forma a “aprisionar” as microondas que saem do tubo magnetron onde permaneceram ali como ondas estacionárias, até serem absorvidas pelo alimento ou serem dissipadas no ar.

Ref:<< http://physics.info/waves-standing/ >>

Espectro Eletromagnético

Vamos nos aprofundar um pouco mais no espectro eletromagnético. Uma onda eletromagnética constitui-se de uma carga elétrica, geradora em sua volta de uma região de perturbação sendo esta o campo elétrico oscilante ou um campo que varia com o tempo, com um campo magnético também oscilante perpendiculares entre si. No vácuo, a velocidade da luz de propagação dessa onda é de c=3*108 m/s.

 Á partir de um campo elétrico oscilante que gera um campo magnético também oscilante onde resulta na geração de um campo elétrico e, deste modo sucessivo, define-se o campo eletromagnético sendo este sujeito aos fenômenos de reflexão, difração e refração.

 O espectro eletromagnético é o nome dado aos diversos tipos de radiação de uma série de ondas contínuas. Os tipos de radiação podem ocorrer em diferentes partes do espectro onde terão diversos usos e perigos o qual dependerão do seu comprimento de onda e frequência.

Tabela com os principais tipos de Radiação

 Abaixo um aplicativo bem interessante para se observar o comportamento de uma onda eletromagnética onde pode-se observar ambos os campos, magnético e elétrico, perpendiculares entre si caminhando em uma mesma direção.

Se preferir observar em tela cheia clique aqui 

Se preferir baixar o aplicativo e trabalhar off-line clique aqui

Luz

“No princípio criou Deus o céu e a Terra....e Deus disse: Exista a Luz....e a Luz existiu. ”

Nada como começar com uma frase clássica mas de efeito. Voltemos aos gregos os quais tinham a idéia de que a luz emanava dos objetose, ao atingir o olho do observador, permitia vê-los. Com o passar do tempo novas teorias foram formulada sobre a natureza da luz. Newton seguia na hipótese de que a luz era constituída de corpúsculos que saiam do corpo luminoso explicando assim fenômenos de reflexão e refração. Outra hipótese partiu de Christian Huygens o qual apresentou a luz como sendo um fenômeno ondulatório. Este modelo foi inicialmente favorecido por que era necessário explicar fenômenos como a difração e a interferência.

Mais tarde com as experiências do físico inglês Thomas Young a qual consistia em utilizar um feixe de luz que após passar por um anteparo opaco onde haviam duas fendas estreitas e paralelas, incidisse sobre uma superfície branca situada a alguma distância dessas fendas. Se a luz fosse formada por partículas, ideia defendida por Newton, os dois feixes de luz provenientes das duas fendas formariam simplesmente imagens brilhantes das fendas sobre a superfície branca. No entanto, não era isso que acontecia. Ao realizar sua experiência Young notou que na superfície branca do anteparo era formada uma distribuição regular de bandas claras e escuras que se alternavam regularmente. Isso era exatamente o que se esperava acontecer se a luz tivesse propriedades ondulatórias.

Fig. 1: Experiência de Young.

A descoberta da natureza ondulatória da luz trouxe consigo inúmeras perguntas difíceis de responder naquela época.

Pode ser dito que a luz é a parte visível do espectro eletromagnético, que compreende desde os raios g até as ondas longas de rádio.

Os limites dos intervalos de comprimento de onda (l) das diferentes cores do espectro da luz visível é arbitrário, isto por que as cores passam umas para as outras gradualmente. Se na retina humana chegam simultaneamente ondas com comprimentos de onda de 3900 à 7700 Å (Angstron =10^-10 m), o cérebro interpreta essa radiação como sendo luz branca. Em outras palavras, a luz branca é a “mistura” de todas as cores do espectro da luz visível (um exemplo: Disco de Newton).

Fonte:<<http://www.ocaduceu.com.br/web/?p=220>>

Fig. 2: Esquema do Espectro Eletromagnetico

A visão moderna é que a luz, assim como a matéria, não pode ser descrita por simples modelos de onda ou de matéria. A teoria quântica, desenvolvida no início do século XX, diz que a luz é composta de pequeníssimos pacotes de energia chamados fótons. As partículas de luz são os fótons. No entanto, isso não significa que o modelo ondulatório da luz tenha sido abandonado. Os dois modelos, seja o do fóton ou o ondulatório, são igualmente úteis para explicar as propriedades físicas da luz tais como brilho, cor e velocidade.