I raggi X vengono prodotti mentre si propagano. Applicazione dei raggi X in medicina

RAGGI X
radiazione invisibile capace di penetrare, anche se in misura diversa, tutte le sostanze. Si tratta di radiazioni elettromagnetiche con una lunghezza d'onda di circa 10-8 cm che, come la luce visibile, provocano l'annerimento della pellicola fotografica. Questa proprietà è importante per la medicina, l'industria e la ricerca scientifica. Passando attraverso l'oggetto studiato e cadendo poi sulla pellicola fotografica, la radiazione X ne disegna la struttura interna. Poiché il potere di penetrazione della radiazione a raggi X varia a seconda dei materiali, le parti dell'oggetto che sono meno trasparenti producono aree più chiare nella fotografia rispetto a quelle attraverso le quali la radiazione penetra bene. Pertanto, il tessuto osseo è meno trasparente ai raggi X rispetto al tessuto che costituisce la pelle e gli organi interni. Pertanto, durante una radiografia, le ossa appariranno come aree più chiare e il sito della frattura, che è più trasparente alle radiazioni, potrà essere individuato abbastanza facilmente. I raggi X vengono utilizzati anche in odontoiatria per individuare carie e ascessi nelle radici dei denti e nell'industria per individuare crepe nelle fusioni, nella plastica e nella gomma. I raggi X vengono utilizzati in chimica per analizzare i composti e in fisica per studiare la struttura dei cristalli. Un fascio di raggi X che attraversa un composto chimico produce una caratteristica radiazione secondaria, la cui analisi spettroscopica consente al chimico di determinare la composizione del composto. Quando un fascio di raggi X cade su una sostanza cristallina, viene diffuso dagli atomi del cristallo, fornendo su una lastra fotografica un'immagine chiara e regolare di macchie e strisce, che permette di stabilire la struttura interna del cristallo . L’uso dei raggi X nel trattamento del cancro si basa sul fatto che uccidono le cellule tumorali. Tuttavia, può anche avere effetti indesiderati sulle cellule normali. Pertanto, è necessario prestare estrema cautela quando si utilizzano i raggi X in questo modo. La radiazione a raggi X fu scoperta dal fisico tedesco W. Roentgen (1845-1923). Il suo nome è immortalato in numerosi altri termini fisici associati a questa radiazione: il roentgen è l'unità internazionale di dose delle radiazioni ionizzanti; una foto scattata con una macchina a raggi X è chiamata radiografia; Il campo della medicina radiologica che utilizza i raggi X per diagnosticare e curare le malattie è chiamato radiologia. Roentgen scoprì le radiazioni nel 1895 mentre era professore di fisica all'Università di Würzburg. Mentre conduceva esperimenti con i raggi catodici (flussi di elettroni nei tubi a scarica), notò che uno schermo situato vicino a un tubo a vuoto, ricoperto di cianoplatinite di bario cristallino, brillava intensamente, sebbene il tubo stesso fosse coperto di cartone nero. Roentgen stabilì inoltre che la capacità di penetrazione dei raggi sconosciuti da lui scoperti, che chiamò raggi X, dipendeva dalla composizione del materiale assorbente. Ottenne anche un'immagine delle ossa della propria mano posizionandola tra un tubo di scarica a raggi catodici e uno schermo rivestito di cianoplatinite di bario. La scoperta di Roentgen fu seguita da esperimenti di altri ricercatori che scoprirono molte nuove proprietà e applicazioni di questa radiazione. Un contributo importante fu dato da M. Laue, W. Friedrich e P. Knipping, che dimostrarono nel 1912 la diffrazione della radiazione di raggi X quando passa attraverso un cristallo; W. Coolidge, che nel 1913 inventò un tubo a raggi X ad alto vuoto con un catodo riscaldato; G. Moseley, che stabilì nel 1913 la relazione tra la lunghezza d'onda della radiazione e il numero atomico di un elemento; G. e L. Bragg, che ricevettero il Premio Nobel nel 1915 per aver sviluppato i fondamenti dell'analisi strutturale a raggi X.
RICEVERE RAGGI X
La radiazione a raggi X si verifica quando gli elettroni che si muovono ad alta velocità interagiscono con la materia. Quando gli elettroni entrano in collisione con gli atomi di qualsiasi sostanza, perdono rapidamente la loro energia cinetica. In questo caso, la maggior parte si trasforma in calore e una piccola frazione, solitamente inferiore all'1%, viene convertita in energia a raggi X. Questa energia viene rilasciata sotto forma di quanti, particelle chiamate fotoni, che hanno energia ma la cui massa a riposo è zero. I fotoni dei raggi X differiscono nella loro energia, che è inversamente proporzionale alla loro lunghezza d'onda. Il metodo convenzionale di produzione dei raggi X produce un'ampia gamma di lunghezze d'onda, chiamata spettro dei raggi X. Lo spettro contiene componenti pronunciate, come mostrato in Fig. 1. L’ampio “continuum” è chiamato spettro continuo o radiazione bianca. I picchi netti ad esso sovrapposti sono chiamati caratteristiche righe di emissione dei raggi X. Sebbene l'intero spettro sia il risultato di collisioni di elettroni con la materia, i meccanismi per la comparsa della sua parte ampia e delle linee sono diversi. Una sostanza è costituita da un gran numero di atomi, ciascuno dei quali ha un nucleo circondato da gusci di elettroni, e ciascun elettrone nel guscio di un atomo di un dato elemento occupa un certo livello energetico discreto. Tipicamente questi gusci, o livelli energetici, sono designati dai simboli K, L, M, ecc., a partire dal guscio più vicino al nucleo. Quando un elettrone incidente con energia sufficientemente elevata si scontra con uno degli elettroni associati all'atomo, lo spinge fuori dal suo guscio. Lo spazio vuoto è occupato da un altro elettrone del guscio, che corrisponde ad un'energia più elevata. Quest'ultimo cede l'energia in eccesso emettendo un fotone di raggi X. Poiché gli elettroni del guscio hanno valori energetici discreti, anche i fotoni dei raggi X risultanti hanno uno spettro discreto. Ciò corrisponde a picchi netti per determinate lunghezze d'onda, i cui valori specifici dipendono dall'elemento bersaglio. Le linee caratteristiche formano le serie K, L e M, a seconda del livello (K, L o M) da cui è stato rimosso l'elettrone. La relazione tra la lunghezza d'onda dei raggi X e il numero atomico è chiamata legge di Moseley (Figura 2).

Se un elettrone urta un nucleo relativamente pesante, viene decelerato e la sua energia cinetica viene rilasciata sotto forma di un fotone di raggi X approssimativamente della stessa energia. Se vola oltre il nucleo, perderà solo una parte della sua energia e il resto verrà trasferito agli altri atomi che incontrano sul suo percorso. Ogni atto di perdita di energia porta all'emissione di un fotone con una certa energia. Appare uno spettro di raggi X continuo, il cui limite superiore corrisponde all'energia dell'elettrone più veloce. Questo è il meccanismo per la formazione di uno spettro continuo, e l'energia massima (o lunghezza d'onda minima) che fissa il confine dello spettro continuo è proporzionale alla tensione di accelerazione, che determina la velocità degli elettroni incidenti. Le linee spettrali caratterizzano il materiale del bersaglio bombardato e lo spettro continuo è determinato dall'energia del fascio di elettroni ed è praticamente indipendente dal materiale del bersaglio. La radiazione a raggi X può essere ottenuta non solo mediante bombardamento elettronico, ma anche irradiando un bersaglio con radiazione a raggi X proveniente da un'altra sorgente. In questo caso, però, la maggior parte dell'energia del raggio incidente entra nello spettro caratteristico dei raggi X e una piccolissima parte rientra nello spettro continuo. È ovvio che il fascio di radiazione X incidente deve contenere fotoni la cui energia sia sufficiente ad eccitare le righe caratteristiche dell'elemento bombardato. L'elevata percentuale di energia per spettro caratteristico rende questo metodo di eccitazione della radiazione X conveniente per la ricerca scientifica.
Tubi a raggi X. Per produrre raggi X attraverso l'interazione degli elettroni con la materia, è necessario disporre di una fonte di elettroni, di un mezzo per accelerarli ad alta velocità e di un bersaglio in grado di resistere al bombardamento di elettroni e produrre raggi X dell'intensità richiesta. Il dispositivo che contiene tutto questo si chiama tubo a raggi X. I primi ricercatori utilizzavano tubi "profondamente evacuati" come i moderni tubi a scarica di gas. Il vuoto al loro interno non era molto elevato. I tubi a scarica contengono piccole quantità di gas e quando agli elettrodi del tubo viene applicata una grande differenza di potenziale, gli atomi di gas vengono convertiti in ioni positivi e negativi. Quelli positivi si muovono verso l'elettrodo negativo (catodo) e, cadendo su di esso, ne estraggono gli elettroni e, a loro volta, si muovono verso l'elettrodo positivo (anodo) e, bombardandolo, creano un flusso di fotoni di raggi X . Nel moderno tubo a raggi X sviluppato da Coolidge (Fig. 3), la sorgente di elettroni è un catodo di tungsteno riscaldato ad alta temperatura. Gli elettroni vengono accelerati ad alta velocità dall'elevata differenza di potenziale tra l'anodo (o anticatodo) e il catodo. Poiché gli elettroni devono raggiungere l'anodo senza scontrarsi con gli atomi, è necessario un vuoto molto elevato, che richiede che il tubo sia ben evacuato. Ciò riduce anche la probabilità di ionizzazione degli atomi di gas rimanenti e delle correnti laterali risultanti.

Gli elettroni vengono focalizzati sull'anodo da un elettrodo di forma speciale che circonda il catodo. Questo elettrodo è chiamato elettrodo di focalizzazione e, insieme al catodo, forma il “faretto elettronico” del tubo. L'anodo sottoposto al bombardamento elettronico deve essere realizzato in materiale refrattario, poiché la maggior parte dell'energia cinetica degli elettroni bombardanti viene convertita in calore. Inoltre, è auspicabile che l'anodo sia costituito da un materiale con un numero atomico elevato, perché La resa dei raggi X aumenta con l'aumentare del numero atomico. Il materiale anodico più spesso scelto è il tungsteno, il cui numero atomico è 74. La struttura dei tubi a raggi X può variare a seconda delle condizioni di utilizzo e dei requisiti.
RILEVAMENTO RAGGI X
Tutti i metodi per rilevare i raggi X si basano sulla loro interazione con la materia. I rilevatori possono essere di due tipi: quelli che forniscono un'immagine e quelli che non la forniscono. I primi includono dispositivi di fluorografia a raggi X e fluoroscopia, in cui un raggio di radiazione di raggi X passa attraverso l'oggetto in esame e la radiazione trasmessa colpisce uno schermo luminescente o una pellicola fotografica. L'immagine appare a causa del fatto che diverse parti dell'oggetto studiato assorbono la radiazione in modo diverso, a seconda dello spessore della sostanza e della sua composizione. Nei rivelatori dotati di schermo fluorescente, l'energia dei raggi X viene convertita in un'immagine direttamente osservabile, mentre nella radiografia viene registrata su un'emulsione sensibile e può essere osservata solo dopo lo sviluppo della pellicola. Il secondo tipo di rilevatori comprende un'ampia varietà di dispositivi in ​​cui l'energia della radiazione a raggi X viene convertita in segnali elettrici che caratterizzano l'intensità relativa della radiazione. Questi includono camere di ionizzazione, contatori Geiger, contatori proporzionali, contatori a scintillazione e alcuni rilevatori speciali di solfuro di cadmio e seleniuro. Attualmente i rivelatori più efficaci possono essere considerati contatori a scintillazione, che funzionano bene in un ampio intervallo di energie.
Guarda anche RILEVATORI DI PARTICELLE. Il rilevatore viene selezionato tenendo conto delle condizioni dell'attività. Ad esempio, se è necessario misurare con precisione l'intensità della radiazione a raggi X diffratta, vengono utilizzati contatori che consentono di effettuare misurazioni con una precisione di una frazione di percentuale. Se è necessario registrare molti raggi diffratti, è consigliabile utilizzare una pellicola radiografica, anche se in questo caso è impossibile determinare l'intensità con la stessa precisione.
DIFETTOSCOPIA A RAGGI X E GAMMA
Uno degli usi più comuni dei raggi X nell'industria è il controllo della qualità dei materiali e il rilevamento dei difetti. Il metodo a raggi X è non distruttivo, pertanto il materiale in esame, se ritenuto conforme ai requisiti necessari, può poi essere utilizzato per lo scopo previsto. Sia il rilevamento dei raggi X che quello dei difetti gamma si basano sulla capacità di penetrazione della radiazione a raggi X e sulle caratteristiche del suo assorbimento nei materiali. Il potere di penetrazione è determinato dall'energia dei fotoni dei raggi X, che dipende dalla tensione di accelerazione nel tubo a raggi X. Pertanto, campioni spessi e campioni costituiti da metalli pesanti, come oro e uranio, necessitano di una sorgente di raggi X con un voltaggio più elevato per studiarli, mentre per campioni sottili è sufficiente una sorgente con un voltaggio inferiore. Per il rilevamento dei difetti gamma di getti molto grandi e di prodotti laminati di grandi dimensioni, vengono utilizzati betatroni e acceleratori lineari, che accelerano le particelle a energie di 25 MeV o più. L'assorbimento della radiazione X in un materiale dipende dallo spessore dell'assorbitore d e dal coefficiente di assorbimento m ed è determinato dalla formula I = I0e-md, dove I è l'intensità della radiazione che passa attraverso l'assorbitore, I0 è l'intensità della radiazione incidente, ed e = 2,718 è la base dei logaritmi naturali. Per un dato materiale a una data lunghezza d'onda (o energia) della radiazione X, il coefficiente di assorbimento è una costante. Ma la radiazione di una sorgente di raggi X non è monocromatica, ma contiene un ampio spettro di lunghezze d'onda, per cui l'assorbimento a parità di spessore dell'assorbitore dipende dalla lunghezza d'onda (frequenza) della radiazione. La radiazione a raggi X è ampiamente utilizzata in tutti i settori legati alla formatura dei metalli. Viene utilizzato anche per testare canne di artiglieria, prodotti alimentari, plastica e per testare dispositivi e sistemi complessi nella tecnologia elettronica. (La neutronografia, che utilizza fasci di neutroni invece di raggi X, viene utilizzata per scopi simili.) I raggi X vengono utilizzati anche per altri compiti, ad esempio per esaminare dipinti per determinarne l'autenticità o per rilevare ulteriori strati di vernice sopra lo strato di base.
DIFFRAZIONE DI RAGGI X
La diffrazione dei raggi X fornisce informazioni importanti sui solidi (la loro struttura atomica e la forma cristallina) nonché sui liquidi, sui solidi amorfi e sulle grandi molecole. Il metodo di diffrazione viene utilizzato anche per determinare con precisione (con un errore inferiore a 10-5) le distanze interatomiche, identificare stress e difetti e determinare l'orientamento dei singoli cristalli. Utilizzando lo schema di diffrazione è possibile identificare materiali sconosciuti, nonché rilevare la presenza di impurità nel campione e identificarle. L'importanza del metodo della diffrazione dei raggi X per il progresso della fisica moderna difficilmente può essere sopravvalutata, poiché la moderna comprensione delle proprietà della materia si basa in ultima analisi sui dati sulla disposizione degli atomi in vari composti chimici, sulla natura dei legami tra loro e difetti strutturali. Lo strumento principale per ottenere queste informazioni è il metodo della diffrazione dei raggi X. La cristallografia con diffrazione di raggi X è fondamentale per determinare le strutture di molecole complesse di grandi dimensioni, come le molecole di acido desossiribonucleico (DNA), il materiale genetico degli organismi viventi. Subito dopo la scoperta dei raggi X, l'interesse scientifico e medico si focalizzò sia sulla capacità di queste radiazioni di penetrare nei corpi, sia sulla loro natura. Esperimenti sulla diffrazione della radiazione a raggi X mediante fessure e reticoli di diffrazione hanno dimostrato che appartiene alla radiazione elettromagnetica e ha una lunghezza d'onda dell'ordine di 10-8-10-9 cm Anche prima, gli scienziati, in particolare W. Barlow, lo avevano intuito la forma regolare e simmetrica dei cristalli naturali è dovuta alla disposizione ordinata degli atomi che compongono il cristallo. In alcuni casi, Barlow è riuscito a prevedere correttamente la struttura cristallina. Il valore delle distanze interatomiche previste era di 10-8 cm Il fatto che le distanze interatomiche risultassero dell'ordine della lunghezza d'onda dei raggi X ha permesso, in linea di principio, di osservare la loro diffrazione. Il risultato fu la progettazione di uno degli esperimenti più importanti della storia della fisica. M. Laue organizzò un test sperimentale di questa idea, che fu condotto dai suoi colleghi W. Friedrich e P. Knipping. Nel 1912 i tre pubblicarono il loro lavoro sui risultati della diffrazione dei raggi X. Principi di diffrazione dei raggi X. Per comprendere il fenomeno della diffrazione dei raggi X, dobbiamo considerare in ordine: in primo luogo, lo spettro della radiazione dei raggi X, in secondo luogo, la natura della struttura cristallina e, in terzo luogo, il fenomeno della diffrazione stessa. Come accennato in precedenza, la radiazione X caratteristica è costituita da una serie di linee spettrali con un elevato grado di monocromaticità, determinata dal materiale dell'anodo. Usando i filtri puoi evidenziare quelli più intensi. Pertanto, scegliendo opportunamente il materiale dell'anodo, è possibile ottenere una sorgente di radiazione quasi monocromatica con una lunghezza d'onda definita in modo molto preciso. Le lunghezze d'onda caratteristiche delle radiazioni vanno tipicamente da 2,285 per il cromo a 0,558 per l'argento (i valori per i vari elementi sono noti a sei cifre significative). Lo spettro caratteristico si sovrappone ad uno spettro “bianco” continuo di intensità molto minore, a causa della decelerazione degli elettroni incidenti nell'anodo. Pertanto, da ciascun anodo si possono ottenere due tipi di radiazione: caratteristica e bremsstrahlung, ognuna delle quali svolge un ruolo importante a modo suo. Gli atomi in una struttura cristallina sono disposti con periodicità regolare, formando una sequenza di celle identiche: un reticolo spaziale. Alcuni reticoli (come quelli dei metalli più comuni) sono piuttosto semplici, mentre altri (come quelli delle molecole proteiche) sono piuttosto complessi. La caratteristica di una struttura cristallina è che se ci si sposta da un determinato punto di una cella al punto corrispondente di una cella adiacente, verrà rivelato esattamente lo stesso ambiente atomico. E se un certo atomo si trova in un punto o nell'altro in una cella, lo stesso atomo si troverà in un punto equivalente in qualsiasi cella vicina. Questo principio è strettamente valido per un cristallo perfetto, idealmente ordinato. Tuttavia, molti cristalli (ad esempio soluzioni solide metalliche) sono in un modo o nell'altro disordinati, ad es. siti cristallograficamente equivalenti possono essere occupati da atomi diversi. In questi casi, non è la posizione di ciascun atomo ad essere determinata, ma solo la posizione dell’atomo “mediata statisticamente” su un gran numero di particelle (o cellule). Il fenomeno della diffrazione è discusso nell'articolo OTTICA e il lettore può fare riferimento a quell'articolo prima di procedere oltre. Mostra che se le onde (ad esempio suono, luce, raggi X) passano attraverso una piccola fessura o foro, allora quest'ultimo può essere considerato come una fonte secondaria di onde e l'immagine della fenditura o del foro consiste in luce alternata e strisce scure. Inoltre, se esiste una struttura periodica di fori o fessure, a seguito dell'amplificazione e dell'indebolimento dell'interferenza dei raggi provenienti da diversi fori, appare un chiaro schema di diffrazione. La diffrazione dei raggi X è un fenomeno di diffusione collettiva in cui il ruolo dei buchi e dei centri di diffusione è svolto dagli atomi periodicamente disposti della struttura cristallina. Il reciproco miglioramento delle loro immagini a determinati angoli produce uno schema di diffrazione simile a quello che si verificherebbe quando la luce fosse diffrata su un reticolo di diffrazione tridimensionale. La diffusione avviene a causa dell'interazione dei raggi X incidenti con gli elettroni nel cristallo. Dato che la lunghezza d'onda dei raggi X è dello stesso ordine di grandezza della dimensione dell'atomo, la lunghezza d'onda dei raggi X diffusi è la stessa dei raggi X incidenti. Questo processo è il risultato di oscillazioni forzate degli elettroni sotto l'influenza dei raggi X incidenti. Consideriamo ora un atomo con una nuvola di elettroni legati (che circonda il nucleo) che viene colpito dai raggi X. Gli elettroni in tutte le direzioni diffondono simultaneamente la radiazione incidente ed emettono la propria radiazione X della stessa lunghezza d'onda, sebbene di diversa intensità. L'intensità della radiazione diffusa è correlata al numero atomico dell'elemento, perché il numero atomico è uguale al numero di elettroni orbitali che possono partecipare alla diffusione. (Questa dipendenza dell'intensità dal numero atomico dell'elemento di diffusione e dalla direzione in cui viene misurata l'intensità è caratterizzata dal fattore di diffusione atomica, che gioca un ruolo estremamente importante nell'analisi della struttura dei cristalli.) Vediamo seleziona nella struttura cristallina una catena lineare di atomi situati alla stessa distanza l'uno dall'altro e considera il loro modello di diffrazione. Si è già notato che lo spettro dei raggi X è costituito da una parte continua (“continuum”) e da un insieme di righe più intense caratteristiche dell'elemento che costituisce il materiale dell'anodo. Diciamo che abbiamo filtrato lo spettro continuo e ottenuto un fascio di raggi X quasi monocromatico diretto verso la nostra catena lineare di atomi. La condizione di amplificazione (interferenza amplificante) è soddisfatta se la differenza nei percorsi delle onde diffuse dagli atomi vicini è un multiplo della lunghezza d'onda. Se il fascio incide con un angolo a0 su una linea di atomi separati da intervalli a (periodo), allora per l'angolo di diffrazione a la differenza di percorso corrispondente all'amplificazione verrà scritta come a(cos a - cosa0) = hl, dove l è la lunghezza d'onda e h intero (Fig. 4 e 5).

Per estendere questo approccio ad un cristallo tridimensionale, è solo necessario selezionare file di atomi lungo altre due direzioni nel cristallo e risolvere congiuntamente le tre equazioni così ottenute per i tre assi del cristallo con periodi a, b e c. Le altre due equazioni hanno la forma

Queste sono le tre equazioni di Laue fondamentali per la diffrazione dei raggi X, dove i numeri h, k e c sono gli indici di Miller per il piano di diffrazione.
Guarda anche CRISTALLI E CRISTALLOGRAFIA. Considerando una qualsiasi delle equazioni di Laue, ad esempio la prima, si può notare che poiché a, a0, l sono costanti e h = 0, 1, 2, ..., la sua soluzione può essere rappresentata come un insieme di coni con a asse comune a (Fig. 5). Lo stesso vale per le direzioni b e c. Nel caso generale dello scattering tridimensionale (diffrazione), le tre equazioni di Laue devono avere una soluzione comune, cioè tre coni di diffrazione posti su ciascuno degli assi devono intersecarsi; la linea generale di intersezione è mostrata in Fig. 6. La soluzione congiunta delle equazioni porta alla legge di Bragg-Wolfe:

l = 2(d/n)sinq, dove d è la distanza tra i piani con indici h, k e c (periodo), n = 1, 2, ... sono numeri interi (ordine di diffrazione) e q è l'angolo formato un raggio incidente (oltre che diffrattivo) con il piano cristallino in cui avviene la diffrazione. Analizzando l'equazione della legge di Bragg-Wolfe per un singolo cristallo situato nel percorso di un fascio di raggi X monocromatico, possiamo concludere che la diffrazione non è facile da osservare, perché le quantità l e q sono fisse, e sinq METODI DI ANALISI DIFFRATTO
Metodo Laue. Il metodo Laue utilizza uno spettro "bianco" continuo di raggi X, diretto verso un singolo cristallo stazionario. Per un valore specifico del periodo d, la lunghezza d'onda corrispondente alla condizione di Bragg-Wulf viene selezionata automaticamente dall'intero spettro. I Lauegrammi così ottenuti permettono di giudicare le direzioni dei raggi diffratti e, di conseguenza, gli orientamenti dei piani del cristallo, il che permette anche di trarre importanti conclusioni riguardo alla simmetria, all'orientamento del cristallo e alla presenza di difetti in esso. In questo caso però si perde l’informazione sul periodo spaziale d. Nella fig. 7 mostra un esempio di Lauegram. La pellicola radiografica era posizionata sul lato del cristallo opposto a quello su cui cadeva il fascio di raggi X proveniente dalla sorgente.

Metodo Debye-Scherrer (per campioni policristallini). A differenza del metodo precedente, qui viene utilizzata la radiazione monocromatica (l = cost) e l'angolo q viene variato. Ciò si ottiene utilizzando un campione policristallino costituito da numerosi piccoli cristalliti di orientamento casuale, tra i quali ve ne sono alcuni che soddisfano la condizione di Bragg-Wulf. I raggi diffratti formano dei coni, il cui asse è diretto lungo il fascio di raggi X. Per l'imaging, viene solitamente utilizzata una stretta striscia di pellicola radiografica in una cassetta cilindrica e i raggi X vengono distribuiti lungo il diametro attraverso i fori nella pellicola. Il Debiegramma così ottenuto (Fig. 8) contiene informazioni precise sul periodo d, cioè sulla struttura del cristallo, ma non fornisce le informazioni contenute nel Lauegram. Pertanto, entrambi i metodi si completano a vicenda. Consideriamo alcune applicazioni del metodo Debye-Scherrer.

Identificazione di elementi e composti chimici. Utilizzando l'angolo q determinato dal diagramma di Debye, è possibile calcolare la distanza interplanare d caratteristica di un dato elemento o connessione. Attualmente sono state compilate molte tabelle di valori d che consentono di identificare non solo un particolare elemento chimico o composto, ma anche diversi stati di fase della stessa sostanza, cosa non sempre possibile attraverso l'analisi chimica. È anche possibile determinare con elevata precisione il contenuto del secondo componente nelle leghe di sostituzione in base alla dipendenza del periodo d dalla concentrazione.
Analisi dello stress. Sulla base della differenza misurata nelle distanze interplanari per diverse direzioni nei cristalli, è possibile, conoscendo il modulo elastico del materiale, calcolare piccole sollecitazioni con elevata precisione.
Studi sull'orientamento preferenziale nei cristalli. Se i piccoli cristalliti in un campione policristallino non sono orientati in modo completamente casuale, gli anelli nel modello Debye avranno intensità diverse. In presenza di un orientamento preferenziale chiaramente espresso, i massimi di intensità sono concentrati in singoli punti dell'immagine, che diventa simile all'immagine di un singolo cristallo. Ad esempio, durante la laminazione a freddo profondo, una lamiera acquisisce una struttura: un orientamento pronunciato dei cristalliti. Il diagramma di Debye può essere utilizzato per giudicare la natura della lavorazione a freddo del materiale.
Studio delle dimensioni dei grani. Se la dimensione del grano di un policristallo è superiore a 10-3 cm, le linee sul diagramma di Debye saranno costituite da singoli punti, poiché in questo caso il numero di cristalliti non è sufficiente a coprire l'intero intervallo di angoli q. Se la dimensione dei cristalliti è inferiore a 10-5 cm, le linee di diffrazione diventano più larghe. La loro larghezza è inversamente proporzionale alla dimensione dei cristalliti. L'allargamento avviene per lo stesso motivo per cui quando diminuisce il numero delle fenditure diminuisce la risoluzione del reticolo di diffrazione. La radiazione a raggi X consente di determinare le dimensioni dei grani nell'intervallo 10-7-10-6 cm.
Metodi per cristalli singoli. Affinché la diffrazione su un cristallo fornisca informazioni non solo sul periodo spaziale, ma anche sull'orientamento di ciascun insieme di piani di diffrazione, vengono utilizzati metodi a cristallo singolo rotante. Sul cristallo incide un fascio di raggi X monocromatico. Il cristallo ruota attorno all'asse principale, per il quale sono soddisfatte le equazioni di Laue. In questo caso cambia l'angolo q, compreso nella formula di Bragg-Wulf. I massimi di diffrazione si trovano all'intersezione dei coni di diffrazione di Laue con la superficie cilindrica della pellicola (Fig. 9). Il risultato è una figura di diffrazione del tipo mostrato in Fig. 10. Tuttavia, sono possibili complicazioni dovute alla sovrapposizione di diversi ordini di diffrazione in un punto. Il metodo può essere notevolmente migliorato se, contemporaneamente alla rotazione del cristallo, la pellicola viene spostata in un certo modo.

Ricerca di liquidi e gas.È noto che liquidi, gas e corpi amorfi non hanno la corretta struttura cristallina. Ma anche qui esiste un legame chimico tra gli atomi nelle molecole, grazie al quale la distanza tra loro rimane quasi costante, sebbene le molecole stesse siano orientate casualmente nello spazio. Tali materiali producono anche uno schema di diffrazione con un numero relativamente piccolo di massimi sfocati. L'elaborazione di tale immagine utilizzando metodi moderni consente di ottenere informazioni sulla struttura anche di tali materiali non cristallini.
ANALISI SPETTROCHIMICA A RAGGI X
Pochi anni dopo la scoperta dei raggi X, Charles Barkla (1877-1944) scoprì che quando una sostanza è esposta a un flusso di raggi X ad alta energia, si formano raggi X fluorescenti secondari, caratteristici dell'elemento studiato. Subito dopo, G. Moseley, in una serie di esperimenti, misurò le lunghezze d'onda della caratteristica radiazione X primaria ottenuta dal bombardamento elettronico di vari elementi e derivò la relazione tra lunghezza d'onda e numero atomico. Questi esperimenti, così come l'invenzione dello spettrometro a raggi X da parte di Bragg, gettarono le basi per l'analisi spettrochimica a raggi X. Il potenziale dei raggi X per le analisi chimiche fu subito compreso. Gli spettrografi sono stati creati registrando su una lastra fotografica, in cui il campione in studio fungeva da anodo del tubo a raggi X. Sfortunatamente, questa tecnica si è rivelata molto laboriosa e quindi è stata utilizzata solo quando i metodi convenzionali di analisi chimica non erano applicabili. Un esempio eccezionale di ricerca innovativa nel campo della spettroscopia analitica a raggi X fu la scoperta nel 1923 di un nuovo elemento, l'afnio, da parte di G. Hevesy e D. Coster. Lo sviluppo di potenti tubi a raggi X per la radiografia e di rivelatori sensibili per misurazioni radiochimiche durante la seconda guerra mondiale fu in gran parte responsabile della rapida crescita della spettrografia a raggi X negli anni successivi. Questo metodo si è diffuso grazie alla sua velocità, praticità, natura non distruttiva dell'analisi e possibilità di automazione totale o parziale. È applicabile in compiti di analisi quantitativa e qualitativa di tutti gli elementi con numero atomico maggiore di 11 (sodio). Sebbene l'analisi spettrochimica a raggi X venga generalmente utilizzata per determinare i componenti critici in un campione (0,1-100%), in alcuni casi è utile per concentrazioni dello 0,005% o anche inferiori.
Spettrometro a raggi X. Un moderno spettrometro a raggi X è costituito da tre sistemi principali (Fig. 11): un sistema di eccitazione, cioè Tubo a raggi X con anodo di tungsteno o altro materiale refrattario e alimentatore; sistemi di analisi, ad es. un cristallo analizzatore con due collimatori multi-fessura, nonché uno spettrogoniometro per una regolazione precisa; e sistemi di registrazione con contatore Geiger o contatore proporzionale o a scintillazione, nonché un raddrizzatore, un amplificatore, dispositivi di scala e un registratore o altro dispositivo di registrazione.

Analisi della fluorescenza dei raggi X. Il campione analizzato si trova nel percorso della radiazione eccitante dei raggi X. L'area del campione in studio viene solitamente isolata da una maschera con un foro del diametro richiesto e la radiazione passa attraverso un collimatore che forma un fascio parallelo. Dietro il cristallo dell'analizzatore, un collimatore a fessura produce radiazione diffratta per il rilevatore. Tipicamente, l'angolo massimo q è limitato a 80-85°, in modo che solo la radiazione di raggi X la cui lunghezza d'onda l è correlata alla distanza interplanare d dalla disuguaglianza l può diffrangersi sul cristallo dell'analizzatore Microanalisi a raggi X. Lo spettrometro analizzatore a cristalli piatti sopra descritto può essere adattato per la microanalisi. Ciò si ottiene restringendo il fascio di raggi X primario o il fascio secondario emesso dal campione. Tuttavia, la riduzione della dimensione effettiva del campione o dell'apertura della radiazione porta ad una diminuzione dell'intensità della radiazione diffratta registrata. Un miglioramento di questo metodo può essere ottenuto utilizzando uno spettrometro con cristallo curvo, che consente di registrare un cono di radiazione divergente e non solo la radiazione parallela all'asse del collimatore. Utilizzando uno spettrometro di questo tipo è possibile identificare particelle inferiori a 25 micron. Una riduzione ancora maggiore delle dimensioni del campione analizzato si ottiene in un microanalizzatore a raggi X con sonda elettronica, inventato da R. Kasten. Qui, un fascio di elettroni altamente focalizzato eccita la caratteristica radiazione a raggi X del campione, che viene poi analizzata da uno spettrometro a cristallo curvo. Utilizzando un tale dispositivo è possibile rilevare quantità di una sostanza dell'ordine di 10-14 g in un campione con un diametro di 1 micron. Sono stati sviluppati anche impianti con scansione a fascio di elettroni di un campione, con l'aiuto dei quali è possibile ottenere un'immagine bidimensionale della distribuzione sul campione dell'elemento per la cui radiazione caratteristica è sintonizzato lo spettrometro.
DIAGNOSTICA MEDICA RADIOGRAFICA
Lo sviluppo della tecnologia a raggi X ha permesso di ridurre significativamente i tempi di esposizione e migliorare la qualità delle immagini, consentendo lo studio anche dei tessuti molli.
Fluorografia. Questo metodo diagnostico prevede la fotografia di un'immagine in ombra da uno schermo di trasmissione. Il paziente è posizionato tra una sorgente di raggi X e uno schermo piatto al fosforo (solitamente ioduro di cesio), che si illumina se esposto ai raggi X. I tessuti biologici di vari gradi di densità creano ombre dei raggi X di vari gradi di intensità. Un radiologo esamina l'immagine ombra su uno schermo fluorescente e fa una diagnosi. In passato, il radiologo si affidava alla vista per analizzare le immagini. Oggi esistono diversi sistemi che migliorano l'immagine, la visualizzano sullo schermo televisivo o registrano i dati nella memoria del computer.
Radiografia. La registrazione di immagini radiografiche direttamente su pellicola fotografica è chiamata radiografia. In questo caso, l'organo in esame si trova tra la sorgente di raggi X e la pellicola fotografica, che registra informazioni sullo stato dell'organo in un dato momento. La radiografia ripetuta consente di giudicare la sua ulteriore evoluzione. La radiografia consente di esaminare in modo molto accurato l'integrità del tessuto osseo, che consiste principalmente di calcio ed è opaco alle radiazioni dei raggi X, nonché le rotture del tessuto muscolare. Con il suo aiuto, meglio di uno stetoscopio o di un ascolto, viene analizzata la condizione dei polmoni in caso di infiammazione, tubercolosi o presenza di liquido. I raggi X vengono utilizzati per determinare le dimensioni e la forma del cuore, nonché la dinamica dei suoi cambiamenti nei pazienti affetti da malattie cardiache.
Agenti di contrasto. Parti del corpo e cavità dei singoli organi trasparenti ai raggi X diventano visibili se vengono riempite con un mezzo di contrasto innocuo per l'organismo, ma che consente di visualizzare la forma degli organi interni e controllarne il funzionamento. Il paziente assume agenti di contrasto per via orale (come i sali di bario durante l'esame del tratto gastrointestinale) oppure vengono somministrati per via endovenosa (come soluzioni contenenti iodio durante l'esame dei reni e del tratto urinario). Negli ultimi anni, però, queste metodiche sono state sostituite da metodiche diagnostiche basate sull’utilizzo di atomi radioattivi e di ultrasuoni.
TAC. Negli anni '70 è stato sviluppato un nuovo metodo diagnostico a raggi X, basato sulla ripresa dell'intero corpo o di parti di esso. Le immagini di strati sottili ("fette") vengono elaborate da un computer e l'immagine finale viene visualizzata sullo schermo di un monitor. Questo metodo è chiamato tomografia computerizzata a raggi X. È ampiamente utilizzato nella medicina moderna per diagnosticare infiltrati, tumori e altri disturbi cerebrali, nonché per diagnosticare malattie dei tessuti molli all'interno del corpo. Questa tecnica non richiede l'introduzione di mezzi di contrasto estranei ed è quindi più rapida ed efficace rispetto alle tecniche tradizionali.
EFFETTO BIOLOGICO DELLE RADIAZIONI A RAGGI X
Gli effetti biologici dannosi delle radiazioni a raggi X furono scoperti subito dopo la sua scoperta da parte di Roentgen. Si è scoperto che le nuove radiazioni possono provocare qualcosa di simile a una grave scottatura solare (eritema), accompagnata però da danni più profondi e permanenti alla pelle. Le ulcere che apparivano spesso si trasformavano in cancro. In molti casi è stato necessario amputare le dita o le mani. Ci sono stati anche dei morti. È stato riscontrato che i danni alla pelle possono essere evitati riducendo il tempo di esposizione e la dose, utilizzando schermature (ad esempio piombo) e controlli a distanza. Ma gradualmente sono emerse altre conseguenze a lungo termine dell'irradiazione con raggi X, che sono state poi confermate e studiate su animali da esperimento. Gli effetti causati dai raggi X, così come da altre radiazioni ionizzanti (come le radiazioni gamma emesse da materiali radioattivi) includono: 1) cambiamenti temporanei nella composizione del sangue dopo un'esposizione eccessiva relativamente piccola; 2) cambiamenti irreversibili nella composizione del sangue (anemia emolitica) dopo un'irradiazione eccessiva prolungata; 3) aumento dell'incidenza del cancro (inclusa la leucemia); 4) invecchiamento più rapido e morte anticipata; 5) la comparsa di cataratta. Inoltre, esperimenti biologici su topi, conigli e moscerini della frutta hanno dimostrato che anche piccole dosi di irradiazione sistematica di grandi popolazioni a causa di un aumento del tasso di mutazione portano a effetti genetici dannosi. La maggior parte dei genetisti riconosce l'applicabilità di questi dati al corpo umano. Per quanto riguarda l'impatto biologico delle radiazioni a raggi X sul corpo umano, esso è determinato dal livello della dose di radiazioni e da quale particolare organo del corpo è stato esposto all'irradiazione. Ad esempio, le malattie del sangue sono causate dall'irradiazione degli organi emopoietici, principalmente del midollo osseo, mentre le conseguenze genetiche sono causate dall'irradiazione degli organi genitali, che può portare anche alla sterilità. L'accumulo di conoscenze sugli effetti delle radiazioni a raggi X sul corpo umano ha portato allo sviluppo di standard nazionali e internazionali per le dosi di radiazioni ammissibili, pubblicati in varie pubblicazioni di riferimento. Oltre alla radiazione a raggi X, che viene utilizzata intenzionalmente dall'uomo, esiste anche la cosiddetta radiazione laterale diffusa, che si verifica per vari motivi, ad esempio a causa della diffusione dovuta all'imperfezione dello schermo protettivo in piombo, che non non assorbire completamente questa radiazione. Inoltre, molti dispositivi elettrici che non sono progettati per produrre raggi X li generano comunque come sottoprodotto. Tali dispositivi includono microscopi elettronici, lampade raddrizzatrici ad alta tensione (kenotron), nonché tubi catodici di televisori a colori obsoleti. La produzione di moderni cinescopi a colori in molti paesi è ora sotto il controllo del governo.
PERICOLI DA RADIAZIONI A RAGGI X
Il tipo e il grado di pericolo delle radiazioni a raggi X per le persone dipendono dal numero di persone esposte alle radiazioni.
Professionisti che lavorano con apparecchiature a raggi X. Questa categoria comprende radiologi, dentisti, nonché operatori scientifici e tecnici e personale che si occupa della manutenzione e dell'utilizzo di apparecchiature a raggi X. Si stanno adottando misure efficaci per ridurre i livelli di radiazioni con cui devono confrontarsi.
Pazienti. Non esistono criteri rigidi e il livello sicuro di radiazioni che i pazienti ricevono durante il trattamento è determinato dai medici curanti. Si sconsiglia ai medici di esporre inutilmente i pazienti ai raggi X. Particolare attenzione deve essere prestata durante l'esame di donne incinte e bambini. In questo caso vengono adottate misure speciali.
Metodi di controllo. Ci sono tre aspetti in mente qui:
1) disponibilità di attrezzature adeguate, 2) controllo del rispetto delle norme di sicurezza, 3) corretto utilizzo delle attrezzature. Durante gli esami radiografici, sia per esami dentistici che polmonari, solo l'area desiderata dovrebbe essere esposta alle radiazioni. Si noti che immediatamente dopo aver spento la macchina a raggi X, sia la radiazione primaria che quella secondaria scompaiono; Inoltre non vi è alcuna radiazione residua, che non sempre è nota nemmeno a coloro che ne sono direttamente coinvolti attraverso il proprio lavoro.
Guarda anche
STRUTTURA ATOMICA;

La radiazione a raggi X è un tipo di radiazione con una frequenza compresa tra 3*10 16 e 3*10 20 Hz.

Storia della scoperta dei raggi X

I raggi X furono scoperti nel 1895 dal tedesco Wilhelm Roentgen. Alla fine del XIX secolo gli scienziati studiavano la scarica di gas a bassa pressione. Allo stesso tempo, nel tubo a scarica di gas si creavano flussi di elettroni che si muovevano ad alta velocità. Anche V. Roentgen si occupò dello studio di questi raggi.

Notò che se si avvicina una lastra fotografica al tubo a scarica di gas, questa si illuminerà, anche se è avvolta in carta nera. Continuando i suoi esperimenti, Roentgen avvolse il tubo di scarico del gas con carta imbevuta in una soluzione di solfuro di bario e platino. La carta cominciò a brillare.

Xray era incuriosito e mise la mano tra la carta e il tubo, probabilmente nella speranza che cominciasse a brillare, ma ciò non accadde. Ma sullo schermo di carta restavano visibili le ombre scure delle ossa sullo sfondo dei contorni più chiari della mano. I raggi X suggerirono che si trattasse di una sorta di radiazione sconosciuta che aveva un effetto penetrante molto forte.

• Ha chiamato questi raggi Raggi X. Successivamente, questi raggi iniziarono a essere chiamati raggi X.

Proprietà dei raggi X

I raggi X non sono influenzati dal campo elettromagnetico. Allo stesso tempo, non subivano praticamente alcuna rifrazione e non venivano riflessi. È stato suggerito che i raggi X siano onde elettromagnetiche emesse quando gli elettroni vengono decelerati.

• Loro hanno lunghezza d'onda molto corta, per cui hanno una capacità di penetrazione così elevata.

Ora l'attenzione degli scienziati era focalizzata sullo studio dei raggi X. Hanno cercato di rilevare la diffrazione di questi raggi. Li hanno fatti passare attraverso le fessure nelle piastre, ma non hanno riscontrato alcun effetto. Qualche tempo dopo, il tedesco Max Laue propose di far passare i raggi X attraverso i cristalli.

Lo ha giustificato con il fatto che forse la lunghezza d'onda della radiazione a raggi X è paragonabile alla dimensione degli atomi, e quindi la diffrazione non può essere ottenuta utilizzando fenditure artificiali. Pertanto, dovresti usare cristalli che abbiano una struttura chiara e la distanza tra gli atomi sia approssimativamente uguale alla dimensione degli atomi stessi. Le ipotesi di Laue sono state confermate.

Dopo aver fatto passare i raggi X attraverso il cristallo, sullo schermo è apparsa approssimativamente la seguente immagine.

La comparsa di ulteriori piccoli granelli potrebbe essere spiegata solo dal fenomeno della diffrazione dei raggi X sulla struttura interna del cristallo. Dopo ulteriori indagini, si è scoperto che la lunghezza d'onda della radiazione a raggi X era effettivamente uguale in ordine di grandezza alla dimensione degli atomi.

I raggi X sono ampiamente utilizzati nella pratica. In medicina, ricerca scientifica, tecnologia. Utilizzando i raggi X, viene effettuato il rilevamento dei difetti di varie strutture, alla ricerca di buchi neri e fratture nelle ossa umane.

La medicina moderna utilizza molti medici per la diagnosi e la terapia. Alcuni di essi sono stati utilizzati relativamente di recente, mentre altri sono stati praticati per decine o addirittura centinaia di anni. Inoltre, centodieci anni fa, William Conrad Roentgen scoprì straordinari raggi X, che provocarono una risonanza significativa nel mondo scientifico e medico. E ora i medici di tutto il mondo li usano nella loro pratica. L'argomento della nostra conversazione oggi saranno i raggi X in medicina; discuteremo del loro utilizzo in modo un po' più dettagliato.

I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica. Sono caratterizzati da notevoli qualità di penetrazione, che dipendono dalla lunghezza d'onda della radiazione, nonché dalla densità e dallo spessore dei materiali irradiati. Inoltre, i raggi X possono far brillare numerose sostanze, influenzare gli organismi viventi, ionizzare gli atomi e anche catalizzare alcune reazioni fotochimiche.

Applicazione dei raggi X in medicina

Oggi, le proprietà dei raggi X consentono loro di essere ampiamente utilizzati nella diagnostica e nella radioterapia.

Diagnostica a raggi X

La diagnostica a raggi X viene utilizzata quando si esegue:

Raggi X (radioscopia);
- radiografia (immagine);
- fluorografia;
- Tomografia a raggi X e computerizzata.

raggi X

Per condurre tale studio, il paziente deve posizionarsi tra il tubo a raggi X e uno speciale schermo fluorescente. Un radiologo specialista seleziona la rigidità richiesta dei raggi X, ottenendo sullo schermo un'immagine degli organi interni e delle costole.

Radiografia

Per condurre questo studio, il paziente viene posto su una cassetta contenente una speciale pellicola fotografica. La macchina a raggi X è posizionata direttamente sopra l'oggetto. Di conseguenza, sul film appare un'immagine negativa degli organi interni, che contiene una serie di piccoli dettagli, più dettagliati rispetto a un esame fluoroscopico.

Fluorografia

Questo studio viene effettuato durante gli esami medici di massa della popolazione, anche per rilevare la tubercolosi. In questo caso, un'immagine da un grande schermo viene proiettata su un film speciale.

Tomografia

Quando si esegue la tomografia, i raggi del computer aiutano a ottenere immagini di organi in più punti contemporaneamente: in sezioni trasversali di tessuto appositamente selezionate. Questa serie di raggi X è chiamata tomogramma.

Tomogramma computerizzato

Questo studio consente di registrare sezioni del corpo umano utilizzando uno scanner a raggi X. Successivamente, i dati vengono inseriti in un computer, risultando in un'immagine in sezione trasversale.

Ciascuno dei metodi diagnostici elencati si basa sulle proprietà del raggio di raggi X per illuminare la pellicola fotografica, nonché sul fatto che i tessuti e le ossa umani differiscono per la diversa permeabilità ai loro effetti.

Terapia a raggi X

La capacità dei raggi X di influenzare i tessuti in modo speciale viene utilizzata per trattare le formazioni tumorali. Inoltre, le qualità ionizzanti di queste radiazioni sono particolarmente evidenti quando colpiscono le cellule capaci di dividersi rapidamente. Sono proprio queste qualità che contraddistinguono le cellule delle formazioni oncologiche maligne.

Tuttavia, vale la pena notare che la terapia a raggi X può causare molti effetti collaterali gravi. Questo effetto ha un effetto aggressivo sullo stato del sistema ematopoietico, endocrino e immunitario, le cui cellule si dividono anche molto rapidamente. L'influenza aggressiva su di loro può causare segni di malattia da radiazioni.

L'effetto delle radiazioni a raggi X sull'uomo

Studiando i raggi X, i medici hanno scoperto che possono portare a cambiamenti nella pelle che ricordano una scottatura solare, ma sono accompagnati da danni più profondi alla pelle. Tali ulcerazioni richiedono molto tempo per guarire. Gli scienziati hanno scoperto che tali lesioni possono essere evitate riducendo il tempo e la dose di radiazioni, nonché utilizzando speciali metodi di schermatura e controllo remoto.

Gli effetti aggressivi dei raggi X possono manifestarsi anche a lungo termine: cambiamenti temporanei o permanenti nella composizione del sangue, predisposizione alla leucemia e invecchiamento precoce.

L'effetto dei raggi X su una persona dipende da molti fattori: quale organo viene irradiato e per quanto tempo. L'irradiazione degli organi emopoietici può portare a malattie del sangue e l'esposizione ai genitali può portare alla sterilità.

L'esecuzione dell'irradiazione sistematica è irta dello sviluppo di cambiamenti genetici nel corpo.

Il vero danno dei raggi X nella diagnostica radiografica

Quando effettuano un esame, i medici utilizzano il numero minimo possibile di radiografie. Tutte le dosi di radiazioni soddisfano determinati standard accettabili e non possono danneggiare una persona. La diagnostica a raggi X rappresenta un pericolo significativo solo per i medici che la eseguono. E poi i moderni metodi di protezione aiutano a ridurre al minimo l'aggressione dei raggi.

I metodi più sicuri di diagnostica a raggi X includono la radiografia delle estremità e le radiografie dentali. Il prossimo posto in questa classifica è la mammografia, seguita dalla tomografia computerizzata e poi dalla radiografia.

Affinché l'uso dei raggi X in medicina apporti solo benefici all'uomo, è necessario condurre ricerche con il loro aiuto solo quando indicato.

La radiazione a raggi X (sinonimo raggi X) ha un'ampia gamma di lunghezze d'onda (da 8·10 -6 a 10 -12 cm). La radiazione a raggi X si verifica quando le particelle cariche, molto spesso gli elettroni, vengono decelerate nel campo elettrico degli atomi di una sostanza. I quanti formati in questo caso hanno energie diverse e formano uno spettro continuo. L'energia massima dei quanti in un tale spettro è uguale all'energia degli elettroni incidenti. In (cm.) l'energia massima dei quanti di raggi X, espressa in kiloelettronvolt, è numericamente uguale all'entità della tensione applicata al tubo, espressa in kilovolt. Quando i raggi X attraversano una sostanza, interagiscono con gli elettroni dei suoi atomi. Per i quanti di raggi X con energie fino a 100 keV, il tipo di interazione più caratteristico è l'effetto fotoelettrico. Come risultato di tale interazione, l'energia del quanto viene completamente spesa per strappare l'elettrone dal guscio atomico e trasmettergli energia cinetica. All'aumentare dell'energia di un quanto di raggi X, diminuisce la probabilità dell'effetto fotoelettrico e diventa predominante il processo di diffusione dei quanti da parte di elettroni liberi, il cosiddetto effetto Compton. Come risultato di tale interazione si forma anche un elettrone secondario e, inoltre, viene emesso un quanto con un'energia inferiore a quella del quanto primario. Se l'energia del quanto di raggi X supera un megaelettronvolt, può verificarsi il cosiddetto effetto di accoppiamento, in cui si formano un elettrone e un positrone (vedi). Di conseguenza, quando attraversa una sostanza, l'energia della radiazione dei raggi X diminuisce, cioè la sua intensità diminuisce. Poiché l'assorbimento di quanti a bassa energia avviene con maggiore probabilità, la radiazione X si arricchisce di quanti a più alta energia. Questa proprietà della radiazione X viene utilizzata per aumentare l'energia media dei quanti, cioè per aumentarne la durezza. Un aumento della durezza della radiazione a raggi X si ottiene utilizzando filtri speciali (vedi). La radiazione a raggi X viene utilizzata per la diagnostica a raggi X (vedi) e (vedi). Vedi anche Radiazioni ionizzanti.

La radiazione a raggi X (sinonimo: raggi X, raggi X) è una radiazione elettromagnetica quantistica con una lunghezza d'onda da 250 a 0,025 A (o quanti di energia da 5·10 -2 a 5·10 2 keV). Nel 1895 fu scoperto da VK Roentgen. La regione spettrale della radiazione elettromagnetica adiacente alla radiazione a raggi X, i cui quanti di energia superano i 500 keV, è detta radiazione gamma (vedi); la radiazione i cui quanti di energia sono inferiori a 0,05 kev costituisce la radiazione ultravioletta (vedi).

Pertanto, rappresentando una parte relativamente piccola del vasto spettro della radiazione elettromagnetica, che comprende sia le onde radio che la luce visibile, la radiazione a raggi X, come qualsiasi radiazione elettromagnetica, si propaga alla velocità della luce (nel vuoto di circa 300 mila km/h). sec) ed è caratterizzato da una lunghezza d'onda λ (la distanza percorsa dalla radiazione in un periodo di oscillazione). La radiazione a raggi X ha anche una serie di altre proprietà d'onda (rifrazione, interferenza, diffrazione), ma sono molto più difficili da osservare rispetto alla radiazione a lunghezza d'onda maggiore: luce visibile, onde radio.

Spettri raggi X: a1 - spettro di bremsstrahlung continuo a 310 kV; a - spettro del freno continuo a 250 kV, a1 - spettro filtrato con Cu da 1 mm, a2 - spettro filtrato con Cu da 2 mm, b - linee di tungsteno serie K.

Per generare radiazioni a raggi X, vengono utilizzati tubi a raggi X (vedi), in cui la radiazione si verifica quando gli elettroni veloci interagiscono con gli atomi della sostanza anodica. Esistono due tipi di radiazioni a raggi X: bremsstrahlung e caratteristica. I raggi X di Bremsstrahlung hanno uno spettro continuo, simile alla normale luce bianca. La distribuzione dell'intensità in funzione della lunghezza d'onda (Fig.) è rappresentata da una curva con un massimo; verso le onde lunghe la curva cade in modo piatto, mentre verso le onde corte cade ripidamente e termina ad una certa lunghezza d'onda (λ0), chiamata confine delle onde corte dello spettro continuo. Il valore di λ0 è inversamente proporzionale alla tensione sul tubo. Bremsstrahlung si verifica quando gli elettroni veloci interagiscono con i nuclei atomici. L'intensità della bremsstrahlung è direttamente proporzionale alla forza della corrente anodica, al quadrato della tensione attraverso il tubo e al numero atomico (Z) della sostanza anodica.

Se l'energia degli elettroni accelerati nel tubo a raggi X supera il valore critico per la sostanza anodica (questa energia è determinata dalla tensione Vcr critica per questa sostanza sul tubo), si verifica la radiazione caratteristica. Lo spettro caratteristico è rigato; le sue righe spettrali formano delle serie, designate dalle lettere K, L, M, N.

La serie K è la lunghezza d'onda più corta, la serie L ha la lunghezza d'onda più lunga, le serie M e N si osservano solo in elementi pesanti (Vcr del tungsteno per la serie K è 69,3 kV, per la serie L - 12,1 kV). La radiazione caratteristica si presenta come segue. Gli elettroni veloci spingono gli elettroni atomici fuori dai loro gusci interni. L'atomo viene eccitato e poi ritorna allo stato fondamentale. In questo caso, gli elettroni dei gusci esterni meno legati riempiono gli spazi lasciati liberi nei gusci interni, e i fotoni della radiazione caratteristica vengono emessi con un'energia pari alla differenza tra le energie dell'atomo nello stato eccitato e fondamentale. Questa differenza (e quindi l'energia dei fotoni) ha un certo valore caratteristico di ciascun elemento. Questo fenomeno è alla base dell'analisi spettrale dei raggi X degli elementi. La figura mostra lo spettro a linee del tungsteno sullo sfondo di uno spettro continuo di bremsstrahlung.

L'energia degli elettroni accelerati nel tubo a raggi X viene convertita quasi interamente in energia termica (l'anodo diventa molto caldo), solo una piccola parte (circa l'1% ad una tensione prossima a 100 kV) viene convertita in energia di bremsstrahlung.

L'uso dei raggi X in medicina si basa sulle leggi dell'assorbimento dei raggi X da parte della materia. L'assorbimento della radiazione a raggi X è completamente indipendente dalle proprietà ottiche della sostanza assorbente. Il vetro al piombo incolore e trasparente, utilizzato per proteggere il personale nelle sale radiologiche, assorbe quasi completamente i raggi X. Al contrario, un foglio di carta non trasparente alla luce non attenua i raggi X.

L'intensità di un fascio di raggi X omogeneo (cioè di una certa lunghezza d'onda) che passa attraverso uno strato assorbente diminuisce secondo la legge esponenziale (e-x), dove e è la base dei logaritmi naturali (2,718) e l'esponente x è uguale a il prodotto del coefficiente di attenuazione della massa (μ /p) cm 2 /g per lo spessore dell'assorbitore in g/cm 2 (qui p è la densità della sostanza in g/cm 3). L'attenuazione della radiazione X avviene sia per diffusione che per assorbimento. Di conseguenza, il coefficiente di attenuazione della massa è la somma dei coefficienti di assorbimento e di diffusione della massa. Il coefficiente di assorbimento della massa aumenta notevolmente con l'aumentare del numero atomico (Z) dell'assorbitore (proporzionale a Z3 o Z5) e con l'aumentare della lunghezza d'onda (proporzionale a λ3). Questa dipendenza dalla lunghezza d'onda si osserva all'interno delle bande di assorbimento, ai confini delle quali il coefficiente presenta dei salti.

Il coefficiente di diffusione di massa aumenta all'aumentare del numero atomico della sostanza. A λ≥0,3Å il coefficiente di diffusione non dipende dalla lunghezza d'onda, a λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Una diminuzione dei coefficienti di assorbimento e diffusione al diminuire della lunghezza d'onda provoca un aumento del potere di penetrazione della radiazione a raggi X. Il coefficiente di assorbimento di massa per l'osso [l'assorbimento è dovuto principalmente al Ca 3 (PO 4) 2 ] è quasi 70 volte maggiore rispetto a quello dei tessuti molli, dove l'assorbimento è dovuto principalmente all'acqua. Questo spiega perché l'ombra delle ossa risalta così nettamente sullo sfondo dei tessuti molli nelle radiografie.

La propagazione di un fascio di raggi X non uniforme attraverso qualsiasi mezzo, insieme ad una diminuzione dell'intensità, è accompagnata da un cambiamento nella composizione spettrale e da un cambiamento nella qualità della radiazione: la parte dello spettro a onde lunghe è assorbita in misura maggiore rispetto alla parte ad onde corte, la radiazione diventa più uniforme. Il filtraggio della parte dello spettro a onde lunghe consente, durante la radioterapia di lesioni localizzate in profondità nel corpo umano, di migliorare il rapporto tra dosi profonde e superficiali (vedi Filtri radiografici). Per caratterizzare la qualità di un fascio di raggi X disomogeneo, viene utilizzato il concetto di "strato di mezza attenuazione (L)" - uno strato di sostanza che attenua la radiazione della metà. Lo spessore di questo strato dipende dalla tensione sul tubo, dallo spessore e dal materiale del filtro. Per misurare gli strati di mezza attenuazione vengono utilizzati cellophane (fino a 12 keV di energia), alluminio (20-100 keV), rame (60-300 keV), piombo e rame (>300 keV). Per i raggi X generati a tensioni di 80-120 kV, 1 mm di rame equivale in capacità filtrante a 26 mm di alluminio, 1 mm di piombo equivale a 50,9 mm di alluminio.

L'assorbimento e la diffusione della radiazione X è dovuta alle sue proprietà corpuscolari; La radiazione a raggi X interagisce con gli atomi come un flusso di corpuscoli (particelle) - fotoni, ognuno dei quali ha una certa energia (inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda della radiazione a raggi X). La gamma di energia dei fotoni dei raggi X è 0,05-500 keV.

L'assorbimento della radiazione X è dovuto all'effetto fotoelettrico: l'assorbimento di un fotone da parte del guscio elettronico è accompagnato dall'espulsione di un elettrone. L'atomo è eccitato e, ritornando allo stato fondamentale, emette una radiazione caratteristica. Il fotoelettrone emesso porta via tutta l'energia del fotone (meno l'energia di legame dell'elettrone nell'atomo).

La diffusione dei raggi X è causata dagli elettroni nel mezzo di diffusione. Si distingue tra diffusione classica (la lunghezza d'onda della radiazione non cambia, ma cambia la direzione di propagazione) e diffusione con variazione della lunghezza d'onda - effetto Compton (la lunghezza d'onda della radiazione diffusa è maggiore di quella della radiazione incidente ). In quest'ultimo caso, il fotone si comporta come una palla in movimento, e la dispersione dei fotoni avviene, secondo l'espressione figurata di Comton, come una partita a biliardo con fotoni ed elettroni: scontrandosi con un elettrone, il fotone gli trasferisce parte della sua energia ed è sparso, avendo meno energia (di conseguenza, la lunghezza d'onda della radiazione diffusa aumenta), un elettrone vola fuori dall'atomo con energia di rinculo (questi elettroni sono chiamati elettroni Compton o elettroni di rinculo). L'assorbimento dell'energia dei raggi X avviene durante la formazione di elettroni secondari (Compton e fotoelettroni) e il trasferimento di energia ad essi. L'energia della radiazione X trasferita a un'unità di massa di una sostanza determina la dose assorbita della radiazione X. L'unità di questa dose 1 rad corrisponde a 100 erg/g. A causa dell'energia assorbita, nella sostanza assorbente si verificano numerosi processi secondari, importanti per la dosimetria dei raggi X, poiché è su di essi che si basano i metodi per misurare la radiazione a raggi X. (vedi dosimetria).

Tutti i gas e molti liquidi, semiconduttori e dielettrici aumentano la conduttività elettrica se esposti ai raggi X. La conduttività viene rilevata dai migliori materiali isolanti: paraffina, mica, gomma, ambra. La variazione di conduttività è causata dalla ionizzazione del mezzo, cioè dalla separazione delle molecole neutre in ioni positivi e negativi (la ionizzazione è prodotta da elettroni secondari). La ionizzazione in aria viene utilizzata per determinare la dose di esposizione ai raggi X (dose in aria), che viene misurata in roentgen (vedere Dosi di radiazioni ionizzanti). Alla dose di 1 r, la dose assorbita nell'aria è 0,88 rad.

Sotto l'influenza della radiazione a raggi X, come risultato dell'eccitazione delle molecole di una sostanza (e durante la ricombinazione degli ioni), in molti casi viene eccitato un bagliore visibile della sostanza. Ad alte intensità di radiazione a raggi X, si osserva un bagliore visibile nell'aria, nella carta, nella paraffina, ecc. (ad eccezione dei metalli). La resa più elevata di luminescenza visibile è fornita dai fosfori cristallini come il fosforo Zn·CdS·Ag e altri utilizzati per gli schermi per fluoroscopia.

Sotto l'influenza dei raggi X, in una sostanza possono verificarsi anche diversi processi chimici: decomposizione dei composti degli alogenuri d'argento (un effetto fotografico utilizzato nella fotografia a raggi X), decomposizione dell'acqua e delle soluzioni acquose di perossido di idrogeno, cambiamenti nelle proprietà di celluloide (torbidità e rilascio di canfora), paraffina (torbidità e sbiancamento) .

Come risultato della conversione completa, tutta l'energia assorbita dalla sostanza chimicamente inerte, la radiazione a raggi X, viene convertita in calore. La misurazione di quantità molto piccole di calore richiede metodi altamente sensibili, ma è il metodo principale per misurazioni assolute della radiazione a raggi X.

Gli effetti biologici secondari derivanti dall'esposizione ai raggi X sono la base della terapia medica con raggi X (vedi). La radiazione dei raggi X, i cui quanti sono 6-16 keV (lunghezze d'onda efficaci da 2 a 5 Å), viene quasi completamente assorbita dal tessuto cutaneo del corpo umano; questi sono chiamati raggi di confine, o talvolta raggi di Bucca (vedi raggi di Bucca). Per la terapia a raggi X profondi viene utilizzata la radiazione filtrata duramente con quanti di energia efficaci da 100 a 300 keV.

L'effetto biologico delle radiazioni a raggi X dovrebbe essere preso in considerazione non solo durante la terapia a raggi X, ma anche durante la diagnostica a raggi X, così come in tutti gli altri casi di contatto con radiazioni a raggi X che richiedono l'uso della radioprotezione (Vedere).

La radiazione a raggi X si verifica quando gli elettroni che si muovono ad alta velocità interagiscono con la materia. Quando gli elettroni entrano in collisione con gli atomi di qualsiasi sostanza, perdono rapidamente la loro energia cinetica. In questo caso, la maggior parte si trasforma in calore e una piccola frazione, solitamente inferiore all'1%, viene convertita in energia a raggi X. Questa energia viene rilasciata sotto forma di quanti, particelle chiamate fotoni, che hanno energia ma la cui massa a riposo è zero. I fotoni dei raggi X differiscono nella loro energia, che è inversamente proporzionale alla loro lunghezza d'onda. Il metodo convenzionale di produzione dei raggi X produce un'ampia gamma di lunghezze d'onda, chiamata spettro dei raggi X. Lo spettro contiene componenti pronunciate, come mostrato in Fig. 1.

Riso. 1. UNO SPETTRO RAGGI X USUALE è costituito da uno spettro continuo (continuum) e da linee caratteristiche (picchi netti). Le linee Kia e Kib sorgono a causa delle interazioni degli elettroni accelerati con gli elettroni del guscio K interno.

L’ampio “continuum” è chiamato spettro continuo o radiazione bianca. I picchi netti ad esso sovrapposti sono chiamati caratteristiche righe di emissione dei raggi X. Sebbene l'intero spettro sia il risultato di collisioni di elettroni con la materia, i meccanismi per la comparsa della sua parte ampia e delle linee sono diversi. Una sostanza è costituita da un gran numero di atomi, ciascuno dei quali ha un nucleo circondato da gusci di elettroni, e ciascun elettrone nel guscio di un atomo di un dato elemento occupa un certo livello energetico discreto. Tipicamente questi gusci, o livelli energetici, sono designati dai simboli K, L, M, ecc., a partire dal guscio più vicino al nucleo. Quando un elettrone incidente con energia sufficientemente elevata si scontra con uno degli elettroni associati all'atomo, lo spinge fuori dal suo guscio. Lo spazio vuoto è occupato da un altro elettrone del guscio, che corrisponde ad un'energia più elevata. Quest'ultimo cede l'energia in eccesso emettendo un fotone di raggi X. Poiché gli elettroni del guscio hanno valori energetici discreti, anche i fotoni dei raggi X risultanti hanno uno spettro discreto. Ciò corrisponde a picchi netti per determinate lunghezze d'onda, i cui valori specifici dipendono dall'elemento bersaglio. Le linee caratteristiche formano le serie K, L e M, a seconda del livello (K, L o M) da cui è stato rimosso l'elettrone. La relazione tra la lunghezza d'onda dei raggi X e il numero atomico è chiamata legge di Moseley (Figura 2).

Riso. 2. LA LUNGHEZZA D'ONDA DELLA RADIAZIONE CARATTERISTICA DEI RAGGI X emessa dagli elementi chimici dipende dal numero atomico dell'elemento. La curva segue la legge di Moseley: maggiore è il numero atomico dell'elemento, minore è la lunghezza d'onda della linea caratteristica.

Se un elettrone urta un nucleo relativamente pesante, viene decelerato e la sua energia cinetica viene rilasciata sotto forma di un fotone di raggi X approssimativamente della stessa energia. Se vola oltre il nucleo, perderà solo una parte della sua energia e il resto verrà trasferito agli altri atomi che incontrano sul suo percorso. Ogni atto di perdita di energia porta all'emissione di un fotone con una certa energia. Appare uno spettro di raggi X continuo, il cui limite superiore corrisponde all'energia dell'elettrone più veloce. Questo è il meccanismo per la formazione di uno spettro continuo, e l'energia massima (o lunghezza d'onda minima) che fissa il confine dello spettro continuo è proporzionale alla tensione di accelerazione, che determina la velocità degli elettroni incidenti. Le linee spettrali caratterizzano il materiale del bersaglio bombardato e lo spettro continuo è determinato dall'energia del fascio di elettroni ed è praticamente indipendente dal materiale del bersaglio.

La radiazione a raggi X può essere ottenuta non solo mediante bombardamento elettronico, ma anche irradiando un bersaglio con radiazione a raggi X proveniente da un'altra sorgente. In questo caso, però, la maggior parte dell'energia del fascio incidente va nello spettro caratteristico dei raggi X e una piccolissima parte rientra in quello continuo. È ovvio che il fascio di radiazione X incidente deve contenere fotoni la cui energia sia sufficiente ad eccitare le righe caratteristiche dell'elemento bombardato. L'elevata percentuale di energia per spettro caratteristico rende questo metodo di eccitazione della radiazione X conveniente per la ricerca scientifica.

Tubi a raggi X. Per produrre raggi X attraverso l'interazione degli elettroni con la materia, è necessario disporre di una fonte di elettroni, di un mezzo per accelerarli ad alta velocità e di un bersaglio in grado di resistere al bombardamento di elettroni e produrre raggi X dell'intensità richiesta. Il dispositivo che contiene tutto questo si chiama tubo a raggi X. I primi ricercatori utilizzavano tubi “profondamente evacuati” come i moderni tubi a scarica di gas. Il vuoto al loro interno non era molto elevato.

I tubi a scarica contengono piccole quantità di gas e quando agli elettrodi del tubo viene applicata una grande differenza di potenziale, gli atomi di gas vengono convertiti in ioni positivi e negativi. Quelli positivi si muovono verso l'elettrodo negativo (catodo) e, cadendo su di esso, ne estraggono gli elettroni e, a loro volta, si muovono verso l'elettrodo positivo (anodo) e, bombardandolo, creano un flusso di fotoni di raggi X .

Nel moderno tubo a raggi X sviluppato da Coolidge (Fig. 3), la sorgente di elettroni è un catodo di tungsteno riscaldato ad alta temperatura. Gli elettroni vengono accelerati ad alta velocità dall'elevata differenza di potenziale tra l'anodo (o anticatodo) e il catodo. Poiché gli elettroni devono raggiungere l'anodo senza scontrarsi con gli atomi, è necessario un vuoto molto elevato, che richiede che il tubo sia ben evacuato. Ciò riduce anche la probabilità di ionizzazione degli atomi di gas rimanenti e delle correnti laterali risultanti.

Riso. 3. TUBO RAGGI X COOLIDGE. Quando bombardato da elettroni, l'anticatodo di tungsteno emette la caratteristica radiazione di raggi X. La sezione trasversale del fascio di raggi X è inferiore all'effettiva area irradiata. 1 - fascio di elettroni; 2 - catodo con elettrodo di focalizzazione; 3 - guscio di vetro (tubo); 4 - bersaglio di tungsteno (anticatodo); 5 - filamento catodico; 6 - area irradiata effettiva; 7 - punto focale efficace; 8 - anodo di rame; 9 - finestra; 10 - radiazione a raggi X diffusa.

Gli elettroni vengono focalizzati sull'anodo da un elettrodo di forma speciale che circonda il catodo. Questo elettrodo è chiamato elettrodo di focalizzazione e, insieme al catodo, forma il “faretto elettronico” del tubo. L'anodo sottoposto al bombardamento elettronico deve essere realizzato in materiale refrattario, poiché la maggior parte dell'energia cinetica degli elettroni bombardanti viene convertita in calore. Inoltre, è auspicabile che l'anodo sia costituito da un materiale con un numero atomico elevato, perché La resa dei raggi X aumenta con l'aumentare del numero atomico. Il tungsteno, il cui numero atomico è 74, viene spesso scelto come materiale dell'anodo.

Il design dei tubi a raggi X può variare a seconda delle condizioni e dei requisiti di applicazione.