Todos direitos reservados. Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. Livro Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1a ed. 1997.
João Luiz Pirani e Ricardo Andreucci
Estrutura da matéria
Durante a última parte do século XVII e começo do século XIX, foram feitas algumas descobertas que provocaram uma grande revolução na ciência. Na década de 1770, o oxigênio, o flúor e vários metais novos, como o manganês e o tungstênio, foram pela primeira vez preparados em laboratório.
Em 1789, Lavoisier apresentou o seu Traité que marcou o fim da alquimia e o início da Química moderna. Lavoisier, entre outras coisas, esclareceu a idéia de elemento químico, apresentou um sistema de identificação das substâncias compostas e estabeleceu a lei da conservação das massas na transformação química.
Um passo a frente foi dado dez anos depois, quando Proust mostrou que, em um dado composto, por exemplo, na formação do óxido de cobre, a quantidade de cobre e de oxigênio é sempre a mesma, não importando como nem quanto óxido de cobre foi obtido. Proust comprovou essa mesma relação em inúmeros compostos e propôs, então, que quando dois ou mais elementos se combinam, há sempre uma proporção de peso fixa ou definida entre esses elementos.
Átomo
Em 1808, John Dalton, professor e químico inglês, para explicar a leis de conservação das massas e das proporções definidas, estabeleceu a teoria de que a matéria é constituída de átomos; os átomos são indestrutíveis; os átomos de um elemento específico são iguais e têm o mesmo peso; os átomos de diferentes elementos têm pesos diferentes; se dois ou mais elementos reagirem quimicamente, os átomos desses elementos combinam-se em proporções inteiras; os pesos relativos dos elementos que se combinam estão diretamente relacionados aos pesos dos átomos.
O conceito de átomo como a unidade fundamental da matéria não era uma idéia nova na época de Dalton. Na realidade, foram os gregos Leucipo e Demócrito os primeiros a admitir que a matéria era formada de átomos.
Hoje, a estrutura da matéria é conhecida como sendo um agrupamento extremamente complicado, composto de elétrons, prótons, nêutrons e ao menos cem outras partículas variadas.
Núcleo do átomo
O núcleo do átomo foi proposto por E. Rutherford, a partir de uma experiência realizada por H. Geiger e E. Marsden, orientados por ele, com a intenção de testar o modelo do átomo proposto por Thomson.
A experiência consistia em bombardear uma finíssima folha de ouro com partículas alfa. A experiência mostrou que a maior parte das partículas atravessava a folha de ouro sem sofrer desvios, porém, algumas eram desviadas violentamente, formando ângulos muito grandes, como se tivessem chocado com algum obstáculo.
A partir desses resultados, Rutherford postulou que o átomo devia possuir um núcleo pequeno e denso, positivamente carregado, em torno do qual giram os elétrons, como se fossem pequeníssimos planetas girando em torno de um minúsculo sol. Concluiu ainda que a carga positiva do núcleo devia ser igual à carga negativa dos elétrons pertencentes ao átomo, visto que o átomo como um todo é neutro.
Próton
Por volta de 1920, foi identificado o próton, a menor partícula positiva até então encontrada na natureza, como sendo o núcleo do átomo de hidrogênio separado de seu elétron. Como o átomo do hidrogênio no estado fundamental é neutro, ficou demonstrado que a carga do próton é igual à carga do elétron, porém de sinal contrário.
Durante a década de 20, verificou-se que a massa dos átomos dos elementos era maior que a soma das massas de todos os seus prótons e de todos os seus elétrons. A diferença dessas massas foi atribuída a uma outra partícula elementar, que por não possuir carga elétrica, foi denominada nêutron, identificado, finalmente em 1932, por J. Chadwick, analisando algumas reações nucleares.
Nêutron
O nêutron, como o nome sugere, é neutro. A massa do próton é praticamente igual à do nêutron, porém, cerca de 1.840 vezes maior que a massa do elétron. O próton e o elétron interagem à distância com uma força similar à força gravitacional, porém, de intensidade muito maior, denominada força eletromagnética. Aorigem dessa força é atribuída a uma grandeza física denominada carga elétrica, intrínseca a essas duas partículas. A carga elétrica
do próton é igual e de sinal contrário à do elétron, mantendo dessa forma a neutralidade do átomo.
íon
Um átomo pode perder ou ganhar um ou mais elétrons, rompendo o seu equilíbrio elétrico. Formam-se, assim, estruturas eletrizadas, denominadas íons. Se o átomo perder elétrons, forma-se um íon positivo; se ganhar elétrons, forma-se um íon negativo.
Elétron
Elétron é uma partícula estável, negativamente carregada, responsável pelas propriedades elétricas, ópticas, químicas e estruturais dos materiais, e que gira em torno do núcleo do átomo.
Era fato bem conhecido na metade do século dezenove que um tubo de vidro contendo um gás — o ar, por exemplo — podia agir como um condutor elétrico sob certas condições. Se o gás estivesse sob pressão normal nada acontecia, ou seja, o gás se comportava como um isolante elétrico, mesmo se a tensão elétrica aplicada fosse alta (alguns milhares de volts).
Entretanto, reduzindo-se a pressão por meio de uma bomba de vácuo acoplada ao tubo, começava a aparecer uma fina e contínua centelha entre o cátodo e o ânodo, elementos do tubo ligados aos terminais negativo e positivo de um gerador de corrente contínua. Esse fato mostrava que o gás passava a agir como um condutor elétrico. Reduzindo-se mais a pressão do gás, a espessura da centelha aumentava até que o tubo inteiro era preenchido com uma luz intensa; reduzindo-se ainda mais a pressão, a luz tornava-se cada vez mais fraca até desaparecer e finalmente, a aproximadamente um milionésimo da pressão normal, uma luz esverdeada aparecia nas paredes de vidro do tubo. Esses efeitos pareciam emanar do cátodo como raios de luze passaram, então, a ser conhecidos como raios catódicos.
Raios catódicos
Os raios catódicos possuem propriedades diferentes da luz. Por exemplo, eles movimentam as pás de uma roda sensível e provocam o aquecimento de uma placa metálica interpostas em sua trajetória. Ainda mais, são atraídos por cargas positivas, repelidos por cargas negativas e defletidos pelo campo magnético de um ímã.
Modelo de Thomson
Analisando as propriedades dos raios catódicos, J. J. Thomson concluiu, no final do século dezenove, que os raios catódicos eram compostos de pequeníssimas partículas contendo carga elétrica negativa e determinou a razão entre a carga e a massa de uma dessas partículas, que passaram a ser conhecidas como elétrons.
A descoberta do elétron e o fato de a matéria em seu estado normal não manifestar propriedades elétricas levaram Thomson a admitir a existência de cargas positivas para neutralizar as cargas negativas dos elétrons. Propôs, então, um modelo para o átomo, que consistia de uma esfera positivamente carregada, onde estavam incrustados os elétrons. Esse modelo foi denominado pudim de ameixas, sendo os elétrons representados pelas ameixas.
Modelo de Bohr
Em 1913, Niels Bohr estabeleceu um modelo para o átomo de hidrogênio, introduzindo conceitos quânticos para explicar a estabilidade do elétron que girava em torno do núcleo. A teoria eletromagnética clássica previa que o movimento orbital do elétron era instável, pois à medida que perdia energia devido ao seu movimento, deveria espiralar em direção ao núcleo, até chocar-se com ele.
Bohr postulou que o elétron podia girar em torno do núcleo indefinidamente, sem irradiar energia, em várias órbitas bem determinadas, possuindo em cada uma delas um determinado nível de energia, que podia ser calculado a partir das leis de Newton e de Coulomb. Deduziu, então, uma equação e determinou a energia do elétron em diferentes níveis, concluindo que eram necessários 13,6 elétron-volt (eV) para separar o elétron do átomo de hidrogênio. Essa energia é denominada energia de ionização do átomo de hidrogênio.
Carga do elétron
A medida da carga elétrica do elétron foi realizada por Robert Andrews Millikan. O aparelho inventado por Millikan é uma caixa com duas placas metálicas paralelas entre si e horizontais, entre as quais é criado um campo elétrico uniforme, polarizando-se a placa superior positivamente e a inferior negativamente. A placa superior tem um pequeno orifício, onde são vaporizadas gotículas de óleo. Entre as placas passa um feixe de luz; uma luneta, perpendicular ao feixe, permite a observação das gotículas de óleo, que aparecem no campo de visão da luneta como pequenas estrelas brilhantes, que caem lentamente sob a ação de três forças: o peso, o empuxo do ar e a força de viscosidade do ar que se opõe ao seu movimento.
Foi constatado que as gotículas de óleo vaporizadas são eletrizadas negativamente, indicando que a gotícula adquire um ou mais elétrons.Ajustando-se convenientemente a intensidade do campo elétrico, a força do campo mantém a gotícula equilibrada entre as placas. A explicação para esse fenômeno é que a força de atração, representada pelo produto da carga elétrica (qE) pela diferença de potencial (ddp), é igual á força de atração representada pelo produto da massa (m) pela aceleração gravitacional (g).
Millikan e seus colaboradores mediram as cargas de alguns milhares de gotículas, obtendo um resultado notável: as cargas das gotas medidas tinham valores iguais ou múltiplos inteiros de uma carga elementar (e). Assim, os valores encontrados eram e, 2e, 3e, e assim sucessivamente.
O elétron é dotado também de momento angular e de momento magnético; o momento angular faz com que o elétron se mova em torno de si mesmo, num movimento de rotação conhecido como “spin”; o momento magnético faz com que ele se comporte como um minúsculo ímã.
O conhecimento que se tem do elétron é resultado de conclusões lógicas indiretas. Por exemplo, não se sabe exatamente o tamanho, quantas rotações essa partícula realiza em determinado tempo e, também, nunca se pesou um elétron. A única propriedade que se pode medir é a carga do elétron.
Deve ser destacado, ainda, que muitas experiências com jatos de elétrons confirmam a natureza ondulatória que os elétrons possuem sob certas condições. Por exemplo, se um jato de elétrons incidir contra uma superfície metalizada, o jato é refletido como se fosse constituído de ondas planas. A mecânica ondulatória torna-se, assim, muito importante para a análise do comportamento do elétron, pois a maioria dos processos atômicos é melhor explicada considerando o elétron como onda, em vez de partícula.
Eletricidade
As primeiras propriedades da eletricidade foram registradas por Tales, em aproximadamente 600 a.C. Ele notou que os objetos de âmbar, ao serem polidos, atraíam partículas leves que, após o contato, eram repelidas. No século XVI, William Gilbert constatou que o vidro e o enxofre também possuíam a propriedade descrita por Tales e os corpos que adquiriam essa propriedade ficavam eletrizados ou carregados de eletricidade ou ainda, que possuíam uma carga elétrica, termos derivados da palavra grega “elektron”, que significa âmbar.
Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem
Somente no século XVIII foram observados os efeitos de repulsão e atração entre corpos eletrizados, quando se criaram os termos carga positiva e carga negativa e se estabeleceram os princípios que regem o comportamento entre corpos eletrizados ou entre cargas elétricas.
Cargas não são criadas nem destruídas e sim transferidas de um corpo para o outro
A descoberta da atração e repulsão entre corpos eletrizados despertou o interesse de muitos pesquisadores, entre eles, Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) que estabeleceu a lei que permite calcular a força de interação entre cargas elétricas. Primeiramente, ele determinou que a força era inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas.
Por exemplo, se uma unidade de força estiver interagindo sobre duas partículas eletrizadas separadas por uma unidade de comprimento, então, 1/4 dessa mesma unidade de força interagirá sobre as mesmas partículas colocadas duas vezes mais distantes uma da outra e apenas 1/16 da unidade de força, se elas forem distanciadas 4 vezes. Mais tarde, Coulomb descobriu, também, que a força era diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas das partículas eletrizadas.
Lei de Coulomb
A partir desses resultados experimentais, Coulomb formulou a lei que hoje é conhecida como Lei de Coulomb: a força de interação entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A força de interação entre as cargas é representada por F; as cargas elétricas por Q, e Q2; a distância entre as cargas por d; a constante elétrica por K.
Campo elétrico
Campo elétrico é a região do espaço modificada por cargas elétricas. Para visualizar o campo elétrico, Michael Faraday (1791-1867) desenvolveu o conceito de linhas de força. Uma linha de força é definida como a trajetória que uma carga de teste positiva teria se fosse abandonada sob o efeito de uma outra carga elétrica.
Corrente elétrica
Corrente elétrica é o movimento de cargas num condutor sob a ação de um campo elétrico. Até o final do século dezoito, a corrente elétrica somente podia ser produzida pela fricção. Esse processo produzia correntes intermitentes, momentâneas ou de curta duração.
Pilha de Volta
Em 1800, Alessandra Volta apresentou a primeira fonte que produzia uma corrente elétrica constante: uma pilha de moedas de dois metais diferentes, separadas por discos de flanela embebidos em salmoura. Volta descobriu que a pilha desenvolvia uma certa pressão ou tensão que podia ser controlada, aumentando ou diminuindo o tamanho da pilha. Mais tarde, Volta construiu um engenho que consistia de placas de cobre e placas de zinco imersas em salmoura, contida em copos de vidro. A placa de cobre de um copo era ligada à placa de zinco do copo seguinte por meio de hastes metálicas, ficando desligadas somente a placa de zinco do primeiro e a placa de cobre do último copo.
Volta denominou esse engenho de coroa de copos e descobriu que cada copo apresentava, também, as mesmas propriedades observadas na pilha. Embora os inventos de Volta tenham sido grosseiros e volumosos, as pilhas e baterias modernas são baseadas nos mesmos princípios teóricos que ele descobriu.
Campo Magnético
Em 1820, Hans Oersted observou que uma bússola era influenciada quando um fio era ligado a uma pilha de Volta; como era do conhecimento geral, a bússola era um pequeno ímã suspenso e livre para girar, que, isolado da influência de outro ímã, indicava a direção norte-sul. Oersted concluiu, então, que surgia um campo magnético nas vizinhanças do fio, sempre que este era ligado a uma pilha. Essa descoberta não só permitiu a construção de aparelhos sensíveis para a medição das grandezas elétricas e magnéticas, como também uniu os dois temas, Eletricidade e Magnetismo, até então estudados separadamente.
Em 1827, Ampère publicou o livro intitulado Teoria Matemática dos Fenômenos Eletrodinâmicos Deduzida Unicamente da Experiência, onde estabeleceu as leis que regem os fenômenos magnéticos provocados pela corrente elétrica e explicou o comportamento dos ímãs como resultante de correntes elétricas em torno de suas moléculas.
Lei de Ohm
O próximo passo significativo para a análise dos circuitos elétricos foi dado por George Simon Ohm, que pesquisou a dependência da intensidade de corrente em função da tensão aplicada nas extremidades de um fio. Ohm estabeleceu uma lei relacionandoatensãoaplicada, a intensidade de corrente e a resistência elétrica do fio. A resistência do fio é representada por R em ohms (fl); a tensão é representada por U em volts (V), e a corrente elétrica por I em ampères (A).
Física do arco elétrico
Em regime estável e consistente, o arco elétrico é provocado por uma corrente elétrica de intensidade alta, mantida por uma tensão relativamente baixa.
Vários tipos de equipamentos foram desenvolvidos para gerar e controlar a corrente elétrica necessária para a soldagem de metais. Os mais usuais são conectados à rede elétrica de tensões normalizadas em 220, 380 ou 440 volts (V), que pode ser reduzida facilmente na tensão de soldagem utilizando-se transformadores de dispersão, especialmente projetados para esse fim. A conexão dos transformadores nas diferentes tensões da rede se faz mediante simples comutadores. Outro tipo muito utilizado é o retificador inversor, de fácil operação, com excelente estabilidade e melhor controle do arco, em faixas de corrente para soldagem com vários tipos de eletrodos.
Ignição do arco elétrico
Para acender o arco, os eletrodos são aproximados, colocados em contato e afastados o suficiente para manter sua estabilidade. Do cátodo surge um jato intenso de elétrons, provenientes da fonte de corrente e transportados pelo cabo condutor, que penetra e interage com o gás existente nas proximidades, decompondo suas moléculas em átomos, e estes em íons, num processo progressivo parecido com a formação de uma avalanche. Acelerados pelo intenso campo elétrico criado entre os eletrodos, os elétrons atingem rapidamente o ânodo, produzindo nele uma cratera extremamente quente e luminosa. A forma externa de um arco é a de uma coluna ligeiramente afunilada nas extremidades.
A região confinada pelo arco é constituída de elétrons, íons, átomos e moléculas remanescentes do gás que lhe deu origem, de cujas interações surgem complicadas trocas energéticas, ainda não totalmente compreendidas. A teoria que trata das propriedades gerais e leis do movimento deste estado da matéria pertence à Física do plasma.
Intensidade de corrente no arco elétrico
A intensidade de corrente num arco depende da tensão aplicada nos eletrodos. Essa dependência é representada por uma curva característica, que se obtém fazendo-se variar a corrente, continuamente ou em intervalos pequenos, e medindo-se a tensão nos eletrodos, correspondentes a cada valor de corrente.
A intensidade de corrente é medida em ampères (A), em homenagem a André-Marie Ampère (1775-1836), que estabeleceu as leis que regem as propriedades magnéticas das correntes.
Tensão do arco elétrico
A tensão é medida em volts (V), em homenagem a Alessandra Volta (1745-1827), inventor da pilha elétrica, a primeira fonte a produzir uma corrente contínua.
Potência do arco elétrico
A potência em cada ponto da curva característica do arco é obtida pelo produto da tensão pela corrente no ponto considerado. Assim, no ponto (50A, 30V), a potência é 1.500 watts (W).
A determinação da temperatura de um arco oferece muitas dificuldades. Em geral, costuma-se representar o comportamento térmico do arco por meio de curvas
temperatura do arco elétrico isotérmicas, obtidas pela análise de sua radiação espectral. Os valores variam de 5.000 a 50.000 kelvin (K), dependendo da composição do eletrodo, da natureza do plasma e da potência do arco. A temperatura do arco é limitada pela condução, pela convecção e pela radiação de calor.
Condução de calor
Na condução, o calor se propaga sempre de um ponto de temperatura mais alta para outro de temperatura inferior, de modo que a quantidade de calor transmitida é proporcional à condutibilidade térmica do plasma.
Convecção
O termo convecção é aplicado quando a propagação de calor se realiza pelo deslocamento do material aquecido. Se o material aquecido é forçado a deslocar-se sob a ação do jato de um gás, o processo é chamado convecção forçada. A determinação do calor transmitido por convecção é muito complicada, pois há muitas variáveis a serem consideradas, tais como geometria e posição dos eletrodos, massa específica, viscosidade do plasma, que podem provocar escoamento lamelar ou turbulento e formação ou não de depósitos.
Radiação
O termo radiação se refere à transmissão de energia em forma de partículas elementares ou ondas eletromagnéticas. As partículas — elétrons, prótons, nêutrons, núcleos atômicos — têm velocidades baixas, enquanto que as ondas eletromagnéticas se propagam com a velocidade aproximada de 300.000km/s. A transmissão de calor por radiação pelo arco depende de sua composição, de sua temperatura e de sua pressão. Ela representa cerca de 20% da energia total para arcos de argônio e 10% para arcos de outros gases. Todos os arcos emitem radiações infravermelha, luz visível e ultravioleta.
Acústica
A parte da física que estuda o som, assim como as vibrações mecânicas, e que descreve suas leis e características ondulatórias denomina-se acústica.
O órgão auditivo do homem não pode perceber sons em quaisquer intensidades ou frequência. Entre os dois extremos de audibilidade se estabelece toda uma gama contínua de sons que o ouvido humano, além de perceber, identifica de onde procedem, qual sua entoação e, dentro de certos limites, a espécie de fonte que os emitiu. No passado, testes de eixos ferroviários, ou mesmo de sinos, eram executados com marteladas que denunciavam, pelo som produzido, a presença de rachaduras ou trincas grosseiras. Por outro lado, sons extremamente graves ou agudos podem passar despercebidos pelo aparelho auditivo humano por caracterizarem vibrações com frequências muito baixas, até 20Hz (infra-som) ou com frequências muito altas acima de 20kHz (ultra-som), ambas inaudíveis.
Onda mecânica
Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas no meio em que se propaga. A passagem de energia acústica no meio faz com que as partículas que o compõem executem o movimento de oscilação em torno na posição de equilíbrio, cuja amplitude de movimento è diminuída com o tempo, em decorrência da perda de energia adquirida pela onda.
Assumindo que o meio em estudo é elástico, ou seja, que as partículas que o compõem estão rigidamente ligadas mas podem oscilar em qualquer direção, é possível admitir três tipos de ondas acústicas: ondas longitudinais, ondas transversais e ondas superficiais.
Ondas longitudinais
As ondas longitudinais ou ondas de compressão são ondas cujas partículas oscilam na direção de propagação e podem ser transmitidas a sólidos, líquidos e gases.
O primeiro plano de partículas vibra e transfere sua energia cinética para os próximos planos de partículas, que passam a oscilar. Desta maneira, todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da onda (longitudinal), e aparecem zonas de compressão e zonas diluídas. As distâncias entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda (X).
Em decorrência do processo de propagação, esse tipo de onda possui uma alta velocidade de propagação, característica do meio. A relação velocidade/material é vista no quadro.
As ondas transversais ou ondas de cizalhamento ondas transversais são definidas quando as partículas do meio vibram na direção perpendicular à direção de propagação. Neste caso, observa-se que os planos das partículas mantêm-se na mesma distância um do outro, movendo-se apenas verticalmente.
As partículas oscilam na direção transversal à direção de propagação e podem sertransmitidas somente a sólidos. As ondas transversais são praticamente incapazes de se propagar nos líquidos e gases, pela características das ligações entre partículas destes meios. O comprimento de onda é a distância entre dois vales ou dois picos. As velocidades de propagação das ondas transversais podem ser vistas no quadro.
Ondas superficiais
As ondas superficiais ou ondas de Rayleigh são assim chamadas pela característica de se propagarem na superfície dos sólidos. Devido ao complexo movimento oscilatório das partículas da superfície, a velocidade de propagação das ondas superficiais entre duas fases diferentes é aproximadamente 10% inferior à velocidade das ondas transversais.
Ondas de Love são ondas superficiais que não possuem o componente normal e que, portanto, propagam-se em movimento paralelo à superfície e transversal em relação a direção de propagação. Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros materiais.
As ondas de Lamb são ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próximo ao da espessura da chapa ensaiada; a inspeção dessas ondas não se restringe somente à superfície, mas a todo o material. As ondas de Lamb podem ser geradas a partir das ondas longitudinais, incidindo segundo um ângulo de inclinação em relação à chapa.
Frequência da onda sonora
As ondas sonoras (ou o som, propriamente dito) são classificadas de acordo com suas freqüências e medidas em ciclos por segundo, ou seja, o número de ondas que passam por segundo pelo ouvido humano. A unidade ciclos por segundo é normalmente conhecida por Hertz, abreviada Hz. Assim sendo, um som com 280Hz significa que por segundo passam 280 ciclos ou ondas pelo ouvido humano. As freqüências acima de 20.000Hz sáo inaudíveis e sáo denominadas freqüências ultra-sônicas.
Comprimento da onda sonora
O conhecimento do comprimento de onda é de significante importância, pois relaciona-se diretamente com o tamanho de um defeito a ser detectado num ensaio por ultra-som. Em geral, o menor diâmetro de uma descontinuidade a ser detectada no material deve ser da ordem de X/2 .
Velocidade de propagação da onda sonora
Velocidade de propagação é definida como a distância percorrida pela onda sonora por unidade de tempo. É importante lembrar que a velocidade de propagação é uma característica do meio, sendo uma constante, independente da frequência.
Existem várias maneiras de uma onda sonora se propagar, cada uma com características particulares de vibrações diferentes.
Quando uma pedra é atirada num lago de águas calmas, imediatamente é criada uma perturbação no ponto atingido, formando ondas superficiais circulares que se propagam sobre a água. Este simples exemplo explica a frequência como o número de ondas que passam por um observador fixo; além disso, é possível também imaginar a velocidade de propagação pela simples observação e ainda estabelecer o comprimento entre dois picos de ondas consecutivos. A medida desse comprimento é denominada comprimento de onda e é representada pela letra grega X (lambda).
Considerando uma onda sônica propagando-se num determinado material com velocidade V, frequência f, e comprimento de onda X, pode-se estabelecer uma relação: V = X . f.
A relação permite calcular o comprimento de onda, pois a velocidade é em geral conhecida e depende somente do modo de vibração e do material; por outro lado, a freqüência depende somente da fonte emissora, que também é conhecida.
Ondas ultrassônicas
As ondas ultrassônicas são geradas ou introduzidas no material através de um elemento emissor com uma determinada dimensão e que vibra com uma certa freqüência; esse emissor pode se apresentar sob forma circular ou retangular.
A grandeza que define o nível de intensidade nível de intensidade sonora (NIS) é o Bell, abreviado B. 0 Bell compara as sonora intensidades de dois sons quaisquer pela equação:
Um decibell, normalmente utilizado para medidas de NIS, equivale a 1/10 do Bell; portanto:
Radioatividade
Define-se radioatividade como a emissão espontânea de radiação por um núcleo atômico que se encontra num estado excitado de energia. Existem quatro tipos diferentes de radiação: partículas Alfa (a), partículas Beta (p), raios gama (7) e raios X. A constituição e as características das radiações podem ser vistas num quadro.
Radioisótopos
Em 1934, Pierre e Marie Curie descobriram a radioatividade produzida artificialmente quando, bombardeando um alvo de alumínio com partículas alfa, notaram a produção de nêutrons e pósitrons que se mantinham mesmo depois de retirada a fonte de partículas alfa. Concluíram, então, que o bombardeio de um alvo de alumínio (AI-27) com partículas alfa formava um isótopo de fósforo, de acordo com a reação nuclear 13AI27 + 2He” —15P30 + On1.
Atividade do radioisótopo
A atividade de um radioisótopo é caracterizada pelo número de desintegrações que ocorrem em um certo intervalo de tempo. Como a atividade apresenta uma proporcionalidade com o número de átomos excitados presentes no elemento radioativo, é possível expressá-la por uma fórmula semelhante à do decaimento radioativo:
A atividade específica determina a concentração de átomos excitados numa substância radioativa. Determina-se a atividade específica de um certo elemento dividindo a sua atividade por sua massa. A unidade- padrão de atividade é o Becquerel, grafada Bq e definida como a quantidade de qualquer material radioativo que sofre uma desintegração por segundo. Normalmente a atividade específica é medida em Curies/grama ou Bq/grama; essa medida é importante porque determina as dimensões físicas da fonte de radiação.
Os radioisótopos passaram a ser produzidos em escala apreciável nos reatores nucleares, a partir de 1954, iniciando-se a fase de produção de fontes radioativas de alta intensidade com grande número de aplicações industriais.
Os trabalhos baseados no emprego dos radioisótopos têm hoje enorme extensão. As experiências multiplicaram-se em muitos setores e não é exagero dizer que os radioisótopos têm trazido uma verdadeira revolução em todos os domínios.
Isótopos
Todos os elementos que contêm, em seu núcleo atômico, o mesmo número de prótons, mas que possuem números diferentes de nêutrons, manifestam as mesmas propriedades químicas e ocupam o mesmo lugar na classificação periódica. Os isótopos sáo elementos que, por terem o mesmo número de prótons, têm o mesmo número atômico e por terem números diferentes de nêutrons têm número de massa diversos.
O número de isótopos conhecidos de cada elemento é muito variável. O iodo, por exemplo, tem 13; o ferro e o urânio têm 6 cada um. Os isótopos de um mesmo elemento não têm as mesmas propriedades físicas; assim, por exemplo, o isótopo do iodo (1-127) é estável; todos os outros são radioativos, isto é, são chamados de radioisótopos.
Radiação penetrante
O nome radiação penetrante se originou da propriedade que certas formas de energia radiante possuem de atravessar materiais densos e opacos à luz visível.
Podem-se distinguir dois tipos de radiação penetrante usados em radiografia industrial: os raios X e os raios gama. Eles se distinguem da luz visível por possuírem um comprimento de onda extremamente curto, o que lhes dá a capacidade de atravessar materiais que absorvem ou refletem a luz visível. Por serem de natureza semelhante à luz, os raios X e os raios gama possuem uma série de propriedades em comum com a luz.
A radiação penetrante apresenta seis propriedades que são de particular importância: desloca-se em linha reta; pode atravessar materiais opacos a luz e, ao fazê-lo,
é parcialmente absorvida por esses materiais; impressiona películas fotográficas, formando imagens; provoca o fenômeno da fluorescência; provoca efeitos genéticos; provoca ionizações nos gases.
As propriedades das radiações penetrantes, raios X e gama, são dependentes de seu comprimento de onda ou energia que por sua vez define o tipo de radiação; quanto menor o comprimento de onda, maior é a energia da radiação e em conseqüência, maior poder de penetração nos materiais.
As radiações X e gama são semelhantes à luz e às ondas de rádio, diferindo apenas no que se refere ao seu comprimento de onda. Por possuírem comprimento de onda muito curto, e conseqüentemente alta energia, os raios X e gama apresentam propriedades e características de alta penetração nos materiais.
Espectro de emissão dos raios X
Os fenômenos envolvidos na geração dos raios X dão origem a uma radiação que possui infinitas energias, dentro de um limite mínimo e um máximo. Isto caracteriza um espectro de emissão contínua, neste intervalo.
Geração de raios X
Os raios X são gerados nas camadas eletrônicas dos átomos por variados processos físicos e apresentam um espectro contínuo de emissão, ao contrário das radiações gama. Em outras palavras, os raios X emitidos por um aparelho de raios X apresentam uma variedade muito grande de comprimento de onda ou seja, a energia varia de forma contínua.
Elétron-volt
A energia dos raios X ou gama emitidos por uma ampola ou por um elemento radioativo é uma característica que define a qualidade do feixe de radiação. A unidade mais usada para medir a energia das radiações é o elétron-volt(eV). Normalmente são empregados múltiplos dessa unidade: quiloelétron-volt = 1keV = I.OOOeV; megaelétron-volt = 1 MeV = 1 .OOO.OOOeV. Um elétron-volt representa a energia gerada por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 volt.
Interação radiação/matéria
As radiações X e gama interagem com a matéria através de trêsefeitos principais: fotoelétrico,espalhamento Compton e produção de pares.
Efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico ocorre quando um raio X ou gama incide sobre um elétron, transferindo-lhe toda a sua energia e desse modo, arrancando-o do átomo e ganhando energia cinética. Esse efeito é predominante ou tem maior probabilidade de ocorrer quando a energia do raio incidente é menor que 100keV.
Espalhamento Compton
Quando a radiação possui uma energia maior do que 100keV, o efeito predominante é o espalhamento Compton. Nesse efeito, o raio incidente cede parte da sua energia a um elétron do átomo, que ganha velocidade; porém, ainda resta uma certa quantidade de energia do raio incidente, em forma de radiação, que percorre a parte interna do material em outra direção e com uma energia menor. Essa radiação é denominada espalhada ou dispersa.
Produção de pares
Quando o raio incidente possui uma energia maior que 1,02MeV pode ocorrer o processo de produção de pares.Neste caso, ao passar perto de um núcleo atômico o raio produz um par de partículas: um elétron e um pósitron, ambos dotados de certa velocidade. Posteriormente, o pósitron se desintegra gerando dois raios com 0,51 MeV cada. Além da energia da radiação, certas características do material, como número atômico e massa atômica, afetam a probabilidade de ocorrência deste fenômeno de interação da radiação com a matéria.
Características das radiações gama
As radiações gama são aquelas emitidas do núcleo do átomo, o qual se encontra num estado excitado de energia, significativamente diferente das radiações X, que são emitidas das camadas eletrônicas dos átomos.
Essas emissões não ocorrem de forma desordenada, mas possuem um padrão de emissão denominado espectro de emissão.
Espectro de das radiações gama
Espectro de emissão é um padrão de emissão das radiações gama. As radiações gama provenientes dos elementos radioativos naturais e artificiais são emitidas com intensidades e energias bem definidas, caracterizando um espectro discreto de emissão; em outras palavras, os raios gama que saem do núcleo o átomo possuem energias bem determinadas e características do radioisótopo considerado.
Geração de raios gama
Com o desenvolvimento dos reatores nucleares, foi possível a produção artificial de isótopos radioativos através de reações nucleares de ativação. O fenômeno de ativação ocorre quando elementos naturais são colocados junto ao núcleo de um reator e irradiados por nêutrons térmicos que atingem o núcleo do átomo, penetrando nele. Isto cria uma quebra de equilíbrio energético no núcleo, e ao mesmo tempo muda sua massa atômica, caracterizando assim o isótopo. O estabelecimento do equilíbrio energético do núcleo do átomo é feito pela liberação de energia na forma de raios gama.
Decaimento radioativo
Um átomo submetido ao processo de ativação passa a emitir radiação porque seu núcleo se encontra num estado excitado de energia. Com o decorrer do tempo, no entanto, o número de átomos capazes de emitir radiação diminui gradualmente, caracterizando o fenômeno chamado decaimento radioativo.
Uma característica importante do decaimento radioativo é que ele não se processa na mesma velocidade para diferentes elementos. Por exemplo, numa amostra de Co-60, os átomos se desintegram mais lentamente do que no caso de uma amostra de lr-192. Com base nesses dados, pode-se expressar matematicamente o decaimento radioativo pela relação: dN = -No λ . dt.
A relação demonstra que o número de átomos N que se desintegram dentro de um certo intervalo de tempo é proporcional a X, No e 8t. Nessa equação, a letra X representa uma grandeza denominada constância de desintegração, que significa a razão em que a desintegração se processa.
A expressão matemática de Lei do decaimento radioativo é:
É importante observar que o decaimento obedece a uma lei exponencial. Isso significa que o número N nunca se tornará zero, embora vá assumindo valores progressivamente menores.
Meia vida
Meia vida é o período de tempo em que o material sofre decaimento radioativo e apresenta a metade do número inicial de átomos do radioisótopo original.
Quando uma fonte radioativa é produzida, coloca-se um certo número No de átomos em estado excitado na fonte. Pela Lei do decaimento radioativo, esse número de átomos excitado diminui com o passar do tempo, segundo as características do elemento radioativo. Como a taxa em que os átomos se desintegram é diferente de um elemento para outro, a meia vida também será uma característica de cada elemento, sendo conhecida e tabelada para todos os radioisótopos conhecidos.
