I raggi X sono tipi di radiazione elettromagnetica probabilmente più noti per la loro capacità di vedere attraverso la pelle di una persona e rivelare immagini delle ossa sotto di essa. I progressi nella tecnologia hanno portato a fasci di raggi X più potenti e focalizzati, nonché ad applicazioni sempre maggiori di queste onde luminose, dall’imaging di minuscole cellule biologiche e componenti strutturali di materiali come il cemento all’uccisione di 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 corte di circa 10 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro), e quindi rientrano nella gamma dello spettro elettromagnetico (EM) tra la luce ultravioletta (UV) e i 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 dall’accelerazione degli 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, un professore dell’Università di Würzburg in Germania. Secondo la “Storia della radiografia” del Nondestructive Resource Center, Röentgen notò che i cristalli vicino a un tubo catodico ad alta tensione mostravano un bagliore fluorescente, anche quando li proteggeva con carta scura. Una qualche forma di energia veniva prodotta dal tubo che penetrava la carta e faceva brillare i cristalli. Röentgen chiamò l’energia sconosciuta “radiazione X”. Gli esperimenti dimostrarono che questa radiazione poteva penetrare i tessuti molli ma non le ossa, e produceva immagini d’ombra sulle lastre fotografiche.

Per questa scoperta, Röentgen ricevette il primo premio Nobel per la fisica, nel 1901.

Fonti ed effetti dei raggi X

I raggi X possono essere prodotti sulla Terra inviando un fascio di elettroni ad alta energia che colpiscono un atomo come il rame o il gallio, secondo Kelly Gaffney, direttore dello Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Quando il fascio colpisce l’atomo, gli elettroni nel guscio interno, chiamato guscio s, vengono spostati e a volte spinti fuori dalla loro orbita. Senza quell’elettrone, o quegli elettroni, l’atomo diventa instabile, e così per l’atomo per “rilassarsi” o tornare all’equilibrio, Gaffney ha detto, un elettrone nel cosiddetto guscio 1p scende per riempire il vuoto. Il risultato? Viene rilasciato un raggio X.

“Il problema è che la fluorescenza va in tutte le direzioni”, ha detto Gaffney a Live Science. “Non sono direzionali e non sono focalizzabili. Non è un modo molto facile per fare una fonte ad alta energia e luminosa di raggi X.”

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

Siccome gli elettroni di sincrotrone sono spinti quasi alla velocità della luce, emettono enormi quantità di energia, soprattutto raggi X. E non raggi X qualsiasi, ma un fascio molto potente di luce a raggi X focalizzata.

La radiazione di sincrotrone fu vista 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 faceva perdere energia alle particelle, ma fu poi riconosciuta negli anni ’60 come una luce con proprietà eccezionali che superava i difetti dei tubi a raggi X. Una caratteristica interessante della radiazione di sincrotrone è che è polarizzata; cioè, i campi elettrici e magnetici dei fotoni oscillano tutti nella stessa direzione, che può essere lineare o circolare.

“Poiché gli elettroni sono relativistici, quando emettono luce, questa finisce per essere focalizzata nella direzione in avanti”, ha detto Gaffney. “Questo significa che si ottiene non solo il giusto colore di luce dei raggi X e non solo un sacco di loro perché hai un sacco di elettroni immagazzinati, sono anche emessi preferenzialmente nella direzione avanti.”

Imaging a raggi X

Data la loro capacità di penetrare alcuni materiali, i raggi X sono utilizzati per diverse applicazioni di valutazione e test non distruttivi, in particolare per identificare difetti o crepe nei componenti strutturali. Secondo il NDT Resource Center, “Le radiazioni sono dirette attraverso una parte e sulla pellicola o altro rivelatore. La shadowgraph risultante mostra le caratteristiche interne” e se la parte è sana. Questa è la stessa tecnica usata negli uffici dei medici e dei dentisti per creare immagini a raggi X di ossa e denti, rispettivamente.

I raggi X sono anche essenziali per le ispezioni di sicurezza dei trasporti di merci, bagagli e passeggeri. I rilevatori di immagini elettroniche permettono la visualizzazione in tempo reale del contenuto dei pacchi e di altri oggetti 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 a quel tempo. Tuttavia, sistemi di messa a fuoco più accurati e metodi di rilevamento più sensibili, come pellicole fotografiche migliorate e sensori di imaging elettronico, hanno reso possibile distinguere dettagli sempre più fini e sottili differenze nella densità dei tessuti, pur 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 CT, la tomografia di sincrotrone può rivelare immagini tridimensionali di strutture interne di oggetti come componenti di ingegneria, secondo il Centro Helmholtz per i materiali e l’energia.

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 attentamente pianificato per minimizzare gli effetti collaterali.

Secondo la U.S. Environmental Protection Agency, le cosiddette radiazioni ionizzanti dei raggi X colpiscono un’area focalizzata con abbastanza energia da togliere completamente gli elettroni da atomi e molecole, alterando così le loro proprietà. In dosi sufficienti, questo può danneggiare o distruggere le cellule. Mentre questo danno cellulare può causare il cancro, può anche essere usato per combatterlo. Dirigendo i raggi X verso i tumori cancerosi, può demolire queste cellule anormali.

Astronomia a raggi X

Secondo Robert Patterson, professore di astronomia alla Missouri State University, le fonti celesti di raggi X includono sistemi binari vicini contenenti buchi neri o stelle di neutroni. In questi sistemi, il residuo stellare più massiccio e compatto può spogliare di materiale la sua stella compagna per formare un disco di gas estremamente caldo che emette raggi X mentre si muove a spirale verso l’interno. Inoltre, i buchi neri supermassicci al centro delle galassie a spirale possono emettere raggi X quando assorbono stelle e nubi di gas che cadono all’interno della loro portata gravitazionale.

I telescopi a raggi X usano 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 sono in genere condotte utilizzando palloni aerostatici ad alta quota o telescopi orbitanti.

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