Raggi X

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Introduzione

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.

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Radiazione X caratteristica

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.

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Radiazione X di Bremsstrahlung

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.

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Proprietà dei raggi X

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.