Este trabalho teve por objectivos verificar experimentalmente a lei de Moseley, que relaciona as frequências das riscas espectrais α e β das séries K e L dos raios X característicos dos vários elementos e o número atómico, Z, desses mesmos elementos[2], e identificar qualitativamente materiais utilizando técnicas de fluorescência de raios X[1].
O sistema experimental utiliza um tubo de raios X com um ânodo de cobre polarizado até 30keV como fonte de excitação dos elementos [1] com energia igual ao superior à do alumínio, Al, (Kα=1,49keV) e com energia igual ou inferior à do Indium, In, (Kβ=24,21KeV), para elementos com energia superior à do Indium apenas se consegue identificar o Lα. Neste trabalho, analisámos amostras dos elementos Al, Cl, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd e Pb. Para além disso, e com o intuito de identificar a composição de alguns objectos e líquidos, analisámos uma concha, uma lâmina de um canivete, um copo de madeira, uma rocha, um saco com conteúdo desconhecido, um cartão, gasolina sem chumbo 95, gasóleo, óleo de carro novo, mistura de óleos de carro usados com gasolinas e gasóleo.
Os raios X característicos, produzidos por cada um dos elementos, são detectados por um detector de Si e as suas energias descriminadas num analisador multicanal[1].
Com os objectos e amostras de líquido usadas espera-se obter um espectro composto por vários picos de energia que permitam distinguir e identificar cada um dos constituintes.
Palavras Chave: Lei de Moseley, raios X, fluorescência de raios X..
___________________________________________________________
1. Introdução
___________________________________________________________
1. Introdução
Uma série espectral é um conjunto de linhas presentes no espectro de emissão de átomos excitados, de um determinado elemento. Cada uma destas linhas está identificada com um nível de energia particular dum átomo do elemento em estudo[3].
Em 1895, W. C. Roentgen descobriu os Raios-X, dezasseis anos mais tarde C. G. Barkla notou evidências de séries de linhas de emissão denominadas K, L, M, N, … e em 1913 Moseley mostrou a relação existente entre comprimento de onda de linhas espectrais e o número atómico do elemento, notou que linhas de cobre eram mais fortes que linhas de Zinco no latão, estabelecendo desta maneira a base para a análise qualitativa e quantitativa utilizando Raios-X. Ainda no mesmo ano, Coolidge, introduziu o tubo de raios X de alto vácuo e M. Sigbahn começou a fazer medições de onda do espectro de raios X de elementos químicos[4].
A lei de Moseley pode ser expressa como
ν=Q(Z-σ)² (1)
ou, em termos do comprimento de onda, como
λ^½ =C(Z-σ)(2)
onde Q e C são constantes de proporcionalidade e σ é a chamada constante de blindagem[1]. Esta constante toma um valor perto de 1 para a para a série espectral Kα, desviando-se apenas para elementos abaixo do Alumínio, Al[1].
Apesar de Moseley ter derivado a sua fórmula empiricamente a partir dos dados experimentais que obteve através da representação do número atómico em função raiz quadrada das frequências dos raio X, logo foi possível explicar estes resultados à luz do modelo atómico de Bohr. Assim, concluiu-se que o electrão responsável pela linha espectral mais intensa (Kα) resultava da transição de um electrão entre as camadas K e L (desde uma camada mais próxima do núcleo para uma mais afastada) com n=1 e n=2. A fórmula de Bohr para as transições Kα seria dada por:
(3)O método utilizado neste trabalho, para verificação da lei de Moseley, “que determina que a energia dos raios X característicos para cada orbital é proporcional ao quadrado do número atómico de cada elemento”[1], consta em utilizar um tubo de raios X, para excitar amostras de vários elementos, e um discriminador multicanal, para medir as energias dos raios X característicos emitidos pelos diferentes elementos[1].
Os raios X são radiação electromagnética constituída por fotões de elevada energia[2]. Estes possuem poder ionizante, elevado poder de penetração e são invisíveis ao olho humano.
Na produção de raios X, o choque do feixe de electrões com o ânodo, produz dois tipos de espectros de raios X: um espectro contínuo, que resulta da desaceleração do electrão durante a penetração na amostra, e outro, discreto, denominado raio X característico do ânodo. O espectro de raios X resulta então da sobreposição de um espectro contínuo e de uma série de linhas espectrais características da ânodo[5].
Os raios X característicos são produzidos após a emissão de um electrão de uma camada mais interna de um átomo irradiado com radiação ionizante e consequente transição de electrões das orbitais do átomo de estados mais altos para estados mais baixos de energia. As energias dos raios X assim emitidos dependem das transições possíveis entre orbitais e têm valores específicos e únicos para cada elemento da tabela periódica. As emissões características mais fortes são as correspondentes às transições de electrões do átomo para a camada mais interna, ou seja K (Kα e Kβ)[1].
Historicamente, este trabalho experimental foi da maior importância para compreender e permitir uma satisfatória organização da tabela periódica, estabelecendo o número atómico de um elemento como uma quantidade experimentalmente mensurável. Isto traduziu-se na capacidade de ordenar os elementos na tabela periódica de acordo com o número atómico em vez da massa atómica, ultrapassando assim alguns problemas conceptuais que haviam surgido com a anterior ordenação, como era o caso da inversão de ordem do níquel (Z=28, 58.7 u.) e do cobalto (Z=27, 58.9 u.). Assim, tornou-se possível fazer previsões quantitativas das linhas espectrais de acordo com o modelo semi-quântico de Bohr/Rutherford. O facto de o modelo de Bohr poder ser usado para calcular as linhas espectrais de raio-X entre o alumínio (Z=13) e o ouro (Z=79) e de este valor se relacionar com o número atómico ajudou a corroborar o modelo atómico de Bohr. Mais tarde com o advento da mecânica quântica, a lei de Moseley surgiu naturalmente a partir das formulações teóricas, pelo que foi incorporada no modelo quântico da estrutura do átomo[6].
1. Método
1. Método
Para se conseguir obter informação da energia dos raios X característicos de um elemento é necessário excitar o elemento de maneira a que este produza raios X. Para isso utiliza-se um tudo de raio X com um ânodo de cobre polarizado até 30 keV, que faz incidir raios X no elemento, excitando-o. Depois de excitado, os raios X produzidos pelo elemento são identificados pelo detector[1].
A informação recolhida pelo detector é seguidamente enviada para um analisador multi-canal que separa as energias da radiação permitindo criar, com a ajuda do computador, um espectro de energias. Este espectro é representado por um gráfico xy onde o eixo dos xx representa o valor da energia identificada pelo detector e o eixo dos yy representa a contagem do número de vezes que esta energia foi detectada[1].
Quanto mais tempo durar este processo mais claro será o gráfico obtido no final do mesmo. É esperado que se possam observar três aspectos no gráfico: em primeiro lugar o contínuo de Bremsstrahlung e em segundo lugar os picos Kα e Kβ do cobre (uma vez que o próprio tubo do emissor é de cobre), e os picos Kα e Kβ do elemento (no caso do elemento não ter Kα e Kβ mas sim Lα e Lβ, o que se observa é o Lα uma vez que o Lβ é muito difícil de visualizar na resolução utilizada.
Como a amplitude dos impulsos é proporcional ao número de canal, N, no analisador multicanal, temos:
EKα ∝ A ∝ N (4)
Utilizando esta relação e a Eq.1, vem que
N ∝ Q(Z-σ)
e
N ∝ D(Z-σ) (5)
e
N ∝ D(Z-σ) (5)
onde D é uma constante de proporcionalidade[1].
3. Sistema Experimental
Fotografia do Tel-X-ometer fechado.
Fotografia do Tubo de Raios-X Ligado-
3. Sistema Experimental
Para a realização desta experiência é utilizado o tubo de raios X com ânodo de cobre como fonte de excitação das várias amostras[1].
Para além dos elementos considerados na Tabela I, serão ainda analisados objectos e líquidos tais como uma concha, uma lâmina de um canivete, um copo de madeira, uma rocha, um cartão, gasolina sem chumbo 95, gasóleo, óleo de carro novo, mistura de óleos de carro usados com gasolinas e gasóleo.
Para a detecção de raios X de fluorescência dos vários alvos de elementos é utilizado um detector de radiação de Si[1].
- Procedimento experimental
1) Verificar que a tensão do tubo de raios X do Telxometer se encontra na posição 20 keV;
2) Colocar a amostra no suporte para o efeito;
Fotografia do Tel-X-ometer usado, com amostra.
Fotografia do Tel-X-ometer usado, com amostra.3) Verificar que a recta que une o colimador do tubo de raios X ao alvo se encontra no mesmo plano que a recta que atravessa o eixo do detector e intercepta o alvo;
4) Verificar que o ângulo que o alvo faz com o tubo de raios X é aproximadamente igual ao que faz com a janela do detector;
5) Fechar a tampa de protecção;
Fotografia do Tel-X-ometer fechado.6) Ligar o osciloscópio;
7) Premir o botão VERMELHO (X-RAYS ON) no Tel-X-ometer para ligar o tubo de raios X;
Fotografia do Tubo de Raios-X Ligado-6. Análise e Discussão dos Resultados Experimentais
A cada um dos gráficos obtidos com o AJUSTO são ajustadas várias gaussianas de forma a tirar o valor médio de cada uma delas, que corresponderá ao canal em que o pico é encontrado.
A seguinte imagem apresenta um gráfico típico analisado no AJUSTO, neste caso o gráfico correspondente ao elemento cobre.
Para conseguir estabelecer uma relação entre o canal medido e a energia da radiação detectada, foi realizada uma recta de ajuste através do método dos mínimos desvios quadráticos aplicado aos valores dos canais dos gráficos do cobre e do cálcio e as respectivas energias dos Kα e Kβ. Foi assim obtida a seguinte recta:
Foram obtidos os seguintes valores para as energias dos Kα e Kβ para os vários elementos:
A partir destes dados, podemos elaborar um gráfico do número atómico elementar em função da raiz da característica das transições Kα e Kβ.
O elemento cobre está presente em todos os gráficos pois o filamento (ânodo) de cobre que constitui a lâmpada emite electrões resultantes da excitação do metal.
Em todos gráficos é possível observar um espectro contínuo que não corresponde a nenhuma energia característica do elemento da amostra, mas sim, da radiação de fundo (radiação Bremsstrahlung), existente devido à perda de energia do electrão enquanto, no seu percurso entre a fonte e a amostra, é desacelerado e reacelerado devido às várias interacções com os núcleos dos átomos presentes no ar.
Interacção Núcleo-Electrão
Interacção Núcleo-Electrão Seguidamente, analisaram-se várias amostras e objectos quotidianos, com o objectivo de identificar os seus constituintes. Os dados obtidos são apresentados na tabela:
Em todas as amostras foi detectada a presença de cobre, o que não se traduz obrigatoriamente na presença de cobre na amostra, mas sim ao fenómeno descrito anteriormente relacionado com a composição do filamento da lâmpada.
A partir dos dados da tabela 3 é possível verificar que os elementos detectados em pouco diferem de amostra para amostra. Tal deve-se ao facto de estes compostos serem de origem orgânica e, por consequência, corresponderem a uma energia abaixo daquela que a montagem experimental permite detectar, não podemos observar os picos do carbono. Assim, os espectros obtidos apenas nos permitem analisar a presença de elementos que se encontraram na amostra em quantidades bastante baixas ou até mesmo residuais (como será o caso, por exemplo, do árgon).
Relativamente aos restantes objectos analisados e apresentados na tabela 4, conseguiu-se, de forma satisfatória, identificar o sal desconhecido, à partida composto maioritariamente por cloro. Em relação à madeira, verificou-se novamente que os elementos detectados são elementos que entram na sua composição em quantidades residuais, já que o elemento mais abundante – carbono – não pode ser detectado. Conseguiu-se, de forma aceitável, identificar a lâmina do canivete como sendo constituída por uma liga metálica. De notar que a presença de Kripton na lâmina se encontra de acordo com a constituição das novas ligas utilizadas para o fabrico deste tipo de ferramentas. Na placa de que se tinha o conhecimento de que estavam presentes o germânio e outro metal, foi identificado o ferro.
7. Conclusões
Os resultados obtidos são bastante precisos e exactos e, embora a montagem experimental tenha revelado a presença de algum ruído, este foi eliminado, com sucesso, permitindo que a medição fosse feita durante mais tempo obtendo uma intensidade de sinal maior, aumentado a diferença de sinal entre o ruído e os picos de emissão.
Com base nesta montagem experimental, foi possível verificar experimentalmente a lei de Moseley.
No que diz respeito à identificação dos elementos constituintes das amostras em análise neste trabalho, pode concluir-se que a análise não só é possível como é bastante fiável quando se pretendem identificar amostras constituídas por elementos dentro da gama de operação da montagem utilizada, mas que se torna difícil ou até mesmo impossível quando as amostras são de origem orgânica, já que, para além dos únicos elementos detectados serem aqueles que representam uma percentagem residual da constituição da amostra, os picos resultantes da emissão do filamento de cobre têm uma intensidade muito maior que os restantes, dificultando assim a análise. De forma a evitar ou ultrapassar este impasse, seria necessário utilizar outro tipo de montagem experimental cuja gama de detecção pudesse abranger as energias de elementos com energias menores.
Referências Bibliográficas
[1] Oficina de Investigação e Comunicação. Trabalho Nº 1 – “Lei de Moseley – uma Verificação Experimental Utilizando Fluorescência de Raios X “. Departamento de Física da Universidade de Aveiro. (2007/2008)
[2] Portugal, Paulo S. Carriço. Páginas de Professores. Raios X. Lei de Moseley. Visualizado a 8 de Outubro de 2009.
[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE):
Dictionary.com, "spectral series," in Dictionary.com Unabridged. Source location: Random House, Inc. http://dictionary.reference.com/browse/spectral series.
Available: http://dictionary.reference.com. Accessed: October 11, 20
[4] Tash, Peter; Damiani, Furio; Oliveira, Luiz Cláudio Marangoni. Técnicas de Análise e Caracterização de materiais. X-Rays Fluorescence Spectroscopy. Visualizado a 11 de Outubro de 2000 http://www.dsif.fee.unicamp.br/~Furio/IE607A/XRF.pdf
[5] Vasconcelos, César A. Zen. Apontamentos da disciplina: Física do Século XX B. Departamento de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Visualizado a 11 de Outubro de 2009.
[6] Wikipédia. Tabela Periódia. Visualizado a 23 de Outubro de 2009.
[7] Universidae de Waterloo. Production of X-Rays.
Vizualizado a 11 de Outubro de 2009
Relembramos que para esclarecimento de dúvidas sobre este trabalho, deixe em comentário.
Sem comentários:
Enviar um comentário