O que são raios-X?

Os raios X são tipos de radiação eletromagnética provavelmente mais conhecidos por sua capacidade de ver através da pele de uma pessoa e revelar imagens dos ossos abaixo dela. Os avanços na tecnologia levaram a feixes de raios-X mais poderosos e focados, bem como a aplicações cada vez maiores dessas ondas de luz, desde a geração de imagens de pequenas células biológicas e componentes estruturais de materiais como cimento até a morte de células cancerosas.  

Os raios X são aproximadamente classificados em raios X suaves e raios X duros. Os raios X suaves têm comprimentos de onda relativamente curtos de cerca de 10 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro) e, portanto, eles caem na faixa do espectro eletromagnético (EM) entre a luz ultravioleta (UV) e os raios gama. Os raios-X intensos têm comprimentos de onda de cerca de 100 picômetros (um picômetro tem um trilionésimo de metro). Essas ondas eletromagnéticas ocupam a mesma região do espectro EM que os raios gama. A única diferença entre eles é a sua fonte: os raios X são produzidos por elétrons em aceleração, enquanto os raios gama são produzidos por núcleos atômicos em uma das quatro reações nucleares. 

História dos Raios X

Os raios X foram descobertos em 1895 por Wilhelm Conrad Röentgen, professor da Universidade de Würzburg, na Alemanha. De acordo com a "História da Radiografia" do Nondestructive Resource Center, Röentgen notou cristais perto de um tubo de raios catódicos de alta voltagem exibindo um brilho fluorescente, mesmo quando ele os protegeu com papel escuro. Alguma forma de energia estava sendo produzida pelo tubo que penetrava no papel e fazia os cristais brilharem. Röentgen chamou a energia desconhecida de "radiação X". Experimentos mostraram que essa radiação pode penetrar nos tecidos moles, mas não no osso, e produzir imagens de sombra em placas fotográficas. 

Por esta descoberta, Röentgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física, em 1901.

Fontes e efeitos de raios X

Os raios X podem ser produzidos na Terra enviando um feixe de elétrons de alta energia que se choca contra um átomo como cobre ou gálio, de acordo com Kelly Gaffney, diretora da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Quando o feixe atinge o átomo, os elétrons na camada interna, chamada de camada S, são empurrados e às vezes arremessados ​​para fora de sua órbita. Sem esse elétron, ou elétrons, o átomo se torna instável e, assim, para que o átomo "relaxe" ou volte ao equilíbrio, disse Gaffney, um elétron na chamada camada 1p entra em ação para preencher a lacuna. O resultado? Um raio-x é liberado.

"O problema com isso é que a fluorescência [ou luz de raios-X emitida] vai em todas as direções", disse Gaffney. "Eles não são direcionais e não podem ser focalizados. Não é uma maneira muito fácil de fazer uma fonte brilhante de alta energia de raios-X."

Digite um síncrotron, um tipo de acelerador de partículas que acelera partículas carregadas como elétrons dentro de um caminho circular fechado. A física básica sugere que sempre que você acelera uma partícula carregada, ela emite luz. O tipo de luz depende da energia dos elétrons (ou outras partículas carregadas) e do campo magnético que os empurra ao redor do círculo, disse Gaffney.

Uma vez que os elétrons síncrotron são empurrados para perto da velocidade da luz, eles emitem enormes quantidades de energia, particularmente energia de raios-X. E não apenas quaisquer raios-X, mas um feixe muito poderoso de luz de raios-X focada.

A radiação síncrotron foi vista pela primeira vez na General Electric nos Estados Unidos em 1947, de acordo com a European Synchrotron Radiation Facility. Essa radiação era considerada um incômodo porque fazia com que as partículas perdessem energia, mas foi mais tarde reconhecida na década de 1960 como luz com propriedades excepcionais que superou as deficiências dos tubos de raios-X. Uma característica interessante da radiação síncrotron é que ela é polarizada; ou seja, os campos elétricos e magnéticos dos fótons oscilam todos na mesma direção, que pode ser linear ou circular. 

"Como os elétrons são relativísticos [ou se movem perto da velocidade da luz], quando eles emitem luz, ela acaba sendo focada na direção para frente", disse Gaffney. "Isso significa que você não obtém apenas a cor certa dos raios X de luz e não apenas muitos deles porque tem muitos elétrons armazenados, eles também são emitidos preferencialmente na direção direta."

Imagem de raios-x

Devido à sua capacidade de penetrar em certos materiais, os raios X são usados ​​para várias avaliações não destrutivas e aplicações de teste, particularmente para identificar falhas ou rachaduras em componentes estruturais. De acordo com o NDT Resource Center, "a radiação é direcionada através de uma peça e sobre [um] filme ou outro detector. O gráfico de sombra resultante mostra as características internas" e se a peça é sonora. Essa é a mesma técnica usada em consultórios médicos e dentistas para criar imagens de raios-X de ossos e dentes, respectivamente. [Imagens: Raios-X de peixes impressionantes]

Os raios X também são essenciais para as inspeções de segurança no transporte de cargas, bagagens e passageiros. Os detectores de imagem eletrônicos permitem a visualização em tempo real do conteúdo de pacotes e outros itens de passageiros. 

O uso original dos raios X era para imagens de ossos, que eram facilmente distinguíveis de tecidos moles no filme disponível na época. No entanto, sistemas de foco mais precisos e métodos de detecção mais sensíveis, como filmes fotográficos e sensores de imagem eletrônicos aprimorados, tornaram possível distinguir detalhes cada vez mais finos e diferenças sutis na densidade do tecido, usando níveis de exposição muito mais baixos.

Além disso, a tomografia computadorizada (TC) combina várias imagens de raios-X em um modelo 3D de uma região de interesse.

Semelhante à TC, a tomografia síncrotron pode revelar imagens tridimensionais de estruturas internas de objetos como componentes de engenharia, de acordo com o Centro Helmholtz de Materiais e Energia.

Terapia de raios X

A radioterapia usa radiação de alta energia para matar células cancerosas, danificando seu DNA. Como o tratamento também pode danificar células normais, o Instituto Nacional do Câncer recomenda que o tratamento seja cuidadosamente planejado para minimizar os efeitos colaterais. 

De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, a chamada radiação ionizante de raios-X atinge uma área focada com energia suficiente para retirar completamente os elétrons dos átomos e moléculas, alterando assim suas propriedades. Em doses suficientes, isso pode danificar ou destruir células. Embora esse dano celular possa causar câncer, também pode ser usado para combatê-lo. Direcionando raios-X em tumores cancerosos, pode demolir essas células anormais. 

Astronomia de raios-x

De acordo com Robert Patterson, professor de astronomia da Missouri State University, as fontes celestes de raios-X incluem sistemas binários próximos contendo buracos negros ou estrelas de nêutrons. Nesses sistemas, o remanescente estelar mais massivo e compacto pode retirar material de sua estrela companheira para formar um disco de gás emissor de raios-X extremamente quente à medida que ele espirala para dentro. Além disso, buracos negros supermassivos no centro das galáxias espirais podem emitir raios-X à medida que absorvem estrelas e nuvens de gás que caem dentro de seu alcance gravitacional. 

Os telescópios de raios-X usam reflexos de baixo ângulo para focalizar esses fótons de alta energia (luz) que, de outra forma, passariam pelos espelhos normais do telescópio. Como a atmosfera da Terra bloqueia a maioria dos raios-X, as observações são normalmente conduzidas usando balões de alta altitude ou telescópios orbitais. 

Recursos adicionais

• Para saber mais, baixe este PDF do SLAC intitulado "Early History of X-Rays".
• O NDE / NDT Resource Center fornece informações sobre avaliação não destrutiva / teste não destrutivo. 
• A página da missão da NASA no espectro eletromagnético explica como os astrônomos usam os raios-X.

Esta página foi atualizada em 5 de outubro de 2018 pela editora-chefe, Jeanna Bryner.