Os raios X foram descobertos acidentalmente em 1895 e desde então têm sido amplamente utilizados na medicina e na inspeção de cargas. O documento detalha a produção de raios X, o espectro resultante, e a interação dos raios X com a matéria, destacando processos como ionização e fluorescência. Também aborda aspectos quânticos, números quânticos, e métodos de medição, incluindo o uso de contadores Geiger e a lei de Bragg.

1. Valdir Guimarães - laboratório de
1
Espectro de raios X
Espectro 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

2. Valdir Guimarães - laboratório de
2
História do raio X
História 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.

3. Valdir Guimarães - laboratório de
3
Produção de raio X
Produção de raio X
O filamento de tungstênio
O filamento de tungstênio
é aquecido pela passagem
é aquecido pela passagem
de corrente ( I< 80
de corrente ( I< 80 µ
µA) e
A) e
emite elétrons
emite elétrons
Elétrons são acelerados por
Elétrons são acelerados por
uma diferença de potencial
uma diferença de potencial
(
(∆
∆V=20 kV ou 30 kV) entre
V=20 kV ou 30 kV) entre
o filamento (catodo) e um
o 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.

4. Valdir Guimarães - laboratório de
4
Espectro de raio-X do
Espectro de raio-X do
Cobre
Cobre
 Componente continua – bremsstrahlung.
Componente continua – bremsstrahlung.
 Componente discreta – ionização do átomo
Componente discreta – ionização do átomo
de Cobre (fenômeno de fluorescência).
de Cobre (fenômeno de fluorescência).
 Mínimo bem definido para uma dada energia
Mínimo bem definido para uma dada energia
dos elétrons
dos elétrons,
, λmin..
λmin

5. Valdir Guimarães - laboratório de
5
 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 máximo
perdesse o máximo (toda) de sua
de sua
energia cinética durante a colisão (K´=0).
energia cinética durante a colisão (K´=0).
Parte continua do espectro -
Parte continua do espectro -
Bremssstrahlung
Bremssstrahlung
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

6. Valdir Guimarães - laboratório de
6
Parte discreta do
Parte discreta do
espectro de raio X
espectro 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 fóton
Emissão de fóton
Idéia de órbitas
Idéia de órbitas Niels Bohr
Niels Bohr
e-

7. Valdir Guimarães - laboratório de
7
Postulado de Bohr
Postulado 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

8. Valdir Guimarães - laboratório de
8
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

9. Valdir Guimarães - laboratório de
9
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

10. Valdir Guimarães - laboratório de
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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 -1/2
Símbolo 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.

11. Valdir Guimarães - laboratório de
11
preenchimento

12. Valdir Guimarães - laboratório de
12

13. Valdir Guimarães - laboratório de
13
Ionização e De-excitação
Ionização 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

14. Valdir Guimarães - laboratório de
14
λmin

15. Valdir Guimarães - laboratório de
15
Como medir
Como 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

16. Valdir Guimarães - laboratório de
16
Cristal de LiF
Funciona como uma
rede de difração
Raio-X incidente
Raio-X refletido
θ
θ
θ
Lei de Bragg para
determinar λ

17. Valdir Guimarães - laboratório de
17
Conversão de
Conversão de θ
θ em
em λ
λ
λ = 2d sen(θ)
Para que haja
interferência
construtiva
Para n=1

18. Valdir Guimarães - laboratório de
18
Contador Geiger
Contador Geiger
Raio-X
refletido
θ
θ
θ
gás
Fenda
3mm
Geiger
Raio X de comprimento
de onda dado pela lei
de Bragg
escalímetro

19. Valdir Guimarães - laboratório de
19
Detector Geiger
Detector 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.

20. Valdir Guimarães - laboratório de
20
Espectro de raio – X em
Espectro de raio – X em
função da energia
função da energia
λmin
 Medir número de fótons com o escalímetro
Medir número de fótons com o escalímetro
e com o detector Geiger em função de
e com o detector Geiger em função de θ
θ.
.
 Transformar
Transformar θ
θ em
em λ ,
λ , λ = 2d sen(θ)

Transformar
Transformar λ
λ em E,
em E, Efóton = hc/λ
 Obter espectro de raio – X em termos de
Obter espectro de raio – X em termos de
energia.
energia.

21. Valdir Guimarães - laboratório de
21
Experiência de Absorção
Experiência de Absorção
e Fluorescência
e Fluorescência
Medir a absorção de raio-X de um material
em função da energia do raio-X incidente.

22. Valdir Guimarães - laboratório de
22
absorção
absorção
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

23. Valdir Guimarães - laboratório de
23
0
-5
-8
Energia
de ligação
(keV)
Emissão Absorção
Fluorescência
absorção e re-emissão de raio-X

24. Valdir Guimarães - laboratório de
24

25. Valdir Guimarães - laboratório de
25