Raggi X

Radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda minore di quella della luce visibile, compresa tra circa 1 nm e 0,001 nm. Viene prodotta nelle transizioni tra i livelli energetici più profondi dell’atomo, o in seguito alla decelerazione subita da un fascio di particelle che penetra nella materia. I raggi X furono scoperti accidentalmente nel 1895 dal fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen nel corso delle sue ricerche sui raggi catodici: malgrado il tubo a vuoto in cui produceva la scarica elettrica fosse coperto da un pesante manto nero, uno schermo di platinocianuro di bario, posto casualmente in prossimità dell’apparato, emetteva luce fluorescente a ogni scarica. Röntgen ipotizzò e verificò che la fluorescenza era dovuta a una radiazione invisibile, ancora più penetrante della radiazione ultravioletta, che chiamò “raggi X”, alludendo alla sua natura ignota.

L’energia e la capacità di penetrazione della radiazione sono inversamente proporzionali alla lunghezza d’onda: così, i raggi X caratterizzati dalle lunghezze d’onda maggiori, ossia più vicini alla banda ultravioletta dello spettro elettromagnetico, vengono detti molli, in quanto relativamente poco penetranti; quelli di lunghezza d’onda minore, e dunque più vicini, o addirittura sovrapposti, alla regione dei raggi gamma, sono chiamati duri, in quanto molto penetranti.

Ogni volta che un atomo è interessato da una transizione di un suo elettrone interno da un livello energetico a un altro, si ha emissione di raggi X monocromatici. Simili transizioni si verificano, ad esempio, negli atomi del bersaglio di un tubo a raggi X, quando vengono colpiti dagli elettroni che costituiscono i raggi catodici. Questi hanno un’energia sufficiente a liberare gli elettroni più interni degli atomi e indurre, quindi, la ricaduta degli elettroni più esterni sui livelli energetici lasciati vacanti; queste transizioni sono accompagnate dall’emissione di energia sotto forma di radiazione X caratteristica. La lunghezza d’onda dei raggi X emessi dipende dal salto di energia compiuto dagli elettroni nella transizione, e quindi dalla struttura orbitale degli atomi in questione. L’analisi della radiazione X caratteristica emessa da un campione di materiale ignoto permette quindi di determinare la natura chimica del campione.

Sovrapposta alla radiazione X caratteristica, c’è sempre una componente di radiazione X bianca, detta anche policromatica o continua. Quando si fa incidere un fascio di elettroni accelerati su una porzione di materia, infatti, l’impatto tra le particelle incidenti e gli atomi del bersaglio determina la perdita di energia da parte dei primi, e quindi l’emissione di questa energia sotto forma di radiazione X continua. Lo spettro di questa radiazione X, detta di Bremsstrahlung, copre un ampio intervallo di lunghezze d’onda, con un limite inferiore che corrisponde all’energia massima degli elettroni-proiettile; inoltre, ha la caratteristica di essere indipendente dalla natura del bersaglio.

Quindi, un elettrone veloce che colpisce un bersaglio dà luogo a emissione sia di radiazione X continua di energia massima pari alla propria energia cinetica, sia di raggi X pressoché monocromatici, la cui frequenza (o lunghezza d’onda) dipende dalla natura degli atomi che costituiscono il bersaglio.

I raggi X hanno la proprietà di impressionare le emulsioni fotografiche in modo analogo a quanto fa la luce visibile. L’assorbimento di raggi X da parte dei diversi elementi avviene in modo selettivo: minore è il peso atomico e la densità di una sostanza, più trasparente essa risulta al passaggio di raggi X di una lunghezza d’onda determinata. Questa proprietà viene sfruttata per diverse applicazioni tecniche, in campi disparati: nell’analisi non distruttiva dei materiali, nell’analisi cristallografica e in radiologia medica. Come tutta la radiazione elettromagnetica ad alta energia, inoltre, anche i raggi X sono caratterizzati da un elevato potere ionizzante.

Le più importanti applicazioni dei raggi X si trovano nel campo della ricerca scientifica, nell’industria e in medicina.

Una delle principali applicazioni scientifiche dei raggi X riguarda una tecnica di analisi ampiamente utilizzata in cristallografia. Tale tecnica si basa sul fenomeno della diffrazione di raggi X e permette di identificare la natura di sostanze cristalline e di determinarne la struttura reticolare.

Quando un fascio di raggi X attraversa una sostanza cristallina, gli atomi del cristallo, disposti in una struttura geometrica regolare, agiscono come una sorta di reticolo di diffrazione. La figura di interferenza che ne risulta può essere fotografata e analizzata, per determinare alternativamente la lunghezza d’onda dei raggi X incidenti o la distanza tra gli atomi nel cristallo, e quindi le dimensioni della cella primaria del reticolo cristallino.

I metodi di diffrazione X possono essere applicati anche a sostanze in polvere che, pur non avendo una precisa struttura cristallina, presentino una forma di regolarità nella struttura molecolare. Per mezzo di simili metodi è possibile identificare i composti chimici e determinare le dimensioni di particelle ultramicroscopiche.

Un’altra importante tecnica di analisi basata sui raggi X è quella che sfrutta la fluorescenza X per determinare la composizione chimica di un campione ignoto. Si tratta di una tecnica spettroscopica, che consiste nel riconoscimento delle lunghezze d’onda caratteristiche delle righe spettrali emesse dal campione per fluorescenza. Questo tipo di analisi, essendo non distruttiva, si presta alla determinazione della composizione chimica di opere d’arte e di reperti archeologici, da effettuare prima degli interventi di restauro.

È inoltre possibile ottenere informazioni estremamente dettagliate sulla composizione e la distribuzione superficiale degli elementi chimici di un campione incognito impiegando una microsonda elettronica. Tale dispositivo consiste di un fascio di elettroni altamente collimato che induce l’emissione di raggi X da parte di un’area del campione molto ristretta, dell’ordine di 1 micrometro quadrato. Anche in questo caso, l’analisi delle righe caratteristiche emesse dal campione permette di risalire alla sua composizione chimica.

I raggi X svolgono un ruolo di fondamentale importanza anche nell’industria. Nel settore metallurgico vengono utilizzati nelle tecniche non distruttive di controllo della qualità di leghe metalliche ottenute per fusione: le immagini a raggi X raccolte su opportune piastre fotografiche permettono di individuare eventuali irregolarità. Tecniche analoghe si applicano per valutare la qualità o l’autenticità di altri prodotti industriali e di pietre preziose.

In medicina i raggi X trovano numerose applicazioni, sia nel settore diagnostico che in quello terapeutico. L’importanza dei raggi X nel campo della diagnostica si deve al loro elevato potere di penetrazione. Già a pochi anni dalla loro scoperta, venivano impiegati per localizzare la presenza di eventuali corpi estranei, ad esempio proiettili, all’interno del corpo umano; con lo sviluppo di tecniche sempre più raffinate, fu poi possibile individuare anche piccole irregolarità dei tessuti e diagnosticare diversi tipi di patologie. Oggi i metodi diagnostici radiologici comprendono indagini estremamente precise, come la tomografia computerizzata (TC) e la risonanza magnetica nucleare (NMR); mentre l’uso dei raggi X a scopo terapeutico rientra nei trattamenti di radioterapia. Quando i raggi X sono utilizzati per esami del corpo umano, le ossa, che hanno una composizione chimica di peso molecolare superiore, assorbono – più o meno completamente – la radiazione, lasciando impressa la loro immagine sulle lastre fotografiche in forma di ombre scure.

I tubi a raggi X sono dispositivi utilizzati per produrre radiazione X. Il primo di questi strumenti fu realizzato dal chimico e fisico britannico William Crookes. Si trattava di un tubo di vetro tenuto a vuoto parziale, contenente due elettrodi. Quando una corrente elettrica attraversa il tubo di Crookes, il gas residuo in esso contenuto si ionizza e induce l’emissione di elettroni dall’elettrodo negativo, il catodo. Questi elettroni, che nel complesso costituiscono i cosiddetti raggi catodici, bombardano le pareti del tubo e inducono a loro volta l’emissione di raggi X di bassa energia.

Un primo miglioramento nella tecnologia dei tubi a raggi X fu l’introduzione di un catodo curvo, capace di focalizzare il fascio di elettroni su un bersaglio di metallo pesante, detto anticatodo. Tale accorgimento permetteva di generare raggi X più duri, cioè di lunghezza d’onda minore e di energia maggiore rispetto a quelli prodotti con il tubo di Crookes ordinario ma, a causa della dipendenza dell’emissione di radiazione dalla pressione del gas contenuto all’interno del tubo, era difficile controllare con precisione il meccanismo di emissione.

I tubi a raggi X che si usano attualmente derivano dal modello messo a punto dal fisico statunitense William David Coolidge nel 1913. Questo consiste essenzialmente di un’ampolla di vetro a vuoto molto spinto, all’interno del quale un filamento incandescente, riscaldato da una corrente ausiliaria, emette elettroni per effetto termoionico. Gli elettroni emessi dal catodo incandescente vengono accelerati da un’elevata differenza di potenziale applicata ai capi del tubo e indirizzati contro un anodo di un metallo opportuno. A seconda della sostanza utilizzata per l’anodo, si generano raggi X di lunghezze d’onda diverse. Tra gli elementi più utilizzati per l’anodo, vi sono il tungsteno, il cromo e il molibdeno. All’aumentare della tensione, il valore minimo di lunghezza d’onda della radiazione emessa diminuisce.

Tra i tubi a raggi X oggi in uso, quelli più grandi e potenti prevedono un circuito di raffreddamento ad acqua, che previene la fusione dell’anodo in seguito al riscaldamento provocato dall’impatto con gli elettroni ad alta energia. Il cosiddetto tubo a prova d’urto, una variante del tubo di Coolidge, prevede inoltre un sistema di isolamento del contenitore (con olio) e il collegamento a massa dei cavi del generatore. Strumenti simili, come il betatrone, vengono usati per produrre raggi X molto duri, di lunghezza d’onda addirittura inferiore a quella dei raggi gamma emessi da elementi radioattivi naturali.

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