Faça uma breve descrição sobre os raios-x.
Vimos em sala de aula que os raios-x têm duas origens: i) desaceleração dos elétrons do catodo enquanto estes entram na nuvem eletrônica dos átomos do anodo e ii) choque direto de alguns elétrons do catodo com os
elétrons das camadas mais internas dos átomos do anodo (camadas K e L). Faça uma breve descrição acerca deste tema, destacando as principais características dos raios-x produzidos em cada um deles.

Passo 1

O enunciado pede uma descrição dos dois mecanismos de produção de raios-X vistos em sala: i) emissão contínua por desaceleração (bremsstrahlung) dos elétrons do cátodo ao interagir com o campo nuclear do ânodo; ii) emissão característica por ejeção de elétrons das camadas internas (K e L) dos átomos do ânodo. Vamos explicar a origem e as principais propriedades de cada um.

Passo 2

No bremsstrahlung (ou radiação de freio), um elétron incidente se aproxima do núcleo atômico do ânodo e é desacelerado pelo forte campo elétrico dele. Como resultado dessa desaceleração, parte da energia cinética do elétron é emitida em forma de fótons X com um espectro contínuo, que vai de energia zero até um valor máximo igual à energia do elétron incidente, isto é, E_{\max}=eV, em que V é a tensão aceleradora. Em termos de comprimento de onda mínimo temos
\lambda_{\min}=\frac{h\,c}{e\,V}\,.
Características principais:
  • espectro contínuo, sem picos definidos;
  • intensidade cresce para comprimentos de onda mais longos;
  • valor de corte \lambda_{\min} depende somente de V;
  • pode produzir radiação “dura” (alta energia) ou “branda” (baixa energia) ajustando-se a tensão.

Passo 3

Na radiação característica, alguns elétrons de alta energia do cátodo colidem diretamente e ejetam elétrons das camadas internas (principalmente K e L) dos átomos do ânodo. Quando um elétron de camada mais externa preenche essa vacância, emite-se um fóton de energia igual à diferença dos níveis ligados, por exemplo
E_{K\alpha}=E_K-E_L\,.
Características principais:
  • linhas discretas no espectro, como K\alpha, K\beta, L\alpha etc.;
  • energias fixas, determinadas pela estrutura eletrônica do material do ânodo;
  • só aparecem se a tensão V exceder a energia de ligação da camada interna visada;
  • permitem identificação do material pelo conjunto de linhas.

Passo 4

Comparando os dois mecanismos, temos:
  • bremsstrahlung gera um fundo contínuo ajustável pela tensão, mas sem picos definidos;
  • radiação característica gera picos agudos com energias bem definidas, independentemente da tensão (desde que eV ultrapasse o limiar);
  • a combinação dos dois forma o espectro de um tubo de raios-X típico, com um contínuo de fundo e linhas superpostas.

Resposta

Bremsstrahlung: espectro contínuo de fótons até E_{\max}=eV, intensidade crescente para comprimentos de onda longos e corte em \lambda_{\min}=h c/(eV), resultado da desaceleração de elétrons pelo campo nuclear.
Radiação característica: conjunto de linhas discretas (por ex. K\alpha, K\beta) cuja energia é igual à diferença entre níveis atômicos (como E_K-E_L), dependente do material do ânodo e só ocorrendo se eV exceder a energia de ligação da camada interna.

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