Espectro Raio X

Valdir Guimarães - laboratório de1
Espectro de raios XEspectro de raios X
Os raios X foram descobertos acidentalmente
por W. C. Roentgen em 1895 quando ele
estava trabalhando com tubos de raios
catódicos.
Devido a natureza desconhecida desses
raios penetrantes foi denominado raio X.
raios X corresponde a radiação
eletromagnética de comprimentos de onda
ao redor de 0.1 a 10 A

História do raio XHistória do raio X
O primeiro raio-X foi
tirado da mão de sua
esposa mas um ano
depois, em 1986, já era
amplamente aplicado em
medicina tornando-se
uma das grandes
descobertas do século
XX.
Em 1916 raios-X já
eram usados para
inspecionar
cargas de navios.

Produção de raio XProdução de raio X
O filamento de tungstênioO filamento de tungstênio
é aquecido pela passagemé aquecido pela passagem
de corrente ( I< 80de corrente ( I< 80 µµA) eA) e
emite elétronsemite elétrons
Elétrons são acelerados porElétrons são acelerados por
uma diferença de potencialuma diferença de potencial
((∆∆V=20 kV ou 30 kV) entreV=20 kV ou 30 kV) entre
o filamento (catodo) e umo filamento (catodo) e um
eletrôdo de Cobre (anôdo).eletrôdo de Cobre (anôdo).
Válvula - produção de raio-X
 Ao atingirem o ânodo de cobre os elétrons são
freados bruscamente, emitindo radiação e
ionizando os átomos de cobre.
 O processo é como um efeito foto-elétrico
invertido.
 Radiação eletromagnética emitida tem vários
cumprimentos de onda.

Espectro de raio-X doEspectro de raio-X do
CobreCobre
 Componente continua – bremsstrahlung.Componente continua – bremsstrahlung.
 Componente discreta – ionização do átomoComponente discreta – ionização do átomo
de Cobre (fenômeno de fluorescência).de Cobre (fenômeno de fluorescência).
 Mínimo bem definido para uma dada energiaMínimo bem definido para uma dada energia
dos elétronsdos elétrons,, λmin..
λmin

 O fóton de menor comprimento de onda,O fóton de menor comprimento de onda,
λmin, seria emitido quando o elétron, seria emitido quando o elétron
perdesse o máximoperdesse o máximo (toda) de suade sua
energia cinética durante a colisão (K´=0).energia cinética durante a colisão (K´=0).
Parte continua do espectro -Parte continua do espectro -
BremssstrahlungBremssstrahlung
K
K
elétron
K´
núcleo
Fóton de
bremsstrahlung
Efóton = hυ = K – K´
Efóton = hc/λ = K – K´
energia inicial do eletron K = eV = hc/λmin
determinando λmin constante. de Planck
h = eVλmin/c

Parte discreta doParte discreta do
espectro de raio Xespectro de raio X
Elétrons do catodo (filamento) se chocam com
os elétrons dos átomos arrancando-os.
A energia do
fóton é dada
pela
diferença de
energia das
órbitas.
No processo de recombinação
Emissão de fótonEmissão de fóton
Idéia de órbitasIdéia de órbitas Niels BohrNiels Bohr
e-

Postulado de BohrPostulado de Bohr
• elétrons se movem em órbitas
circulares em torno do núcleo.
• apenas certas órbitas discretas de
energia são permitidas (estados
estacionários).
• os elétrons que se movem numa dessas
órbitas não emitem radiação.
• o momento angular L associado a essa
órbita é um múltiplo inteiro de h, L=nh.
• ao saltar de uma órbita para outra o
elétron solta uma energia E=hv
Mais detalhes experiência do átomo de hidrogênio

Os números quânticos
Na notação espectroscópica usamos as letras
s,p,d,f,h...para especifificar os valores de
l = 0, 1, 2, 3, 4, 5…., respectivamente.
Conventionalmente, as camadas são
designadas pelas letras K,L,M...
K , n =1
L , n =2
M , n =3
As sub-camadas correspondem aos
valores de l .
n=4, N
n=3, M
n=2, L
n=1, K

notação espectroscópica.notação espectroscópica.
De acordo com a mecânica quântica uma
descrição completa de um estado dos
elétrons requerem 4 números
quânticos, n, l, ml e ms.
Símbolo Nome
n número quântico principal
l número quântico orbital
ml número quântico magnetico
ms número quântico de spin

Átomos com muitos
elétrons
Devido ao Princípio de Exclusão de Pauli dois
elétrons não podem ter um mesmo conjundo
de números quânticos (n,l,ml,ms).’ (Wolfgang
Pauli, 1929).
Por exemplo a órbita n =1 (camada K) pode
ter no máximo 2 elétrons.
n l ml ms
1 0 0 +1/2
1 0 0 -1/2Símbolo Valores permitidos
n n=1,2,3,4,…
l l=0,1,2,3,…,(n-1)
ml -l, -l+1,…..,(l-1),+l projeção de L
ms +1/2 and -1/2 projeção de s.

preenchimento

Ionização e De-excitaçãoIonização e De-excitação
e-
n=4, N
n=3, M
n=2, L
n=1, K
K series
L series
M series
Kα
K series
Lα
L series

λmin

Como medirComo medir
Equipamento para medidas de espectro de raio-X
Lei de Bragg para selecionar os
comprimentos de onda.
Contador Geiger para medir quantidade de
fótons (raio-X)
Medir quantidade de fótons em função de 2θ
LiF

Cristal de LiF
Funciona como uma
rede de difração
Raio-X incidente
Raio-X refletido
θ
θ
θ
Lei de Bragg para
determinar λ

Conversão deConversão de θθ emem λλ
λ = 2d sen(θ)
Para que haja
interferência
construtiva
Para n=1

Contador GeigerContador Geiger
Raio-X
refletido
θ
θ
θgás
Fenda
3mm
Geiger
Raio X de comprimento
de onda dado pela lei
de Bragg
escalímetro

Detector GeigerDetector Geiger
O feixe de raios X interage com a janela de
entrada e com o gás do contador Geiger
predominantemente através do efeito foto-
elétrico.
A energia depositada no detector provoca uma
descarga de avalanche e o pulso elétrico
produzido é contado num escalímetro.

Espectro de raio – X emEspectro de raio – X em
função da energiafunção da energia
λmin
 Medir número de fótons com o escalímetroMedir número de fótons com o escalímetro
e com o detector Geiger em função dee com o detector Geiger em função de θθ..
 TransformarTransformar θθ emem λ ,λ , λ = 2d sen(θ)

TransformarTransformar λλ em E,em E, Efóton = hc/λ
 Obter espectro de raio – X em termos deObter espectro de raio – X em termos de
energia.energia.

Experiência de AbsorçãoExperiência de Absorção
e Fluorescênciae Fluorescência
Medir a absorção de raio-X de um material
em função da energia do raio-X incidente.

absorçãoabsorção
O processo de interação predominante dos
raios-X com a matéria de um absorvedor é o
efeito fotoelétrico.
I0 = intensidade
inicial
IT = intensidade
transmitida
Raio-X incidente
A = I0/IT = absortância
A assortância decresce com o aumento da
energia do fóton.
Mas existem descontinuidades de salto
correspondentes ao aumento da absorção
quando a energia do fóton ultrapassa a
energia de ligação de cada camada eletrônica
do elemento absorvedor.
absorvedor

0
-5
-8
Energia
de ligação
(keV)
Emissão Absorção
Fluorescência
absorção e re-emissão de raio-X

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