DIFRAÇÃO DE RAIOS X

Em ciência dos materiais, quase frequentemente, físicos e engenheiros não sabem muito bem com que tipo de material estão trabalhando, ou ainda, quando se sabe o material, suas características como: estrutura cristalina, propriedades físicas e químicas, etc. não são conhecidas. Existem diversas técnicas para se determinar essas propriedades, como: espectroscopia Mossbauer, espectroscopia Raman, DRX, etc. Sobre a última opção, a difração de raios X (DRX), como o próprio nome diz é uma técnica que utiliza raios X para determinar a estrutura cristalina de amostras, isto é, como os átomos que compõem o material estão organizados. É importante conhecer essa estrutura porque isso afeta diretamente a caracterização do material e como ele se comporta. Como exemplo, vamos citar o grafite (amorfo) e o diamante (cristalino): são materiais formados pelo mesmo elemento, o carbono, mas com estruturas completamente diferentes. Enquanto o diamante é lembrado por sua alta resistência mecânica, o grafite é marcado por sua baixa resistência.

Você provavelmente já ouviu falar de raios X, principalmente quando aplicado ao contexto da medicina, como em exames de imagem por raio X (radiografias). Por meio desses exames é possível identificar tumores, fraturas ósseas, má formação, entre outros indicadores de patologias de forma rápida, não destrutiva e invasiva. Por essa razão esse tipo de exame é tão utilizado. Da mesma forma, os raios X também são úteis para analisar amostras de qualquer objeto. Para tal fim, é utilizado um equipamento chamado difratômetro, que simplificando é um equipamento formado por uma fonte emissora de raios X, um local para armazenar a amostra e um detector que vai realizar a leitura dos raios espalhados.

Os raios X foram descobertos em 1885 por Wilhelm Conrad Roentgen. Na época ele trabalhava com tubos de raios catódicos, o famoso tubo de crooke: um experimento formado por um tubo à vácuo com dois terminais: o cátodo (terminal positivo) e o ânodo (terminal negativo), quando o cátodo é aquecido e libera elétrons que são acelerados em direção ao ânodo pela diferença de potencial entre os terminais, é gerado um feixe de elétrons chamados raios catódicos. A  partir desse experimento surgiu o modelo atômico de J. J. Thomson e a compreensão da existência dos elétrons. Porém, Roentgen percebeu que uma tela de Bário próxima ao experimento fluorescia mesmo com o tubo encoberto por papelão. Após uma série de experimentos para tentar encontrar uma explicação para esse fenômeno, Roentgen concluiu que se tratava de uma radiação desconhecida que ele denominou de Raios X. No mesmo ano, Roentgen descobriu que essa radiação era capaz de penetrar objetos e que era possível registrar uma imagem dessa penetração através de chapas fotográficas. Dessa forma, em 22 de dezembro de 1895, Roentgen realizou a primeira radiografia da mão de sua esposa, Anna Bertha Ludwig.

Figura  1 : Primeiro registro radiográfico (Fonte: Napolitano, 2007)

A produção de raios X se dá devido a elétrons altamente energéticos sendo desacelerados e o método mais utilizado é desacelerando-os rapidamente com colisões em placas metálicas. Analisando a produção de raio X em nível atômico, observamos que o elétron emitido atinge um outro contido numa das camadas do átomo. Esse impacto libera o elétron atingido. Desta forma, um elétron de uma camada externa substitui seu lugar outrora ocupado, porém essa trajetória percorrida pelo elétron entre essas duas camadas libera energia, mais especificamente um fóton de raio X. Com os estudos que se seguiram após essa descoberta, foi descoberta a relação entre o comprimento de onda e aumento da intensidade quando a diferença de potencial entre os terminais é maior. Para diferentes saltos energéticos de um estado excitado para outro inferior a ele um comprimento de onda diferente é medido, isso devido a energia emitida nessa dinâmica. 

Figura 2: Esquema ilustrativo relacionando os níveis atômicos com energia. (Fonte: Sarthaks, 2019)

Como dito anteriormente, os raios X são uma forma de radiação, ou seja, uma onda eletromagnética e, portanto, podemos encontrá-lo no espectro eletromagnético, na faixa de comprimento de onda 0,01 ~ 10 nanômetros. Eles também interagem com a matéria tal qual uma onda eletromagnética produzindo fenômenos de absorção, reflexão e difração. Em especial, a difração, que é um fenômeno ondulatório que acontece quando existe um “obstáculo” a ser superado, como na imagem abaixo: temos uma onda plana que encontra um obstáculo como um orifício. Nesse caso, a frente de onda se modifica ao atravessar o orifício se tornando uma onda esférica. Quando há dois ou mais orifícios também acontece o fenômeno de interferência construtiva (representado pelo picos na figura abaixo) e destrutiva (representado pelos vales da figura): a interferência construtiva acontece quando as frentes de onda que se chocam são simétricas. Já quando as frentes de onda são anti-simétricas acontece a interferência destrutiva.

É importante dizer que para difração acontecer o tamanho do orifício deve ter uma dimensão próxima ao tamanho do comprimento da onda: é aqui que entra a dimensão do comprimento de onda do raio X (0,01 ~ 10 nm) que é próximo à dimensão dos átomos. Dessa forma, a difração acontece entre as moléculas do material como se os átomos fossem os obstáculos a serem superados pelo raio X. Simplificadamente, o difratômetro funciona da seguinte maneira: o tubo de raios X produz a radiação X que atravessa algumas fendas para filtrar quais ondas incidirão sobre a amostra (normalmente em pó). Os raios difratados pela amostra e captados pelo detector que envia os dados para o computador gera um gráfico da intensidade pelo ângulo de difração. Todo material tem picos bem definidos que são gerados a partir da interação construtiva entre as ondas de raio X difratadas pelos diferentes planos cristalinos do material. Assim, a partir dos picos obtidos é possível identificar as estruturas cristalinas. É importante acrescentar que a técnica de DRX só funciona em materiais cristalinos, ou seja, materiais com estruturas bem definidas e que se repetem periodicamente ao longo do material.

Figura 3: Ilustração da lei de Bragg. Os planos adjacentes da rede cristalina possuem espaçamento d. O feixe incide e é refletido com o mesmo ângulo θ. (Fonte: Queiroz)

Dessa forma, é importante salientar a necessidade de investimento em pesquisas que fomentem a ciência normal, uma vez que ela aprimora os instrumentos científicos em prol de medições cada vez mais precisas. Isso pode gerar alguns efeitos, como, por exemplo, a invenção de algum equipamento novo, ou, até mesmo, a “descoberta” de algum fenômeno não detectável anteriormente. Esse é o exemplo já citado anteriormente que ocorreu com a descoberta do raio X, e que, com a exploração aprofundada da área, pode acarretar avanços importantes para a teoria científica, a qual, por consequência, afeta outras áreas como a medicina e a ciência (e indústria) de materiais. 

Por Gabriel Costa Sartori, Lucas Freitas Bizerra e Maria Clara Giacometti Paulino.

REFERÊNCIAS

QUEIROZ, A.; KUROSAWA, R.; BARRETO, R. Difração de Raios-X. Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, Laboratório Avançado de Física Computacional. Disponível em: https://www.ifsc.usp.br › Manual_RX_v2. Acesso em: 05/12/2023.

BLEICHER, L.; SASAKI, J.M. Introdução à difração de raios-X em cristas. Universidade Federal do Ceará. Disponível em: http://www.raiosx.ufc.br › 2013/01 › apostila. Acesso em: 05/12/2023.

NAPOLITANO, H.B.; CAMARGO, A.J.; MASCARENHAS, Y.P.; VENCATTO, I. e LARIUCCI, C.. Análise da difração dos Raios X. Revista Processos Químicos. 1, 1 (jan. 2007), 35-45.

SARTHAKS. Which of the following transitions in a hydrogen atom emits photon of the highest frequency? Sarthaks eConnect, 2019. Disponível em: https://www.sarthaks.com/40156/which-of-the-following-transitions-in-hydrogen-atoms-emit-photons-of-highest-frequency. Acesso em: 05/12/2023