Em um tubo de raios X, existem dois eletrodos:
🍀 Catodo: polo negativo, onde pelo efeito termiônico (gerado pela passagem de uma alta corrente elétrica e uma baixa diferença de potencial), temos uma nuvem eletrônica gerada nas camadas mais externas do fio do filamento, que está pronto para ser "acelerado" em direção ao alvo;
🍀 Anodo: polo positivo, que contém o alvo. Normalmente projetado em cobre, com a região de alvo em tungstênio (material metálico com maior resistência a altas temperaturas, além de apresentar boa condutividade térmica e alto número atômico, o que contribui para uma melhor qualidade do feixe de raios X), é do tipo rotatório (com giro variando de 3.000 a 10.000 rpm). Apresenta grande dissipação de calor (lembrando que apenas 1% de toda energia cinética depositada no alvo é convertida em radiação X, o restante é transformada em energia térmica ou é dissipado na forma de calor, em uma pequena área denominada de ponto focal). O alvo rotatório faz com que o feixe de elétrons incida em vários pontos, aumentando a vida útil dele.
Para que ocorra o processo de deslocamento dos elétrons gerados pelo efeito termoiônico no catodo em direção ao anodo, haverá uma diferença de potencial (ddp), que é aplicada entre os dois eletrodos. Essa diferença de potencial é próximo ao kV selecionado no painel do console do equipamento (valor de técnica para estudo de determinada área anatômica).
Fatores interessantes:
♣ Os elétrons acelerados em curto trajeto entre catodo e anodo chegam próximos a velocidade da luz (0,99c, onde c é a velocidade da luz). Com isso, existem efeitos relativísticos acontecendo dentro do tubo de raios X;
♣ Com a utilização frequente do tubo, parte do material do alvo começa a evaporar e a criar uma capa metálica interna na ampola. Este novo "eletrodo" começa a gerar uma diferença menor de potencial entre catodo e anodo (reduzindo o valor de kV selecionado no painel do equipamento) e correntes de fuga. Com isso, haverá falhas de tubo. Atualmente, tubos de raios X são feitos parcial ou totalmente em metal para evitar este processo e, consequentemente, falhas;
♣ Dentro de uma ampola de raios X, existem dois tipos de corrente: corrente de filamento (responsável pelo efeito termiônico e por controlar também a corrente de tubo), que apresenta um alto valor e uma baixa ddp; e a corrente de tubo, responsável pela produção da radiação conforme a necessidade da projeção radiográfica;
♣ Junto à região de catodo, temos uma capa focalizadora, que é responsável por fazer com que o feixe de elétrons não sofra um processo de espalhamento (repulsão eletrostática devido aos elétrons apresentarem a mesma carga negativa);
♣ Tubos de raios X de alta capacidade apresentam uma liga de tungstênio e rênio (maior resistência mecânica para suportar os estresses da alta rotação e dilatação/contração térmica);
♣ Tubos de raios X de alta capacidade também podem apresentar a região de alvo constituída de molibdênio e grafite e sobre estes dois materiais, uma camada de tungstênio funcionando como alvo para a interação do feixe de elétrons para a produção da radiação X;
♣ As funções do anodo são: condução elétrica, dissipação de calor e contenção da região de alvo para a produção da radiação eletromagnética;
♣ Catodo apresenta dois filamentos, responsáveis pelo foco fino e foco grosso. Porém, quanto menor a área focal (foco fino), menor é o borramento geométrico e assim, maior é a dissipação de calor em um pequeno ponto.
Foi no ano de 1922 que Arthur Holly Compton, após realizar alguns estudos sobre a interação radiação-matéria, percebeu que quando um feixe de raios X incidia sobre um alvo de carbono, sofria um espalhamento. Inicialmente, Compton não percebeu nada de errado, pois suas medidas indicavam que o feixe espalhado tinha frequência diferente do feixe incidente logo após atravessar o alvo.
De acordo com a teoria ondulatória, tal conceito era dado como certo, pois a frequência de uma onda não é alterada por nenhum fenômeno que ocorre com ela, sendo característica da fonte que a produz. Mas o que se constatou, através da experimentação, foi que a frequência dos raios X espalhados era sempre menor do que a frequência dos raios X incidentes, dependendo do ângulo de desvio. A figura abaixo nos mostra o esquema da ocorrência desse fenômeno, conhecido como Efeito Compton.
Para explicar o sucedido, Compton inspirou-se na abordagem de Einstein, ou seja, ele interpretou os raios X como sendo feixes de partículas e a interação como sendo uma colisão de partículas. A energia do fóton incidente, de acordo com Einstein e Planck, seria h.f; e o fóton espalhado teria elétron, em respeito à lei da conservação da energia.
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A abordagem funcionou perfeitamente, mas Compton foi ainda mais longe. Ele investigou também a interação do ponto de vista da lei da conservação do momento linear. Experimentalmente, verificou que essa lei valia para diversos ângulos de espalhamento, desde que o momento linear do fóton fosse definido como
Onde:
- c – é a velocidade da luz no vácuo
- h – é a constante de Planck
- λ – é o comprimento de onda da radiação
O inventor da Câmara de Nuvens (Charles Wilson) obteve experimentalmente as trajetórias dos fótons e dos elétrons espalhados, em colaboração com Compton. Duas características são notáveis na expressão acima: uma é a própria redefinição do momento linear, que não pode ser escrito como m.v, porque o fóton não tem massa; e a outra característica que pode ser observada é o estabelecimento de uma clara associação entre uma grandeza típica de corpúsculos, isto é, a matéria, e uma grandeza caracteristicamente ondulatória.
Compton ainda desenvolveu um método que provava que o fóton e o elétron eram espalhados simultaneamente, o que impedia explicações envolvendo absorção e posterior emissão de radiação.
Por Domiciano Marques
Graduado em Física