Lista de difração de raios X e caracterização de sistema cristalino:
2. Descreva quais tipos de radiação de raios X são geradas, e que tipo de interação ocorre entre o elétron gerado no cátodo e o tungstênio no ânodo em cada tipo de radiação.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas claras: (a) identificar quais tipos de radiação de raios X são geradas numa tubo de raios X com elétrons emitidos do cátodo e atingindo um ânodo de tungstênio; (b) para cada tipo de radiação, descrever que tipo de interação ocorre entre o elétron incidente (veio do cátodo) e o tungstênio no ânodo.
Dados explícitos que temos do enunciado: elétron gerado no cátodo; ânodo feito de tungstênio. Não há outros números fornecidos (como voltagem), então vamos responder de forma geral, explicando condições necessárias quando for o caso.

Passo 2

Visão geral: na prática são dois mecanismos principais que geram fótons X num tubo de raios X: radiação contínua (bremsstrahlung) e radiação característica (linhas discretas). Também existem processos concorrentes (decaimento não-radiativo tipo Auger, espalhamento elástico, calor) que vou comentar depois. Primeiro vou explicar cada um com calma e didaticamente.

Passo 3

Bremsstrahlung — o que é e como ocorre (mecanismo físico).
  • Imagine o elétron rápido vindo do cátodo aproximando-se muito de um núcleo de tungstênio. O núcleo tem carga positiva forte; o elétron sente essa força elétrica (campo Coulombiano) e é acelerado (no sentido físico de “aceleração” = alteração da velocidade, aqui é desaceleração ou deflexão).
  • Toda vez que uma carga é acelerada ou desacelerada, ela pode emitir radiação eletromagnética. No caso do elétron defletido pelo campo do núcleo surge um fóton com energia variável: esse processo chama-se “bremsstrahlung” (do alemão: radiação de frenagem).
  • Interação física: é essencialmente uma interação entre o elétron e o campo Coulombiano do núcleo (interação eletromagnética entre partículas carregadas). Não envolve ejetar um elétron ligado do átomo necessariamente — é interação com o núcleo/ campo do átomo como um todo.
  • Característica do espectro: contínuo, com energia do fóton variando desde muito baixa até um máximo. O máximo de energia do fóton satisfaz
E_{\max} = eV,
onde e é a carga elementar e V é a diferença de potencial (voltagem) que acelerou o elétron. Isso representa o caso em que o elétron perde toda sua energia cinética num único evento e emite um fóton de energia igual à sua energia inicial.
  • Observação prática: o bremsstrahlung é responsável pelo “fundo” contínuo no espectro de um tubo X e cresce em eficiência com o número atômico Z do alvo (átomos pesados como tungstênio geram mais bremsstrahlung do que átomos leves).

Passo 4

Bremsstrahlung — exemplos e implicações práticas (como usar na prova).
  • Se a tensão do tubo for 30\\ \text{kV}, então E_{\max}=30\\ \text{keV}. Escrevendo em TeX:
E_{\max}=eV=30\\ \text{keV}.
  • No exame, para identificar bremsstrahlung, procure: espectro contínuo, pico de corte em E_{\max}, dependência com Z e com corrente do tubo.
  • Regra prática: grande parte da energia do elétron não vira fóton X; vira calor no ânodo. Apenas uma pequena fração (ordem de 10^{-3} a 10^{-2}) é convertida em radiação útil. Em outras palavras, o anodo esquenta muito — razão pela qual se usa tungstênio (alto ponto de fusão) e refrigeração.

Passo 5

Radiação característica — o que é e como ocorre (mecanismo físico).
  • Aqui a interação é entre o elétron incidente e os elétrons ligados do átomo de tungstênio, não diretamente com o núcleo para emitir o fóton. O elétron rápido pode colidir com um elétron ligado e arrancá‑lo de uma camada interna (ionização por impacto). Isso exige que a energia cinética do elétron incidente seja maior que a energia de ligação do elétron na camada alvo (por exemplo, camada K, L, etc.).
  • Quando uma lacuna é criada numa camada interna, um elétron de uma camada mais externa “cai” para preencher essa lacuna. A diferença de energia entre os dois níveis é emitida como fóton X com energia bem definida:
E_{\gamma} = E_{\text{nível mais interno}} - E_{\text{nível mais externo}}.íí
  • Essas emissões dão linhas discretas (ex.: K_\alpha para transição L\to K, K_\beta para M\to K, etc.). Em um ânodo de tungstênio aparecem várias linhas, pois tungstênio é elemento pesado e tem níveis de ligação altos — as linhas K estão na faixa de dezenas de keV (portanto só aparecem se a voltagem for suficiente para ionizar K).
  • Interação física: colisão inelástica entre o elétron incidente e um elétron ligado (ionização). A subsequente emissão é devido à reorganização eletrônica do átomo.

Passo 6

Radiação característica — aspectos práticos, exemplos e competidores (o que cai na prova).
  • Condição de aparecimento: a voltagem do tubo deve ser maior que a energia de ligação da camada que queremos ionizar. Se não, a linha característica daquela camada não aparecerá.
  • Exemplo de identificação: uma linha muito estreita no espectro corresponde a um par de níveis bem definidos; ao lado existe o fundo contínuo do bremsstrahlung. Em difração de raios X costuma‑se usar a linha K_\alpha (monocromatizada) porque tem comprimento de onda bem definido.
  • Concorrente não-radiativo: em vez de emitir um fóton, a energia de reordenamento pode ser transferida para outro elétron ligado que é ejetado — isso é o efeito Auger. Ou seja, a criação de lacuna pode resultar em emissão de um elétron Auger em vez de fóton X. Assim, a deexcitação pode ser radiativa (fóton) ou não-radiativa (Auger), dependendo do átomo e das camadas envolvidas.

Passo 7

Outras interações importantes e observações finais para a prova.
  • Espalhamento elástico (sem perda de energia significativa do elétron) ocorre também: elétrons podem ser espalhados pelo potencial do núcleo ou pelos elétrons, gerando elétrons retroespalhados, e isso contribui para corrente de retorno e perda de eficiência — mas não é fonte de fótons X característicos nem de bremsstrahlung (não gera fótons por si só).
  • Conversão de energia em calor: a maior parte da energia dos elétrons incidentes é transformada em calor no ânodo (portanto o ânodo precisa de alto ponto de fusão, como o tungstênio). Tipicamente mais de 99\% da energia vira calor ( >99\%).
  • Para difração de raios X: o sinal útil é a linha característica (monocromática) — o bremsstrahlung aparece como fundo contínuo que atrapalha o sinal; por isso usa‑se filtros ou monocromadores para reduzir o continuo e aumentar a pureza da linha K_\alpha.

Resposta

Radiação contínua (bremsstrahlung): fótons emitidos quando o elétron incidente é desacelerado/defletido no forte campo Coulombiano do núcleo de tungstênio — interação com o campo do núcleo (aceleração/desaceleração da carga) que produz um espectro contínuo com energia máxima E_{\max}=eV.
Radiação característica: fótons de energia discreta gerados quando o elétron incidente ioniza uma camada interna do átomo de tungstênio (colisão inelástica com elétrons ligados); a lacuna é preenchida por elétrons de camadas superiores e a diferença de energia é emitida como fóton com energia E_{\gamma}=E_{\text{nível interno}}-E_{\text{nível externo}}íí.

Exercícios relacionados