Razele X sunt tipuri de radiații electromagnetice, probabil cele mai cunoscute pentru capacitatea lor de a vedea prin pielea unei persoane și de a dezvălui imagini ale oaselor de sub ea. Progresele în tehnologie au dus la fascicule de raze X mai puternice și mai focalizate, precum și la aplicații din ce în ce mai numeroase ale acestor unde luminoase, de la obținerea de imagini ale unor celule biologice minuscule și componente structurale ale unor materiale precum cimentul până la uciderea celulelor canceroase.

Razele X sunt clasificate, în linii mari, în raze X moi și raze X dure. Razele X moi au lungimi de undă relativ scurte, de aproximativ 10 nanometri (un nanometru este o miliardime de metru), și astfel se încadrează în intervalul spectrului electromagnetic (EM) dintre lumina ultravioletă (UV) și razele gama. Razele X dure au lungimi de undă de aproximativ 100 picometri (un picometru este o trilionime de metru). Aceste unde electromagnetice ocupă aceeași regiune a spectrului EM ca și razele gamma. Singura diferență între ele este sursa lor: Razele X sunt produse prin accelerarea electronilor, în timp ce razele gamma sunt produse de nucleele atomice în una dintre cele patru reacții nucleare.

Istoria razelor X

Razele X au fost descoperite în 1895 de Wilhelm Conrad Röentgen, profesor la Universitatea Würzburg din Germania. Potrivit „Istoriei radiografiei” de la Nondestructive Resource Center, Röentgen a observat că cristalele din apropierea unui tub catodic de înaltă tensiune prezentau o strălucire fluorescentă, chiar și atunci când le-a protejat cu hârtie închisă la culoare. Tubul producea o anumită formă de energie care străbătea hârtia și făcea cristalele să strălucească. Röentgen a numit această energie necunoscută „radiație X”. Experimentele au arătat că această radiație putea pătrunde în țesuturile moi, dar nu și în oase, și producea imagini de umbră pe plăci fotografice.

Pentru această descoperire, Röentgen a primit primul Premiu Nobel pentru fizică, în 1901.

Surse și efecte ale razelor X

Razele X pot fi produse pe Pământ prin trimiterea unui fascicul de electroni de mare energie care se izbește de un atom precum cuprul sau galiul, potrivit lui Kelly Gaffney, director al Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Atunci când fasciculul lovește atomul, electronii din învelișul interior, numit învelișul s, sunt bruscați și, uneori, aruncați de pe orbita lor. Fără acel electron, sau acei electroni, atomul devine instabil, astfel încât, pentru ca atomul să se „relaxeze” sau să revină la echilibru, a spus Gaffney, un electron din așa-numita cochilie 1p intră pentru a umple golul. Care este rezultatul? Se eliberează o rază X.

„Problema cu asta este că fluorescența merge în toate direcțiile”, a declarat Gaffney pentru Live Science. „Nu sunt direcționale și nu pot fi focalizate. Nu este o modalitate foarte ușoară de a face o sursă de raze X de mare energie și luminoasă.”

Intrați într-un sincrotron, un tip de accelerator de particule care accelerează particule încărcate, cum ar fi electronii, în interiorul unui traseu închis, circular. Fizica de bază sugerează că, de fiecare dată când accelerați o particulă încărcată, aceasta emite lumină. Tipul de lumină depinde de energia electronilor (sau a altor particule încărcate) și de câmpul magnetic care îi împinge în jurul cercului, a spus Gaffney.

Din moment ce electronii sincrotonului sunt împinși până aproape de viteza luminii, ei emit cantități enorme de energie, în special energie de raze X. Și nu orice fel de raze X, ci un fascicul foarte puternic de raze X focalizate.

Radiația de sincrotron a fost observată pentru prima dată la General Electric din Statele Unite în 1947, potrivit European Synchrotron Radiation Facility. Această radiație a fost considerată o pacoste, deoarece făcea ca particulele să piardă energie, dar mai târziu, în anii 1960, a fost recunoscută ca fiind o lumină cu proprietăți excepționale care depășea neajunsurile tuburilor cu raze X. O caracteristică interesantă a radiației sincrotronice este aceea că este polarizată, adică câmpurile electrice și magnetice ale fotonilor oscilează toate în aceeași direcție, care poate fi fie liniară, fie circulară.

„Pentru că electronii sunt relativistici , atunci când emit lumină, aceasta sfârșește prin a fi focalizată în direcția înainte”, a spus Gaffney. „Acest lucru înseamnă că obțineți nu doar culoarea potrivită de raze X luminoase și nu doar o mulțime de ele, deoarece aveți o mulțime de electroni stocați, acestea sunt, de asemenea, emise în mod preferențial în direcția înainte.”

Imagistica cu raze X

Datorită capacității lor de a penetra anumite materiale, razele X sunt utilizate pentru mai multe aplicații de evaluare și testare nedistructivă, în special pentru a identifica defecte sau fisuri în componentele structurale. Conform NDT Resource Center, „Radiația este dirijată printr-o piesă și pe un film sau un alt detector. Imaginea de umbră rezultată arată caracteristicile interne” și dacă piesa este sănătoasă. Aceasta este aceeași tehnică folosită în cabinetele medicilor și stomatologilor pentru a crea imagini cu raze X ale oaselor și, respectiv, ale dinților.

Razele X sunt, de asemenea, esențiale pentru inspecțiile de securitate în transporturi ale mărfurilor, bagajelor și pasagerilor. Detectoarele electronice de imagistică permit vizualizarea în timp real a conținutului pachetelor și a altor obiecte ale pasagerilor.

Utilizarea inițială a razelor X a fost pentru obținerea de imagini ale oaselor, care se puteau distinge cu ușurință de țesuturile moi pe filmul care era disponibil la acea vreme. Cu toate acestea, sistemele de focalizare mai precise și metodele de detecție mai sensibile, cum ar fi filmele fotografice îmbunătățite și senzorii electronici de imagistică, au făcut posibilă distingerea detaliilor din ce în ce mai fine și a diferențelor subtile în densitatea țesuturilor, utilizând în același timp niveluri de expunere mult mai mici.

În plus, tomografia computerizată (CT) combină mai multe imagini cu raze X într-un model 3D al unei regiuni de interes.

Similară tomografiei computerizate, tomografia cu sincrotron poate dezvălui imagini tridimensionale ale structurilor interioare ale obiectelor, cum ar fi componentele inginerești, potrivit Centrului Helmholtz pentru Materiale și Energie.

Terapia cu raze X

Radioterapia utilizează radiații de înaltă energie pentru a distruge celulele canceroase prin deteriorarea ADN-ului acestora. Deoarece tratamentul poate afecta și celulele normale, Institutul Național de Cancer recomandă ca tratamentul să fie planificat cu atenție pentru a minimiza efectele secundare.

Potrivit Agenției de Protecție a Mediului din SUA, așa-numitele radiații ionizante din razele X pulverizează o zonă concentrată cu suficientă energie pentru a elimina complet electronii din atomi și molecule, modificând astfel proprietățile acestora. În doze suficiente, acest lucru poate deteriora sau distruge celulele. În timp ce această deteriorare a celulelor poate cauza cancerul, ea poate fi folosită și pentru a-l combate. Prin direcționarea razelor X către tumorile canceroase, se pot demola acele celule anormale.

Astronomie cu raze X

Potrivit lui Robert Patterson, profesor de astronomie la Missouri State University, sursele celeste de raze X includ sisteme binare apropiate care conțin găuri negre sau stele neutronice. În aceste sisteme, rămășița stelară mai masivă și mai compactă poate desprinde material de la steaua parteneră pentru a forma un disc de gaz extrem de fierbinte, emițător de raze X, în timp ce se deplasează în spirală spre interior. În plus, găurile negre supermasive din centrele galaxiilor spirale pot emite raze X pe măsură ce absorb stelele și norii de gaz care se află în raza lor gravitațională.

Telescoapele cu raze X folosesc reflexii cu unghiuri joase pentru a focaliza acești fotoni (lumină) de mare energie care altfel ar trece prin oglinzile normale ale telescoapelor. Deoarece atmosfera Pământului blochează cea mai mare parte a razelor X, observațiile se realizează de obicei cu ajutorul baloanelor de mare altitudine sau al telescoapelor pe orbită.

Resurse suplimentare

.