La scoperta dei raggi X

Fig. 1: Lo scopritore dei raggi X: Roentgen, primo premio Nobel per la Fisica nel Novembre 1901. A sinistra nel riquadro, la radiografia della mano della Signora Roentgen (22 dicembre 1895).

I raggi X furono scoperti, per caso, dal Prof. Roentgen, una sera del Novembre 1895.
Roentgen studiava i fenomeni associati al passaggio di corrente elettrica attraverso gas a pressione estremamente bassa. Stava lavorando in una stanza oscura ed aveva avvolto accuratamente il tubo di scarica in uno spesso foglio di cartone nero per eliminare completamente la luce, quando un folgio di carta ricoperto da un lato da una sostanza fosforescente, posto casualmente su di un tavolo vicino, divenne fluorescente.
Egli spiegò il fenomeno come dovuto all'emissione, dal tubo di scarica, di  raggi invisibili che eccitavano la fluorescenza.

Nello stesso periodo, il Prof. Augusto Righi, all'Università di Bologna, faceva la sua prima radiografia utilizzando i raggi Roentgen. La cavia era il suo  meccanico.

Fig. 2: Radiografia con raggi Roentgen eseguita dal Prof. Augusto Righi al Dipartimento di Fisica a Bologna.

Produzione dei raggi X
I raggi X sono radiazioni di natura elettromagnetica con lunghezza d'onda compresa tra 10^-8-10^-11 m circa.

Fig. 3: Rappresentazione schematica del processo di produzione dei raggi X.

Quando l'elettrone di un fascio interagisce con il campo elettrico del nucleo di un atomo (figura 3 a sinistra), subisce una brusca decelerazione e perde energia che viene emessa sotto forma di fotoni. Questo processo, chiamato "radiazione di frenamento" o "bremsstrahlung", è responsabile dello spettro continuo dei raggi X.

Se, invece, l'interazione dell'elettrone incidente avviene con uno degli elettroni più interni dell'atomo bersaglio (figura 3 a destra), il processo di produzione dei raggi X prende il nome di "radiazione caratteristica". A seguito di questa interazione, entrambi gli elettroni sono diffusi fuori dall'atomo, così che nell'orbitale rimane un posto libero o "lacuna". Successivamente uno degli elettroni più esterni si sposta per colmare la lacuna. È durante quest'ultimo processo che l'atomo emette radiazione X con un'energia che individua in maniera esatta il materiale di cui è composto l'atomo bersaglio, da cui il nome "radiazione caratteristica".

I sistemi più utilizzati per la produzione di fasci di raggi X, sono i tubi a raggi X.
Nella figura 4 sottostante è raffigurato lo spettro energetico dei raggi X prodotti da un tubo radiogeno con anodo in tungsteno. La parte continua dello spettro rappresenta i raggi X provenienti dal fenomeno di "bremsstrahlung"; i picchi sono quelli relativi all'emissione di "radiazione caratteristica".

Fig. 4: Spettro X continuo con righe caratteristiche per un bersaglio di tungsteno bombardato con elettroni da 100 KeV. (Credit: Coggle,72)