Introdução
Melhor invenção
Uma votação realizada pelo Museu de Ciência de Londres elegeu a máquina de raio X como a melhor invenção de todos os tempos.
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Assim como muitas das grandes descobertas do ser humano, a tecnologia dos raios X foi inventada completamente por acidente. Em 1895, um físico alemão chamado Wilhelm Roentgen fez essa descoberta enquanto fazia uma experiência com feixes de elétrons em um tubo de descarga de gás. Roentgen percebeu que uma tela fluorescente (em inglês) em seu laboratório começava a brilhar quando o feixe de elétrons era ligado. Somente essa reação não era tão surpreendente: material fluorescente normalmente brilha ao reagir com radiação eletromagnética; mas o tubo de Roentgen estava rodeado com papelão grosso e preto. Roentgen supôs que isso bloquearia a maior parte da radiação.
Roentgen colocou vários objetos entre o tubo e a tela e ela ainda brilhava. Finalmente, ele colocou sua mão na frente do tubo e viu a silhueta de seus ossos projetada na tela fluorescente. Assim ele acabava de descobrir os raios X e uma de suas aplicações mais importantes.
A extraordinária descoberta de Roentgen possibilitou um dos maiores avanços na história humana. A tecnologia dos raios X permite que os médicos vejam através dos tecidos humanos e examinem, com extrema facilidade, ossos quebrados, cavidades e objetos que foram engolidos. Procedimentos com raios X modificados podem ser usados para examinar tecidos mais moles, como os pulmões, os vasos sangüíneos ou os intestinos.
Neste artigo, descobriremos como as máquinas de raios X conseguem fazer este truque incrível. Como veremos, o processo básico é na verdade muito simples.
O que são raios X
Raios X são basicamente o mesmo que os raios de luz visíveis. Ambos são formas de ondas de
energia eletromagnética carregadas por partículas chamadas fótons. Veja
Como funciona a luz para mais detalhes. A diferença entre raios X e raios de luz visível é a
energia dos fótons individualmente. Isto também é chamado de
comprimento de onda dos raios.
Nossos olhos são sensíveis ao comprimento de onda da luz visível, mas não ao comprimento de onda mais curto, das ondas de maior energia dos raios X ou ao comprimento de onda mais longo de menor energia das ondas de rádio.
Os fótons da luz visível e os fótons dos raios X são produzidos pelo movimento dos elétrons nos átomos. Os elétrons ocupam diferentes níveis de energia diferentes ou orbitais, ao redor do núcleo do átomo. Quando um elétron passa para orbital menor precisa liberar energia, e ela é liberada na forma de um fóton. A energia do fóton depende do quanto o elétron decaiu entre os orbitais. Veja esta página para uma descrição detalhada deste processo.
Quando um fóton colide com outro átomo, esse átomo pode absorver a energia do fóton promovendo o elétron para um nível de energia mais alto. Para isto acontecer, a energia do fóton tem que combinar com a diferença de energia entre as duas posições do elétron. Senão, o fóton não pode deslocar elétrons entre os orbitais.
Os átomos que compõem os tecidos do nosso corpo absorvem bem fótons de luz visível. A energia dos fótons deve combinar com as diferenças de energia entre as posições dos elétrons. Ondas de rádio não têm energia suficiente para mover elétrons entre orbitais em átomos maiores, então conseguem passar pela maioria dos materiais. Fótons de raios X também passam através de vários objetos, mas por outra razão: eles têm muita energia.
Eles podem, entretanto, arrancar um elétron de um átomo. Uma parte da energia do fóton dos raios X trabalha para separar o elétron do átomo e o restante é usado para fazê-lo se movimentar fora do átomo. Um átomo maior tem mais chances de absorver um fóton de raios X desta maneira, porque em átomos maiores as diferenças de energia entre os orbitais são maiores e essa energia se ajusta melhor com a energia do fóton. Átomos menores, em que os orbitais dos elétrons estão separados por níveis de energia relativamente baixos, têm menos chances de absorver fótons de raios X.
Os tecidos macios do seu corpo são feitos de átomos menores e por isso absorvem muito bem os fótons dos raios X. Os átomos de cálcio que fazem nossos ossos são muito maiores, então são melhores para absorver fótons de raios X.
Na próxima seção, verificaremos como as máquinas de raios X usam esse efeito.
Outros usos para os raios X
As contribuições mais importantes da tecnologia dos raios X têm sido no mundo da medicina, mas os raios X desempenham um papel crucial também em várias outras áreas. Os raios X são essenciais na pesquisa envolvendo a teoria da mecânica quântica, cristalografia e cosmologia. Na indústria, scanners de raios X são muito usados para detectar pequenas falhas em equipamentos de metal pesado. Scanners de raios X se tornaram também equipamentos padrão em segurança de aeroportos.
A máquina de raios X
O coração de uma máquina de raios X é um
par de eletrodos , um cátodo e um ânodo, que ficam dentro de um
tubo de vidro a vácuo. O cátodo é um
filamento aquecido, como o que você vê em uma
lâmpada fluorescente. A máquina passa corrente pelo filamento, aquecendo-o. O calor expulsa os elétrons da superfície do filamento. O ânodo positivamente carregado é um disco achatado feito de
tungstênio, que atrai os elétrons através do tubo.
A diferença de voltagem entre o cátodo e o ânodo é extremamente alta; então, os elétrons movimentam-se pelo tubo com bastante força. Quando um elétron, em alta velocidade, choca-se com um átomo de tungstênio, um elétron que está em uma camada mais interna do átomo é liberado. Com isso, um elétron que está em um orbital com energia imediatamente mais alto (mais externo) migra para aquele nível de energia mais baixo (mais interno), liberando sua energia extra na forma de um fóton. Assim um fóton de raios X é a energia liberada num choque de elétrons.
O elétron livre colide com o átomo de tungstênio, tirando um elétron de um orbital mais baixo. Um elétron de um orbital mais alto preenche a posição vazia, liberando seu excesso de energia como um fóton. |
Elétrons livres também podem gerar fótons sem atingir um átomo. O núcleo de um átomo pode atrair um elétron e com uma velocidade que apenas altere seu curso. Como um cometa girando ao redor do Sol, o elétron diminui a velocidade e muda de direção à medida que passa pelo átomo. Essa ação de "freio" faz o elétron emitir excesso de energia na forma de um fóton de raios X.
O elétron livre é atraído para o núcleo do átomo de tungstênio. À medida que o elétron passa, o núcleo altera seu curso. O elétron perde energia, que é liberada como um fóton de raios X. |
As colisões de alto impacto envolvidas na produção dos raios X geram muito calor. Um motor gira o ânodo para que ele não derreta (o feixe de elétrons não está sempre focalizado na mesma área). Uma camada de óleo frio ao redor da ampola também absorve calor.
Todo o mecanismo é protegido por uma blindagem grossa de chumbo. Ela evita que os raios X escapem em todas as direções. Uma pequena abertura na blindagem permite que alguns dos fótons de raios X escapem em um pequeno feixe. Esse feixe passa por uma série de filtros até chegar ao paciente.
Uma câmera no outro lado do paciente grava o padrão de raios X que passam através de seu corpo. A câmera de raios X usa a mesma tecnologia de filmes que uma câmera comum, mas a reação química é acionada por luz de raios X em vez de luz visível. Veja Como funciona o filme fotográfico para saber mais sobre esse processo.
Geralmente, os médicos deixam a imagem no filme como um negativo. Isso quer dizer que as áreas que são expostas a mais luz ficam mais escuras e as áreas expostas a menos luz aparecem mais claras. Materiais duros, como ossos, aparecem em branco e materiais mais macios aparecem em preto ou cinza. Os médicos podem visualizar materiais diferentes variando a intensidade do feixe de raios X.
Os raios X fazem mal
A descoberta dos raios X provocou um impacto extraordinário no mundo da medicina; eles permitem que um paciente seja examinado internamente sem nenhuma cirurgia.
Mas os raios X também podem ser perigosos. No princípio da descoberta dos raios X, muitos médicos ficaram expostos e expuseram seus pacientes aos feixes por longos períodos de tempo. Conseqüentemente, médicos e pacientes começaram a desenvolver doenças causadas por radiação e a comunidade médica percebeu que algo estava errado.
O problema é que os raios X são uma forma de radiação ionizante. Quando a luz normal atinge um átomo, ela não muda esse átomo de maneira significativa. Mas quando raios X atingem um átomo, ele pode expulsar elétrons do átomo para criar um íon, um átomo eletricamente carregado. Então, os elétrons livres colidem com outros átomos para criar mais íons.
A carga elétrica de um íon pode gerar uma reação química anormal dentro das células. Entre outras coisas, a carga pode quebrar as cadeias de DNA. Uma célula com uma cadeia de DNA quebrada pode morrer ou o DNA desenvolver uma mutação. Se várias células morrerem, o corpo pode desenvolver várias doenças. Se o DNA sofrer mutação a célula pode se tornar cancerígena - e este câncer pode se espalhar. Se a mutação é em um espermatozóide ou em um óvulo, pode causar defeitos de nascença. Por causa de todos esses riscos,atualmente os médicos usam os raios X moderadamente.
Mesmo com estes riscos, o raio X ainda é uma opção mais segura que a cirurgia. As máquinas de raios X são ferramentas médicas valiosas, assim como são valiosas em segurança e em pesquisa científica. Elas são uma das invenções mais úteis de todos os tempos.
Para mais informações sobre raios X e máquinas de raios X, visite os link da próxima página
Mais informações
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ContrastesEm uma imagem de raio X normal, a maior parte dos tecidos macios não aparece claramente. Para visualizar alguns órgãos ou para examinar os vasos sangüíneos do sistema circulatório, deve-se introduzir um contraste dentro do corpo. Contrastes são líquidos que absorvem os raios X com mais eficiência que o tecido ao redor. Para visualizar órgãos dos sistemas digestivo e endócrino, um paciente toma um contraste, geralmente um composto de bário. Se o foco for os vasos sangüíneos ou outros elementos do sistema circulatório, o contraste deve ser injetado na corrente sangüínea do paciente.
Os contrastes são normalmente usados em conjunto com um fluoroscópio. Em fluoroscopia, os raios X passam pelo corpo até uma tela fluorescente, criando uma imagem de raios X móvel. Os médicos podem usar a fluoroscopia para traçar a passagem do contraste pelo corpo. Também é possível gravar essas imagens em filme ou vídeo.
