Tesina sui Raggi X

I.I.S Blaise Pascal Giaveno

Andrea Bellino

Esame di Stato 2012/2013 Classe V G

I raggi X 1

a) Röntgen e la sua scoperta

p.3

b) Cos’è un’onda, la sua lunghezza, ampiezza e frequenza p.4

c) Lo spettro elettromagnetico

p.5

d) Produzione dei raggi X in natura: Sole e radiogalassie p.6

e) Produzione dei raggi X in laboratorio: radiazione “caratteristica”

e di “frenamento”. Tubo a raggi X

p.7/8

f) I raggi X come sonda della materia. Applicazione per lo studio dei solidi cristallini ionici: misura del passo reticolare di un monocristallo di NaCl

• Diffrazione raggi X in un solido e p.9
• Legge di Bragg
• Esperienza di laboratorio: i raggi X come sonda nella materia p.10
• Analisi dei dati, relativo grafico e calcolo del passo reticolare p.11/12

g) I raggi X in campo biologico-medico:

• Radiobiologia
• p.12
• Diversità delle risposte biologiche alla dose ricevuta (risposta lineari o non-lineari, con o senza una dose soglia) p.13
• Effetto della radiazione: stocastico (cancro) o deterministico
• p.13
• Il cancro
• p.13
• Effetti radiazione sul DNA p.14
• Effetti radiazioni a livello cellulare
• p.14
• Radioterapia p.15

h) I raggi X in campo artistico 2

• Macro scansione a raggi X: numero e caratteristiche delle fratture, le stuccature presenti, le integrazioni lignee, danni dovuti ad attacchi di insetti, lacune dello strato pittorico ed integrazioni p.15
• Cubismo analitico: Braque e Picasso p.
• 16

i) I raggi X per la nostra sicurezza in volo p.17

j) I fossili: Otzi a raggi X p.17

Röntgen, primo Nobel per la fisica nel 1901, nel 1895 scoprì un’onda elettromagnetica avente una lunghezza d’onda più piccola della luce, a cui diede il nome di raggi X, poiché non sapeva quale fosse la sua origine. Da allora lo sviluppo della loro utilizzazione, in molteplici campi applicativi, fu esponenziale ed ancora oggi sono primi attori nella nostra vita quotidiana.

Le applicazioni furono e sono molteplici, basti pensare al contributo nei primi anni del ‘900 alla comprensione dell’atomo o della struttura dei minerali grazie ad esperimenti di diffrazione. In medicina i raggi X hanno ben conosciute applicazioni sia nella diagnostica, poiché sono in grado di penetrare in modo differente tessuti a densità differenti, fornendo immagini che elaborate con opportuni software hanno contrasti e profondità ad aspetto bi/tridimensionale, sia nella tecnica terapeutica per la cura, ad esempio dei tumori, grazie alla capacità di distruggere le cellule in attiva replicazione.

Tuttavia sono ben note le conseguenze in caso di irradiazione non controllata, accidentale o utilizzata a fini bellici.

In ambito tecnologico è possibile individuare la struttura reticolare della materia e i difetti della stessa o identificare le dimensioni di nano strutture in materiali compositi. Inoltre con la tecnica di diffrazione dei raggi X (X-RayDiffraction-XRD) è possibile determinare l’abbondanza relativa di composti chimici nella struttura di un materiale o in aeroporto si può effettuare il controllo bagagli dei viaggiatori per scongiurare azioni terroristiche; non solo, vi sono anche svariate applicazioni nell’arte.

Wilhelm Conrad Röntgen

Nacque nei pressi Dusseldorf nell’anno 1845; al Politecnico di Zurigo conseguì nel 1868 il diploma di Ingegneria Meccanica e nel 1894, già direttore dell’Istituto di Fisica di Würzburg, incominciò a studiare i raggi catodici: nel 1895 identificò per la prima volta i raggi X.

Inviò prima un rapporto relativo alla scoperta, all’Associazione Fisico-Medica di Würzburg e poi anche al Kaiser che nel 1896 gli diede l’opportunità di tenere la prima presentazione pubblica. Trasferitosi nel 1900 all’università di Monaco, nel 1901 ottenne il primo premio Nobel per la Fisica.

Wilhelm Conrad Röntgen morì a Monaco di Baviera il 10 febbraio il 1923 per carcinoma dell’intestino, quattro anni dopo sua moglie che inconsapevolmente fungeva da cavia per le sue scoperte sui raggi X (1).

La scoperta

L’8 novembre 1895 W.C. Röntgen scoprì un nuovo tipo di raggi in grado di attraversare i corpi opachi e ne diede il nome di raggi X; già altri scienziati avevano prodotto questo tipo di raggi, ma non ne diedero importanza.

La peculiarità dei raggi X, o “raggi di Röntgen”, è la loro capacità di penetrare gli oggetti in maniera differente a seconda della loro densità.

La scoperta di Roentgen fu, come spesso, casuale mentre studiava i fenomeni associati al passaggio di corrente elettrica attraverso un gas a bassissima pressione. Stava lavorando in una stanza oscurata dalla luce avvolgendo accuratamente il tubo catodico con il quale lavorava con uno spesso foglio di cartone nero per eliminare completamente la luce, quando un foglio di carta ricoperto da un lato da una sostanza fosforescente, posto casualmente su un tavolo vicino, divenne fluorescente.

Egli spiegò il fenomeno come dovuto all’emissione dal tubo, di raggi invisibili che eccitavano la fluorescenza. Nel tentativo di scoprire le qualità dei raggi, Röntgen si accorse che sul foglio appariva l’ombra delle ossa della mano di sua moglie posta nella traiettoria dei raggi stessi.

“When he immobilised for some moments the hand of his wife in the path of the rays over a photographic plate, he observed after development of the plate an image of his wife's hand which showed the shadows thrown by the bones of her hand and that of a ring she was wearing,..) (1)

In seguito comprese che inserendo un oggetto tra l’emettitore dei raggi e una lastra fotografica era possibile ottenere immagini fisse e conservabili nel tempo.

Natura dei raggi X

Alcune precisazioni..... Un’onda è una perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio, trasportando energia o quantità di moto; le onde elettromagnetiche possono propagarsi sia attraverso un materiale, sia nel vuoto.

In generale le onde sono caratterizzate da una cresta, ovvero il punto più alto e da un ventre, il punto più basso.

Fig. 1

L’ampiezza d’onda è l’escursione tra il punto di massima estensione e il punto di riposo, mentre la lunghezza d’onda è la distanza tra due massimi e si misura con la lettera lambda (λ).

La frequenza, che si misura in Hz è il numero di oscillazioni che avvengono in un secondo ed si definisce come:

T = tempo necessario affinché un ciclo di oscillazioni si ripeta. 4

La velocità è lo spazio percorso da un punto d’onda nell’unità di tempo e dipende dalle proprietà fisiche del mezzo in cui avviene la propagazione.

Nel vuoto, le onde elettromagnetiche di qualsiasi lunghezza d’onda hanno la stessa velocità, la “velocità della luce nel vuoto” che si indica con la lettera c e vale:

8

c = 2,998∙ 10 m/s (circa 300 milioni di metri al secondo)

I raggi X sono un tipo particolare di raggi che compongono lo spettro elettromagnetico.

Come si può osservare dalla figura, vi sono numerosi tipi di onde all’interno dello spettro, come le microonde, le onde radio, la luce visibile o gli ultravioletti.

I raggi di Röntgen sono un tipo di raggi ionizzanti, ovvero che sono in grado di interagire con la materia causando separazione di carica, caratterizzati da una bassa lunghezza d’onda, elevata frequenza e quindi elevata energia.

I raggi X non sono rilevabili dalla retina dell’occhio umano poiché hanno una frequenza superiore a quella della luce visibile che ha lunghezze d’onda comprese tra 700 e 400 nanometri.

A partire da una frequenza superiore a le radiazioni si dicono ionizzanti, cioè sono dotate di sufficiente energia da poter ionizzare gli atomi con i quali vengono a contatto; la ionizzazione prevede la trasformazione in ione dell’atomo a causa dell’allontanamento di uno o più elettroni.

Fig. 2: spettro elettromagnetico con lunghezza d’onda crescente da destra verso sinistra

Come si producono i raggi X in natura

Dopo la seconda guerra mondiale, una serie di esperimenti condotti usando razzi, che uscivano per alcuni minuti dall’atmosfera per poi ricadere a terra, confermarono che effettivamente una grande quantità di radiazione X e ultravioletta proviene dal Sole e viene assorbita prima di raggiungere la superficie terrestre.

Poiché il Sole è una sorgente intensa di raggi X e che i razzi venivano recuperati dopo il loro ritorno a terra, non era necessario usare telescopi con grande area di raccolta, e la semplice lastra fotografica era usata come rivelatore.

Si ottennero così immagini del Sole utilizzando i raggi X che avevano un aspetto molto diverso dall’immagine in luce visibile che conosciamo.

La parte esterna dell’atmosfera solare che emette raggi X si chiama corona, e si trovò che la sua temperatura è intorno al milione di gradi, mentre la superficie che emette la luce visibile (fotosfera) ha una temperatura di 5800 K (gradi Kelvin).

Il Sole, osservato nei raggi X dal satellite giapponese YOHKOH, appare con grande disomogeneità; zone scure (buchi coronali) si alternano a zone brillanti (regioni attive).