Cosa sappiamo dei raggi X?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Nel 19° secolo, le radiazioni invisibili all'occhio umano, in grado di attraversare la carne e altri materiali, sembravano qualcosa di completamente fantastico. Ora, i raggi X sono ampiamente utilizzati per creare immagini mediche, condurre radioterapia, analizzare opere d'arte e risolvere problemi di energia nucleare.

Come è stata scoperta la radiazione a raggi X e come aiuta le persone - lo scopriamo insieme al fisico Alexander Nikolaevich Dolgov.

La scoperta dei raggi X

Dalla fine del XIX secolo, la scienza iniziò a svolgere un ruolo fondamentalmente nuovo nel plasmare l'immagine del mondo. Un secolo fa, le attività degli scienziati erano di natura amatoriale e privata. Tuttavia, alla fine del XVIII secolo, a seguito della rivoluzione scientifica e tecnologica, la scienza si trasformò in un'attività sistematica in cui ogni scoperta divenne possibile grazie al contributo di molti specialisti.

Cominciarono ad apparire istituti di ricerca, riviste scientifiche periodiche, nacquero concorrenza e lotte per il riconoscimento del diritto d'autore per i risultati scientifici e le innovazioni tecniche. Tutti questi processi avvennero nell'Impero tedesco, dove alla fine del XIX secolo il Kaiser incoraggiò le conquiste scientifiche che aumentarono il prestigio del paese sulla scena mondiale.

Uno degli scienziati che ha lavorato con entusiasmo in questo periodo è stato il professore di fisica, rettore dell'Università di Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. L'8 novembre 1895 rimase in laboratorio fino a tardi, come spesso accadeva, e decise di condurre uno studio sperimentale sulla scarica elettrica nei tubi sottovuoto di vetro. Oscurò la stanza e avvolse uno dei tubi in carta nera opaca per facilitare l'osservazione dei fenomeni ottici che accompagnano la scarica. Con mia sorpresa

Roentgen ha visto una banda di fluorescenza su uno schermo vicino ricoperto di cristalli di cianoplatinite di bario. È improbabile che uno scienziato possa quindi immaginare di essere sull'orlo di una delle scoperte scientifiche più importanti del suo tempo. L'anno prossimo verranno scritte oltre mille pubblicazioni sui raggi X, i medici metteranno immediatamente in servizio l'invenzione, grazie ad essa in futuro verrà scoperta la radioattività e appariranno nuove direzioni della scienza.

Roentgen dedicò le settimane successive a indagare sulla natura dell'incomprensibile bagliore e scoprì che la fluorescenza appariva ogni volta che applicava corrente al tubo. Il tubo era la fonte della radiazione, non qualche altra parte del circuito elettrico. Non sapendo cosa stava affrontando, Roentgen decise di designare questo fenomeno come raggi X, o raggi X. Inoltre Roentgen ha scoperto che questa radiazione può penetrare quasi tutti gli oggetti a diverse profondità, a seconda dello spessore dell'oggetto e della densità della sostanza.

Pertanto, un piccolo disco di piombo tra il tubo di scarica e lo schermo si è rivelato impermeabile ai raggi X e le ossa della mano proiettano un'ombra più scura sullo schermo, circondate da un'ombra più chiara dai tessuti molli. Presto lo scienziato scoprì che i raggi X causano non solo il bagliore dello schermo ricoperto di cianoplatinite di bario, ma anche l'oscuramento delle lastre fotografiche (dopo lo sviluppo) in quei luoghi in cui i raggi X cadevano sull'emulsione fotografica.

Nel corso dei suoi esperimenti, Roentgen era convinto di aver scoperto radiazioni sconosciute alla scienza. Il 28 dicembre 1895 riportò i risultati della ricerca in un articolo "Su un nuovo tipo di radiazione" nella rivista Annals of Physics and Chemistry. Allo stesso tempo, inviò agli scienziati le immagini della mano di sua moglie, Anna Bertha Ludwig, che in seguito divenne famosa.

Grazie al vecchio amico di Roentgen, il fisico austriaco Franz Exner, gli abitanti di Vienna furono i primi a vedere queste foto il 5 gennaio 1896 sulle pagine del quotidiano Die Presse. Il giorno successivo, le informazioni sull'inaugurazione sono state trasmesse al quotidiano London Chronicle. Così la scoperta di Roentgen iniziò gradualmente ad entrare nella vita quotidiana delle persone. L'applicazione pratica fu trovata quasi immediatamente: il 20 gennaio 1896, nel New Hampshire, i medici curarono un uomo con un braccio rotto usando un nuovo metodo diagnostico: una radiografia.

Uso precoce dei raggi X

Nel corso di diversi anni, le immagini a raggi X hanno iniziato a essere utilizzate attivamente per operazioni più accurate. Già 14 giorni dopo la loro apertura, Friedrich Otto Valkhoff ha effettuato la prima radiografia dentale. E in seguito, insieme a Fritz Giesel, hanno fondato il primo laboratorio di radiologia dentale al mondo.

Nel 1900, 5 anni dopo la sua scoperta, l'uso dei raggi X nella diagnosi era considerato parte integrante della pratica medica.

Le statistiche stilate dal più antico ospedale della Pennsylvania possono essere considerate indicative della diffusione delle tecnologie basate sulle radiazioni a raggi X. Secondo lei, nel 1900, solo l'1-2% circa dei pazienti riceveva aiuto con i raggi X, mentre nel 1925 c'era già il 25%.

I raggi X erano usati in un modo molto insolito all'epoca. Ad esempio, sono stati utilizzati per fornire servizi di depilazione. Per molto tempo, questo metodo è stato considerato preferibile rispetto a quelli più dolorosi: pinze o cera. Inoltre, i raggi X sono stati utilizzati negli apparecchi per calzare le scarpe - fluoroscopi di prova (pedoscopi). Si trattava di macchine a raggi X con una speciale tacca per i piedi, nonché finestre attraverso le quali il cliente e i venditori potevano valutare come si posizionavano le scarpe.

L'uso precoce dell'imaging a raggi X da una prospettiva di sicurezza moderna solleva molte domande. Il problema era che al momento della scoperta dei raggi X, non si sapeva praticamente nulla delle radiazioni e delle sue conseguenze, motivo per cui i pionieri che hanno utilizzato la nuova invenzione hanno affrontato i suoi effetti dannosi nella loro stessa esperienza. Le conseguenze negative di una maggiore esposizione è diventato un fenomeno di massa all'inizio del 19. secolo XX, e le persone hanno iniziato gradualmente a rendersi conto dei pericoli dell'uso insensato dei raggi X.

La natura dei raggi X

La radiazione a raggi X è una radiazione elettromagnetica con energie dei fotoni da ~ 100 eV a 250 keV, che si trova sulla scala delle onde elettromagnetiche tra la radiazione ultravioletta e la radiazione gamma. Fa parte della radiazione naturale che si verifica nei radioisotopi quando gli atomi degli elementi sono eccitati da un flusso di elettroni, particelle alfa o quanti gamma, in cui gli elettroni vengono espulsi dai gusci elettronici dell'atomo. La radiazione a raggi X si verifica quando le particelle cariche si muovono con accelerazione, in particolare, quando gli elettroni vengono decelerati, nel campo elettrico degli atomi di una sostanza.

Si distinguono i raggi X morbidi e duri, il confine condizionale tra i quali sulla scala delle lunghezze d'onda è di circa 0,2 nm, che corrisponde a un'energia del fotone di circa 6 keV. La radiazione a raggi X è sia penetrante, a causa della sua lunghezza d'onda corta, sia ionizzante, poiché quando passa attraverso una sostanza, interagisce con gli elettroni, facendoli cadere dagli atomi, rompendoli così in ioni ed elettroni e modificando la struttura della sostanza su quale agisce.

I raggi X fanno risplendere un composto chimico chiamato fluorescenza. L'irradiazione degli atomi del campione con fotoni ad alta energia provoca l'emissione di elettroni: lasciano l'atomo. In uno o più orbitali elettronici si formano "buchi" - posti vacanti, a causa dei quali gli atomi entrano in uno stato eccitato, cioè diventano instabili. Milioni di secondo dopo, gli atomi tornano a uno stato stabile, quando i posti vacanti negli orbitali interni vengono riempiti con gli elettroni degli orbitali esterni.

Questa transizione è accompagnata dall'emissione di energia sotto forma di un fotone secondario, quindi si verifica la fluorescenza.

Astronomia a raggi X

Sulla Terra, incontriamo raramente i raggi X, ma si trovano abbastanza spesso nello spazio. Lì si verifica naturalmente a causa dell'attività di molti oggetti spaziali. Ciò ha reso possibile l'astronomia a raggi X. L'energia dei fotoni a raggi X è molto più alta di quelli ottici, quindi nella gamma dei raggi X emette una sostanza riscaldata a temperature estremamente elevate.

Queste sorgenti cosmiche di radiazioni a raggi X non sono per noi una parte evidente della radiazione di fondo naturale e quindi non minacciano in alcun modo le persone. L'unica eccezione può essere una tale fonte di forte radiazione elettromagnetica come l'esplosione di una supernova, che si è verificata abbastanza vicino al sistema solare.

Come creare raggi X artificialmente?

I dispositivi a raggi X sono ancora ampiamente utilizzati per l'introscopia non distruttiva (immagini a raggi X in medicina, rilevamento di difetti nella tecnologia). Il loro componente principale è un tubo a raggi X, che consiste in un catodo e un anodo. Gli elettrodi del tubo sono collegati a una sorgente ad alta tensione, solitamente decine o addirittura centinaia di migliaia di volt. Quando riscaldato, il catodo emette elettroni, che vengono accelerati dal campo elettrico generato tra il catodo e l'anodo.

Entrando in collisione con l'anodo, gli elettroni vengono decelerati e perdono gran parte della loro energia. In questo caso, appare la radiazione bremsstrahlung della gamma dei raggi X, ma la parte predominante dell'energia dell'elettrone viene convertita in calore, quindi l'anodo viene raffreddato.

Il tubo a raggi X ad azione costante o pulsata è ancora la fonte di radiazioni più diffusa, ma è tutt'altro che l'unico. Per ottenere impulsi di radiazione ad alta intensità, vengono utilizzate scariche ad alta corrente, in cui il canale del plasma della corrente che scorre viene compresso dal proprio campo magnetico della corrente - il cosiddetto pinching.

Se la scarica avviene in un mezzo di elementi leggeri, ad esempio in un mezzo di idrogeno, allora svolge il ruolo di un efficace acceleratore di elettroni dal campo elettrico che si origina nella scarica stessa. Questa scarica può superare notevolmente il campo generato da una sorgente di corrente esterna. In questo modo si ottengono impulsi di radiazione a raggi X duri ad alta energia dei quanti generati (centinaia di kiloelettronvolt), che hanno un alto potere penetrante.

Per ottenere raggi X in un'ampia gamma spettrale, vengono utilizzati acceleratori di elettroni - sincrotroni. In essi, la radiazione si forma all'interno di una camera a vuoto anulare, in cui un raggio strettamente diretto di elettroni ad alta energia, accelerato quasi alla velocità della luce, si muove su un'orbita circolare. Durante la rotazione, sotto l'influenza di un campo magnetico, gli elettroni volanti emettono fasci di fotoni tangenzialmente all'orbita in un ampio spettro, il cui massimo cade nella gamma dei raggi X.

Come vengono rilevati i raggi X

Per lungo tempo, è stato utilizzato un sottile strato di fosforo o emulsione fotografica applicato sulla superficie di una lastra di vetro o di una pellicola polimerica trasparente per rilevare e misurare le radiazioni dei raggi X. Il primo brillava nella gamma ottica dello spettro sotto l'azione della radiazione a raggi X, mentre la trasparenza ottica del rivestimento cambiava nel film sotto l'azione di una reazione chimica.

Attualmente, i rilevatori elettronici sono più spesso utilizzati per registrare le radiazioni a raggi X, dispositivi che generano un impulso elettrico quando un quanto di radiazione viene assorbito nel volume sensibile del rilevatore. Differiscono nel principio di convertire l'energia della radiazione assorbita in segnali elettrici.

I rivelatori di raggi X con registrazione elettronica possono essere suddivisi in ionizzazione, la cui azione si basa sulla ionizzazione di una sostanza, e radioluminescente, inclusa la scintillazione, che utilizza la luminescenza di una sostanza sotto l'azione della radiazione ionizzante. I rivelatori a ionizzazione, a loro volta, sono divisi in riempiti di gas e semiconduttori, a seconda del mezzo di rilevamento.

I principali tipi di rivelatori a gas sono camere a ionizzazione, contatori Geiger (contatori Geiger-Muller) e contatori proporzionali a scarica di gas. I quanti di radiazione che entrano nell'ambiente di lavoro del contatore provocano la ionizzazione del gas e il flusso di corrente, che viene registrato. In un rivelatore a semiconduttore, si formano coppie elettrone-lacuna sotto l'azione di quanti di radiazione, che consentono anche a una corrente elettrica di fluire attraverso il corpo del rivelatore.

Il componente principale dei contatori a scintillazione in un dispositivo a vuoto è un tubo fotomoltiplicatore (PMT), che utilizza l'effetto fotoelettrico per convertire la radiazione in un flusso di particelle cariche e il fenomeno dell'emissione di elettroni secondari per aumentare la corrente delle particelle cariche generate. Il fotomoltiplicatore ha un fotocatodo e un sistema di elettrodi acceleratori sequenziali - dinodi, all'impatto su cui si moltiplicano gli elettroni accelerati.

Il moltiplicatore di elettroni secondario è un dispositivo a vuoto aperto (funziona solo in condizioni di vuoto), in cui la radiazione di raggi X all'ingresso viene convertita in un flusso di elettroni primari e quindi amplificata a causa dell'emissione secondaria di elettroni mentre si propagano nel canale moltiplicatore.

Le piastre a microcanali, che sono un numero enorme di canali microscopici separati che penetrano nel rilevatore di piastre, funzionano secondo lo stesso principio. Possono inoltre fornire risoluzione spaziale e la formazione di un'immagine ottica della sezione trasversale del flusso incidente sul rivelatore di radiazioni a raggi X bombardando il flusso di elettroni in uscita di uno schermo semitrasparente con un fosforo depositato su di esso.

I raggi X in medicina

La capacità dei raggi X di brillare attraverso oggetti materiali non solo offre alle persone la possibilità di creare semplici raggi X, ma apre anche possibilità per strumenti diagnostici più avanzati. Ad esempio, è al centro della tomografia computerizzata (TC).

La sorgente di raggi X e il ricevitore ruotano all'interno dell'anello in cui giace il paziente. I dati ottenuti su come i tessuti del corpo assorbono i raggi X vengono ricostruiti da un computer in un'immagine 3D. La TC è particolarmente importante per la diagnosi di ictus e, sebbene sia meno accurata della risonanza magnetica del cervello, richiede molto meno tempo.

Una direzione relativamente nuova, che si sta ora sviluppando in microbiologia e medicina, è l'uso delle radiazioni a raggi X molli. Quando un organismo vivente è traslucido, consente di ottenere un'immagine dei vasi sanguigni, studiare in dettaglio la struttura dei tessuti molli e persino eseguire studi microbiologici a livello cellulare.

Un microscopio a raggi X che utilizza la radiazione di una scarica di tipo pinch nel plasma di elementi pesanti consente di vedere tali dettagli della struttura di una cellula vivente,che non può essere visto da un microscopio elettronico anche in una struttura cellulare appositamente preparata.

Uno dei tipi di radioterapia usati per trattare i tumori maligni utilizza raggi X duri, che diventa possibile grazie al suo effetto ionizzante, che distrugge il tessuto di un oggetto biologico. In questo caso, come sorgente di radiazioni viene utilizzato un acceleratore di elettroni.

La radiografia nella tecnologia

I raggi X molli sono utilizzati nella ricerca volta a risolvere il problema della fusione termonucleare controllata. Per avviare il processo, è necessario creare un'onda d'urto di rinculo irradiando un piccolo bersaglio di deuterio e trizio con raggi X morbidi provenienti da una scarica elettrica e riscaldando istantaneamente il guscio di questo bersaglio allo stato di plasma.

Questa onda comprime il materiale bersaglio a una densità migliaia di volte superiore alla densità di un solido e lo riscalda fino a una temperatura termonucleare. Il rilascio di energia da fusione termonucleare avviene in breve tempo, mentre il plasma caldo si disperde per inerzia.

La capacità di traslucidità rende possibile la radiografia, una tecnica di imaging che consente di visualizzare la struttura interna di un oggetto opaco in metallo, ad esempio. È impossibile determinare a occhio se le strutture del ponte sono state saldate saldamente, se la giunzione sul gasdotto è a tenuta d'aria e se le rotaie si adattano perfettamente l'una all'altra.

Pertanto, nell'industria, i raggi X vengono utilizzati per il rilevamento dei difetti, monitorando l'affidabilità delle principali proprietà e parametri di lavoro di un oggetto o dei suoi singoli elementi, che non richiede la messa fuori servizio dell'oggetto o lo smantellamento.

La spettrometria a fluorescenza a raggi X si basa sull'effetto della fluorescenza, un metodo di analisi utilizzato per determinare le concentrazioni di elementi dal berillio all'uranio nell'intervallo da 0,0001 a 100% in sostanze di varia origine.

Quando un campione viene irradiato con un potente flusso di radiazioni da un tubo a raggi X, appare la caratteristica radiazione fluorescente degli atomi, che è proporzionale alla loro concentrazione nel campione. Attualmente, praticamente ogni microscopio elettronico consente di determinare, senza alcuna difficoltà, la composizione elementare dettagliata dei micro-oggetti studiati mediante il metodo dell'analisi della fluorescenza a raggi X.

I raggi X nella storia dell'arte

La capacità dei raggi X di trasparire e creare un effetto di fluorescenza viene utilizzata anche per studiare i dipinti. Ciò che si nasconde sotto lo strato superiore di vernice può dire molto sulla storia della creazione della tela. Ad esempio, è nel lavoro abile con diversi strati di pittura che un'immagine può essere considerata unica nel lavoro di un artista. È anche importante tenere conto della struttura degli strati del dipinto quando si scelgono le condizioni di conservazione più adatte per la tela.

Per tutto questo, la radiazione a raggi X è indispensabile, permettendoti di guardare sotto gli strati superiori dell'immagine senza danneggiarla.

Importanti sviluppi in questa direzione sono i nuovi metodi specializzati per lavorare con le opere d'arte. La fluorescenza macroscopica è una variante dell'analisi della fluorescenza a raggi X che è adatta per visualizzare la struttura di distribuzione di elementi chiave, principalmente metalli, presenti in aree di circa 0,5-1 metro quadrato o più.

D'altra parte, la laminografia a raggi X, una variante della tomografia computerizzata a raggi X, più adatta allo studio delle superfici piane, sembra promettente per ottenere immagini di singoli strati di un'immagine. Questi metodi possono essere utilizzati anche per studiare la composizione chimica dello strato di vernice. Ciò consente di datare la tela, anche per identificare un falso.

I raggi X ti permettono di scoprire la struttura di una sostanza

La cristallografia a raggi X è una direzione scientifica associata all'identificazione della struttura della materia a livello atomico e molecolare. Una caratteristica distintiva dei corpi cristallini è una ripetizione ordinata multipla nella struttura spaziale degli stessi elementi (cellule), costituita da un certo insieme di atomi, molecole o ioni.

Il principale metodo di ricerca consiste nell'esporre un campione cristallino a un fascio stretto di raggi X utilizzando una telecamera a raggi X. La fotografia risultante mostra un'immagine di raggi X diffratti che passano attraverso il cristallo, da cui gli scienziati possono quindi visualizzare visivamente la sua struttura spaziale, chiamata reticolo cristallino. Vari modi di implementare questo metodo sono chiamati analisi strutturale a raggi X.

L'analisi strutturale a raggi X delle sostanze cristalline consiste in due fasi:

1. Determinazione della dimensione della cella elementare del cristallo, del numero di particelle (atomi, molecole) nella cella elementare e della simmetria della disposizione delle particelle. Questi dati sono ottenuti analizzando la geometria della posizione dei massimi di diffrazione.
2. Calcolo della densità elettronica all'interno della cella elementare e determinazione delle coordinate atomiche, che si identificano con la posizione dei massimi di densità elettronica. Questi dati sono ottenuti analizzando l'intensità dei massimi di diffrazione.

Alcuni biologi molecolari prevedono che nell'imaging delle molecole più grandi e complesse, la cristallografia a raggi X potrebbe essere sostituita da una nuova tecnica chiamata microscopia elettronica criogenica.

Uno degli strumenti più recenti nell'analisi chimica è stato il film scanner di Henderson, che ha utilizzato nel suo lavoro pionieristico sulla microscopia elettronica criogenica. Tuttavia, questo metodo è ancora piuttosto costoso ed è quindi improbabile che sostituisca completamente la cristallografia a raggi X nel prossimo futuro.

Un'area relativamente nuova di ricerca e applicazioni tecniche associate all'uso dei raggi X è la microscopia a raggi X. È progettato per ottenere un'immagine ingrandita dell'oggetto in studio nello spazio reale in due o tre dimensioni utilizzando l'ottica di messa a fuoco.

Il limite di diffrazione della risoluzione spaziale nella microscopia a raggi X dovuto alla piccola lunghezza d'onda della radiazione utilizzata è circa 1000 volte migliore del valore corrispondente per un microscopio ottico. Inoltre, il potere penetrante della radiazione X permette di studiare la struttura interna di campioni completamente opachi alla luce visibile.

E sebbene la microscopia elettronica abbia il vantaggio di una risoluzione spaziale leggermente superiore, non è un metodo di indagine non distruttivo, poiché richiede un vuoto e campioni con superfici metalliche o metallizzate, che è completamente distruttivo, ad esempio, per oggetti biologici.