I raggi X (o raggi Röntgen) sono quella porzione di spettro elettromagnetico con lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra 10 nanometri (nm) e 10 picometri (pm) - ossia tra 10-8 e 10-11 metri (m), o alternativamente tra 100 e 0,1 ångström (Å) - classificati come radiazioni ionizzanti, essendo in grado di strappare elettroni dagli atomi neutri che diventano ioni. I raggi X a piccole lunghezze d'onda hanno un potere di penetrazione molto elevato: solo spessori dell'ordine di centimetri di piombo o di decimetri di calcestruzzo possono fermarli.
A lunghezza d'onda superiore a 0,1 nm sono chiamati raggi X molli; a lunghezze minori, sono chiamati raggi X duri. I raggi X duri si affiancano ai raggi gamma, più energetici, ma vengono distinti da essi a seconda della loro origine: i fotoni X sono prodotti da variazioni della cinetica degli elettroni, mentre quelli gamma da transizioni e decadimenti all'interno di un nucleo atomico (origine nucleare), o dall'annichilazione tra un positrone e un elettrone. Sono usati principalmente per fini medici (ad esempio le radiografie), nell'analisi chimica con la spettrofotometria XRF e nell'analisi della struttura dei materiali con la cristallografia a raggi X e con la spettroscopia di assorbimento dei raggi X. Le ricerche puntano a visualizzare strutture in vivo sempre più minute e in laboratorio si riescono a raggiungere risoluzioni di 62 nanometri. Raggi X di energie molto elevate, fino a diversi milioni di volt dei generatori, acceleratori di elettroni, vengono usati nella terapia dei tumori e in radiochirurgia permettendo interventi chirurgici di precisione non invasivi.
Storia Storicamente, la scoperta dei raggi X è attribuita a Wilhelm Röntgen nel 1895, mentre conduceva per altri fini esperimenti su tubi catodici. Gli effetti su schermi fluorescenti e la penetrazione della radiazione ottenuta, invisibile all'occhio umano lo portarono a denominare tale radiazione con il nome di raggi X, cioè di origine ignota (anche chiamati raggi Röntgen). Per questa scoperta, Wilhelm Röntgen venne insignito del primo premio Nobel.
Ci sono comunque numerose ricerche precedenti e simultanee collegate alla scoperta dei raggi X. Nell'aprile 1887, Nikola Tesla iniziò a studiare raggi della medesima natura usando sia i propri apparecchi che i tubi di Crookes. Dai suoi resoconti tecnici, si vede che inventò e realizzò uno speciale tubo che generava i raggi X con un singolo elettrodo. I tubi di Tesla differivano dagli altri per non avere un elettrodo bersaglio. Spiegò tutto questo nella sua lezione sui raggi X del 1897, all'Accademia delle Scienze di New York. Nel 1892 Tesla aveva compiuto numerosi esperimenti in tal senso, ma non rese pubblici i suoi risultati. I suoi esperimenti successivi lo portarono ad avvertire la comunità scientifica per primo dei rischi biologici connessi all'esposizione dei raggi X. Hermann von Helmholtz formulò una descrizione matematica dei raggi X. Ipotizzò una teoria della dispersione prima che Röntgen facesse le sue scoperte e annunci. La sua formula era basata sulla teoria elettromagnetica della luceWiedmann's Annalen, Vol. XLVIII.
William Crookes investigò gli effetti di scariche di energia in gas nobili e costruì quello che viene chiamato tubo di Crookes, poi evolutosi nel tubo radiogeno: un cilindro di vetro al cui interno è fatto il vuoto, contenente degli elettrodi a cui vengono applicate correnti ad alta tensione. A pressione ambientale esso emetteva luce visibile, che variava di tipo con il decrescere della pressione, fino ad affievolirsi sotto vuoto spinto, per poi spegnersi. Trovò che, disponendo delle pellicole fotografiche vicino al tubo, alcune venivano impressionate, ma non investigò questo aspetto. Difatti, in realtà l'emissione luminosa non si interrompeva come inizialmente aveva creduto, ma diventava invisibile solo all'occhio umano (dato che i raggi emessi lo attraversavano).
Nel 1892, Heinrich Hertz dimostrò che i raggi catodici potevano passare attraverso fogli di metallo molto sottile (come l'alluminio). Philipp von Lenard, uno studente di Hertz, continuò a investigare in merito, sviluppò una nuova versione del tubo catodico, e studiò la penetrazione dei raggi X attraverso vari metalli. Lenard, però, non si rese conto della natura della radiazione che stava producendo, che pensava invece fosse di tipo noto.
Sul ruolo di Wilhelm Röntgen nella scoperta dei raggi X non si hanno testimonianze certe in quanto Röntgen, nel suo testamento, espresse il desiderio che tutta la sua corrispondenza scientifica venisse bruciata. Secondo quanto ricostruito, l’8 novembre 1895, Röntgen stava facendo degli esperimenti con un tubo fluorescente, una capsula di vetro attraverso cui veniva fatta passare una corrente elettrica. Il fisico tedesco, distogliendo lo sguardo dall'apparecchio, notò che uno degli schermi posti a poca distanza dal tubo stava brillando. Questa luce era visibile solo in una certa posizione dove è situata una parte sensibile della retina. Röntgen aveva coperto il tubo con degli spessi fogli di cartoncino nero, quindi ciò che illuminava lo schermo era necessariamente invisibile a occhio nudo e in grado di penetrare lo strato di carta che copriva il tubo. Ripetendo l’esperimento più volte, si accertò di non aver commesso errori e chiese alla moglie di mettere la mano tra il tubo e la pellicola: così facendo ottenne la prima radiografia della storia.
Il fisico decise di chiamare i misteriosi raggi che avevano “stampato” la mano della moglie “X”, come il simbolo matematico che indica una quantità sconosciuta. Quello che il fisico tedesco aveva scoperto era che in certe condizioni gli elettroni emessi dai tubi con cui stava eseguendo l’esperimento si trasformano in una radiazione elettromagnetica con la capacità di penetrare quasi qualsiasi materiale. Nel 1901 il fisico tedesco ricevette il Premio Nobel aprendo un ampio studio sui suddetti raggi, sull'utilizzo di questi e sui fenomeni radioattivi. Nel 1912 il fisico Max von Laue (1879-1959), riuscì a dimostrare che i raggi X subiscono una diffrazione attraverso un cristallo: si capì così che i raggi X hanno un'origine ondulatoria. Undici anni dopo si provò definitivamente che le vibrazioni elettromagnetiche dei raggi X sono del tutto analoghe a quelle costituenti i raggi luminosi e gli ultravioletti: l’unica differenza tra i raggi X e quelli ultravioletti e luminosi era quindi la lunghezza d'onda. I raggi X vennero quindi utilizzati a fini pratici per applicazioni nel campo della radioscopia e radiografia che utilizzano le due più importanti proprietà dei raggi X: l’attitudine a impressionare le lastre fotografiche e quella ad attraversare parecchie sostanze non trasparenti ai normali raggi luminosi.
L'uso dei raggi X per scopi medici fu iniziato da John Hall-Edwards a Birmingham, Inghilterra. Nel 1908 dovette farsi amputare il braccio sinistro a causa di una dermatite causata dai raggi X.
Reazioni alla scoperta Appena pochi giorni dopo la consegna del rapporto preliminare scritto da Röntgen, la notizia della scoperta fece il giro del mondo e il 5 gennaio 1896 comparvero i primi articoli sulla stampa ("Press" di Vienna) e dieci giorni dopo se ne interessò anche il New York Times. Il tenore degli articoli non fu gradito a Röntgen, che ravvisò sia un eccessivo tono sensazionalistico sia una marcata attenzione posta nei riguardi delle fotografie, a scapito di quello che secondo lo scienziato avrebbe dovuto essere il vero obiettivo delle inchieste e cioè la natura e le qualità dei raggi. Inoltre qualche suo eminente collega, come ad esempio Lord Kelvin, si mostrò inizialmente scettico e non mancarono neppure numerose vignette umoristiche che evidenziarono un alto grado di fraintendimento sul senso della scoperta, e infine un buon numero di ciarlatani, come una ditta londinese che pubblicizzò la messa in commercio di una "biancheria a prova di raggi X"; o dei religiosi francesi che si appropriarono del fenomeno, sostenendo addirittura di poter fotografare l'anima.
Raggi X e raggi gamma, come le radiazioni ionizzanti in genere, sono classificati dagli anni settanta secondo lo IARC come agenti cancerogeni notiAgenti e circostanze cancerogene per l'uomo, R. Doll e R.Peto, 1981Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries, Dr. Amy Berrington de González DPhil, Prof. Sarah Darby PhD, Università di Oxford, gennaio 2004, nell'impiego radiologico e tomografico, e al contempo uno dei metodi di indagine più utili. Prima di sottoporsi a esami controproducenti, occorre che un esperto valuti il rapporto rischi-benefici, evitando che l'eccesso diagnostico si trasformi in una concausa della malattia.
Gli studi degli epidemiologi Alice Stewart e George Kneale hanno documentato tra il 1953 e il 1956 il rischio di malformazioni e di cancro nei neonati, se questi o le donne in gravidanza vengono sottoposti ai raggi X.Stewart, Alice M; J.W. Webb; B.D. Giles; D. Hewitt, 1956. "Preliminary Communication: Malignant Disease in Childhood and Diagnostic Irradiation In-Utero," Lancet, 1956, 2: 447.
Descrizione teorica dei raggi X Natura delle onde elettromagnetiche Il fisico tedesco Heinrich Hertz dedusse dalle leggi di Maxwell, che ogni variazione del campo elettrico o del campo magnetico crea un'onda elettromagnetica. Questa perturbazione può essere causata, ad esempio, da una calamita che viene mossa avanti e indietro, similmente all’onda creata da una perturbazione di una superficie d’acqua. Le onde elettromagnetiche che vengono esaminate di solito hanno delle frequenze molto più elevate.
Localizzazione raggi X nello spettro elettromagnetico Lo spettro delle onde elettromagnetiche osservate dall’uomo copre delle frequenze che vanno approssimativamente da alcuni decimi di Hertz a oltre , corrispondenti a lunghezze d’onda rispettivamente più grandi della distanza tra Terra e Luna e più piccole dei nuclei atomici. Ne fanno parte, in ordine di energia e frequenza crescenti: le radioonde, le microonde, la radiazione infrarossa (IR), la luce visibile, la radiazione ultravioletta (UV), la radiazione X e la radiazione gamma (γ).
Tutti i tipi di onde elettromagnetiche seguono le stesse leggi e, sotto opportune condizioni, si comportano molto similmente, anche se, interagendo con la materia danno luogo a tanti fenomeni apparentemente molto diversi.
I raggi X sono radiazione elettromagnetica che viene creata «dal frenamento di particelle cariche o da transizioni elettroniche nei gusci atomici interni». Tipicamente si dice che hanno lunghezze d’onda comprese tra i e i , anche se non si possono delimitare con precisione poiché i fenomeni sottostanti alla loro creazione si manifestano in una grande varietà di energie. Un fotone (cioè un quanto di radiazione elettromagnetica) γ e un fotone di radiazione X, possono avere la stessa energia, a differenza di un fotone blu e uno verde, i quali hanno sempre lunghezze d’onda diverse. Il criterio che distingue i primi, non è tanto la loro energia, ma il loro processo di creazione. Tipicamente però la radiazione X si trova a energie e lunghezze d’onda comprese tra la radiazione UV e la radiazione γ.
Fenomeni di creazione di raggi X La radiazione X è definita attraverso i meccanismi di creazione, i quali verranno esaminati di seguito e sono: La bremsstrahlung L’effetto fotoelettrico L’effetto Compton inverso
Bremsstrahlung La bremsstrahlung (dal tedesco bremsen, “frenare” e Strahlung, “radiazione”; cioè “radiazione di frenamento”) è la radiazione emessa da particelle cariche quando esse subiscono un’accelerazione, in senso stretto, quando questa è negativa (cioè una decelerazione).