Les rayons X sont des types de rayonnement électromagnétique probablement plus connus pour leur capacité à voir à travers la peau d’une personne et à révéler des images des os situés en dessous. Les progrès technologiques ont conduit à des faisceaux de rayons X plus puissants et plus focalisés ainsi qu’à des applications toujours plus nombreuses de ces ondes lumineuses, allant de l’imagerie de minuscules cellules biologiques et de composants structurels de matériaux comme le ciment à la destruction de cellules cancéreuses.

Les rayons X sont grossièrement classés en rayons X mous et rayons X durs. Les rayons X mous ont des longueurs d’onde relativement courtes d’environ 10 nanomètres (un nanomètre est un milliardième de mètre), et ils se situent donc dans la gamme du spectre électromagnétique (EM) entre la lumière ultraviolette (UV) et les rayons gamma. Les rayons X durs ont une longueur d’onde d’environ 100 picomètres (un picomètre est un trillionième de mètre). Ces ondes électromagnétiques occupent la même région du spectre électromagnétique que les rayons gamma. La seule différence entre elles est leur source : Les rayons X sont produits par l’accélération des électrons, tandis que les rayons gamma sont produits par les noyaux atomiques dans l’une des quatre réactions nucléaires.

Histoire des rayons X

Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Conrad Röentgen, professeur à l’université de Würzburg en Allemagne. Selon l' »Histoire de la radiographie » du Nondestructive Resource Center, Röentgen a remarqué que des cristaux situés près d’un tube cathodique à haute tension présentaient une lueur fluorescente, même lorsqu’il les protégeait avec du papier sombre. Une certaine forme d’énergie était produite par le tube qui pénétrait le papier et faisait briller les cristaux. Röentgen appelle cette énergie inconnue « rayonnement X ». Des expériences ont montré que ce rayonnement pouvait pénétrer les tissus mous mais pas les os, et qu’il produisait des images d’ombre sur les plaques photographiques.

Pour cette découverte, Röentgen a reçu le tout premier prix Nobel de physique, en 1901.

Sources et effets des rayons X

Les rayons X peuvent être produits sur Terre en envoyant un faisceau d’électrons à haute énergie se fracasser sur un atome comme le cuivre ou le gallium, selon Kelly Gaffney, directeur du Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Lorsque le faisceau frappe l’atome, les électrons de la couche interne, appelée couche S, sont bousculés et parfois éjectés de leur orbite. Sans cet électron, ou ces électrons, l’atome devient instable, et pour que l’atome se « détende » ou revienne à l’équilibre, un électron de la coquille 1p vient combler le vide, explique Gaffney. Le résultat ? Un rayon X est libéré.

« Le problème avec cela est que la fluorescence va dans toutes les directions », a déclaré Gaffney à Live Science. « Ils ne sont pas directionnels et ne sont pas focalisables. Ce n’est pas un moyen très facile de fabriquer une source de rayons X brillante et à haute énergie. »

Entrez dans un synchrotron, un type d’accélérateur de particules qui accélère les particules chargées comme les électrons à l’intérieur d’un chemin fermé et circulaire. La physique de base suggère que chaque fois que vous accélérez une particule chargée, elle émet de la lumière. Le type de lumière dépend de l’énergie des électrons (ou d’autres particules chargées) et du champ magnétique qui les pousse autour du cercle, a expliqué M. Gaffney.

Puisque les électrons du synchrotron sont poussés à une vitesse proche de celle de la lumière, ils dégagent d’énormes quantités d’énergie, en particulier des rayons X. Et pas n’importe quels rayons X, mais un faisceau très puissant de rayons X focalisés.

Le rayonnement synchrotron a été observé pour la première fois chez General Electric aux États-Unis en 1947, selon l’installation européenne de rayonnement synchrotron. Ce rayonnement était considéré comme une nuisance car il faisait perdre de l’énergie aux particules, mais il a ensuite été reconnu dans les années 1960 comme une lumière aux propriétés exceptionnelles qui permettait de pallier les insuffisances des tubes à rayons X. Une caractéristique intéressante du rayonnement synchrotron est qu’il est polarisé, c’est-à-dire que les champs électriques et magnétiques des photons oscillent tous dans la même direction, qui peut être linéaire ou circulaire.

« Parce que les électrons sont relativistes , quand ils émettent de la lumière, elle finit par être focalisée dans la direction avant », a déclaré Gaffney. « Cela signifie que vous obtenez non seulement la bonne couleur de rayons X lumineux et non seulement beaucoup d’entre eux parce que vous avez beaucoup d’électrons stockés, ils sont également émis préférentiellement dans la direction avant. »

Imagerie par rayons X

En raison de leur capacité à pénétrer dans certains matériaux, les rayons X sont utilisés pour plusieurs applications d’évaluation et d’essais non destructifs, en particulier pour identifier les défauts ou les fissures dans les composants structurels. Selon le NDT Resource Center, « le rayonnement est dirigé à travers une pièce et sur un film ou un autre détecteur. Le graphique d’ombre qui en résulte montre les caractéristiques internes » et indique si la pièce est saine. Il s’agit de la même technique utilisée dans les cabinets de médecins et de dentistes pour créer des images radiographiques des os et des dents, respectivement.

Les rayons X sont également essentiels pour les inspections de sécurité des transports des cargaisons, des bagages et des passagers. Les détecteurs d’imagerie électronique permettent de visualiser en temps réel le contenu des colis et autres objets des passagers.

L’utilisation originale des rayons X était pour l’imagerie des os, qui étaient facilement distinguables des tissus mous sur le film disponible à l’époque. Cependant, des systèmes de focalisation plus précis et des méthodes de détection plus sensibles, telles que des films photographiques améliorés et des capteurs d’imagerie électroniques, ont permis de distinguer des détails de plus en plus fins et des différences subtiles dans la densité des tissus, tout en utilisant des niveaux d’exposition beaucoup plus faibles.

En outre, la tomographie assistée par ordinateur (CT) combine plusieurs images radiographiques en un modèle 3D d’une région d’intérêt.

Similaire à la CT, la tomographie synchrotron peut révéler des images tridimensionnelles des structures intérieures d’objets comme les composants d’ingénierie, selon le Centre Helmholtz pour les matériaux et l’énergie.

Radiothérapie

La radiothérapie utilise un rayonnement à haute énergie pour tuer les cellules cancéreuses en endommageant leur ADN. Comme le traitement peut également endommager les cellules normales, l’Institut national du cancer recommande que le traitement soit soigneusement planifié pour minimiser les effets secondaires.

Selon l’Agence américaine de protection de l’environnement, les rayonnements dits ionisants des rayons X zappent une zone ciblée avec suffisamment d’énergie pour dépouiller complètement les électrons des atomes et des molécules, altérant ainsi leurs propriétés. À des doses suffisantes, cela peut endommager ou détruire des cellules. Si ces lésions cellulaires peuvent provoquer un cancer, elles peuvent également être utilisées pour le combattre. En dirigeant les rayons X vers les tumeurs cancéreuses, elle peut démolir ces cellules anormales.

Astronomie des rayons X

Selon Robert Patterson, professeur d’astronomie à l’Université d’État du Missouri, les sources célestes de rayons X comprennent les systèmes binaires proches contenant des trous noirs ou des étoiles à neutrons. Dans ces systèmes, le vestige stellaire le plus massif et le plus compact peut arracher de la matière à son étoile compagnon pour former un disque de gaz extrêmement chaud émettant des rayons X en spirale vers l’intérieur. En outre, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies spirales peuvent émettre des rayons X lorsqu’ils absorbent les étoiles et les nuages de gaz qui tombent dans leur portée gravitationnelle.

Les télescopes à rayons X utilisent des réflexions à faible angle pour focaliser ces photons (lumière) à haute énergie qui passeraient autrement à travers les miroirs normaux des télescopes. Comme l’atmosphère terrestre bloque la plupart des rayons X, les observations sont généralement effectuées à l’aide de ballons à haute altitude ou de télescopes en orbite.

Ressources supplémentaires