Cosa sono i raggi X?

I raggi X sono tipi di radiazioni elettromagnetiche probabilmente più noti per la loro capacità di vedere attraverso la pelle di una persona e rivelare immagini delle ossa sottostanti. I progressi della tecnologia hanno portato a fasci di raggi X più potenti e focalizzati, nonché ad applicazioni sempre maggiori di queste onde luminose, dall'imaging di cellule biologiche adolescenti e componenti strutturali di materiali come il cemento all'uccisione delle cellule tumorali.  

I raggi X sono approssimativamente classificati in raggi X morbidi e raggi X duri. I raggi X morbidi hanno lunghezze d'onda relativamente brevi di circa 10 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro), e quindi rientrano nella gamma dello spettro elettromagnetico (EM) tra luce ultravioletta (UV) e raggi gamma. I raggi X duri hanno lunghezze d'onda di circa 100 picometri (un picometro è un trilionesimo di metro). Queste onde elettromagnetiche occupano la stessa regione dello spettro EM dei raggi gamma. L'unica differenza tra loro è la loro fonte: i raggi X sono prodotti accelerando gli elettroni, mentre i raggi gamma sono prodotti dai nuclei atomici in una delle quattro reazioni nucleari. 

Storia dei raggi X.

I raggi X furono scoperti nel 1895 da Wilhelm Conrad Röentgen, professore all'Università di Würzburg in Germania. Secondo "History of Radiography" del Nondestructive Resource Center, Röentgen ha notato cristalli vicino a un tubo a raggi catodici ad alta tensione che esibivano un bagliore fluorescente, anche quando li schermava con carta scura. Una qualche forma di energia veniva prodotta dal tubo che penetrava nella carta e faceva brillare i cristalli. Röentgen chiamava l'energia sconosciuta "radiazione X". Gli esperimenti hanno dimostrato che questa radiazione potrebbe penetrare nei tessuti molli ma non nell'osso e produrre immagini d'ombra su lastre fotografiche. 

Per questa scoperta, Röentgen è stato insignito del primo premio Nobel per la fisica, nel 1901.

Fonti ed effetti dei raggi X.

Secondo Kelly Gaffney, direttrice della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, i raggi X possono essere prodotti sulla Terra inviando un fascio di elettroni ad alta energia che si schianta contro un atomo come il rame o il gallio. Quando il raggio colpisce l'atomo, gli elettroni nel guscio interno, chiamato guscio a S, vengono spinti e talvolta lanciati fuori dalla loro orbita. Senza quell'elettrone, o elettroni, l'atomo diventa instabile, e così perché l'atomo si "rilassi" o torni all'equilibrio, ha detto Gaffney, un elettrone nel cosiddetto guscio 1p cade per riempire il vuoto. Il risultato? Viene rilasciata una radiografia.

"Il problema è che la fluorescenza [o la luce a raggi X emessa] va in tutte le direzioni", ha detto Gaffney. "Non sono direzionali e non sono focalizzabili. Non è un modo molto semplice per creare una sorgente luminosa e ad alta energia di raggi X".

Inserisci un sincrotrone, un tipo di acceleratore di particelle che accelera le particelle cariche come gli elettroni all'interno di un percorso circolare chiuso. La fisica di base suggerisce che ogni volta che acceleri una particella carica, emette luce. Il tipo di luce dipende dall'energia degli elettroni (o altre particelle cariche) e dal campo magnetico che li spinge intorno al cerchio, ha detto Gaffney.

Poiché gli elettroni di sincrotrone vengono spinti quasi alla velocità della luce, emettono enormi quantità di energia, in particolare l'energia dei raggi X. E non solo raggi X qualsiasi, ma un fascio molto potente di raggi X focalizzati.

La radiazione di sincrotrone è stata osservata per la prima volta alla General Electric negli Stati Uniti nel 1947, secondo l'European Synchrotron Radiation Facility. Questa radiazione era considerata un fastidio perché causava la perdita di energia delle particelle, ma in seguito fu riconosciuta negli anni '60 come luce con proprietà eccezionali che superavano le carenze dei tubi a raggi X. Una caratteristica interessante della radiazione di sincrotrone è che è polarizzata; cioè, i campi elettrico e magnetico dei fotoni oscillano tutti nella stessa direzione, che può essere lineare o circolare. 

"Poiché gli elettroni sono relativistici [o si muovono a una velocità prossima alla luce], quando emettono luce, finisce per essere focalizzata nella direzione in avanti", ha detto Gaffney. "Ciò significa che non solo ottieni il colore giusto dei raggi X e non solo molti di essi perché hai molti elettroni immagazzinati, ma sono anche emessi preferenzialmente nella direzione in avanti".

Imaging a raggi X.

Grazie alla loro capacità di penetrare in determinati materiali, i raggi X vengono utilizzati per diverse applicazioni di valutazione e test non distruttive, in particolare per identificare difetti o crepe nei componenti strutturali. Secondo l'NDT Resource Center, "La radiazione è diretta attraverso una parte e su [una] pellicola o altro rilevatore. L'ombra grafica risultante mostra le caratteristiche interne" e se la parte è sana. Questa è la stessa tecnica utilizzata negli studi di medici e dentisti per creare rispettivamente immagini a raggi X di ossa e denti. [Immagini: raggi X di pesci mozzafiato]

I raggi X sono essenziali anche per le ispezioni di sicurezza del trasporto di merci, bagagli e passeggeri. I rilevatori di immagini elettroniche consentono la visualizzazione in tempo reale del contenuto di pacchi e altri articoli dei passeggeri. 

L'uso originale dei raggi X era per l'imaging delle ossa, che erano facilmente distinguibili dai tessuti molli sulla pellicola che era disponibile in quel momento. Tuttavia, sistemi di messa a fuoco più accurati e metodi di rilevamento più sensibili, come pellicole fotografiche migliorate e sensori elettronici di imaging, hanno reso possibile distinguere dettagli sempre più fini e differenze sottili nella densità dei tessuti, utilizzando livelli di esposizione molto più bassi.

Inoltre, la tomografia computerizzata (TC) combina più immagini a raggi X in un modello 3D di una regione di interesse.

Simile alla TC, la tomografia di sincrotrone può rivelare immagini tridimensionali di strutture interne di oggetti come componenti di ingegneria, secondo l'Helmholtz Center for Materials and Energy.

Terapia a raggi X.

La radioterapia utilizza radiazioni ad alta energia per uccidere le cellule tumorali danneggiando il loro DNA. Poiché il trattamento può anche danneggiare le cellule normali, il National Cancer Institute raccomanda che il trattamento sia pianificato attentamente per ridurre al minimo gli effetti collaterali. 

Secondo l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, le cosiddette radiazioni ionizzanti dei raggi X colpiscono un'area focalizzata con energia sufficiente per rimuovere completamente gli elettroni da atomi e molecole, alterando così le loro proprietà. In dosi sufficienti, questo può danneggiare o distruggere le cellule. Sebbene questo danno cellulare possa causare il cancro, può anche essere usato per combatterlo. Dirigendo i raggi X ai tumori cancerosi, può demolire quelle cellule anormali. 

Astronomia a raggi X.

Secondo Robert Patterson, professore di astronomia presso la Missouri State University, le sorgenti celesti di raggi X includono sistemi binari stretti contenenti buchi neri o stelle di neutroni. In questi sistemi, il residuo stellare più massiccio e compatto può rimuovere materiale dalla sua stella compagna per formare un disco di gas che emette raggi X estremamente caldo mentre si muove a spirale verso l'interno. Inoltre, i buchi neri supermassicci al centro delle galassie a spirale possono emettere raggi X mentre assorbono stelle e nuvole di gas che rientrano nel loro raggio gravitazionale. 

I telescopi a raggi X utilizzano riflessioni a basso angolo per focalizzare questi fotoni ad alta energia (luce) che altrimenti passerebbero attraverso i normali specchi dei telescopi. Poiché l'atmosfera terrestre blocca la maggior parte dei raggi X, le osservazioni vengono generalmente condotte utilizzando palloncini ad alta quota o telescopi in orbita. 

Risorse addizionali

• Per saperne di più, scarica questo PDF da SLAC intitolato "Early History of X-Rays".
• Il Centro risorse NDE / NDT fornisce informazioni sulla valutazione non distruttiva / sui test non distruttivi. 
• La pagina della missione della NASA sullo spettro elettromagnetico spiega come gli astronomi usano i raggi X..

Questa pagina è stata aggiornata il 5 ottobre 2018 dalla caporedattrice, Jeanna Bryner.