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) Röngten 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

Röngten, 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 RÖNGTEN: 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. Röngten 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

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"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:

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c = 2,998∙ 10 m/s ( circa300 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

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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). Le zone più luminose nei raggi X

hanno chiaramente forma di archi, e seguono le linee del campo magnetico (2)

Le radiogalassie sono galassie caratterizzate da un'emissione di onde radio molto intense

(circa 100 volte rispetto a quelle normali). Si pensa che all'interno di queste vi siano

potentissime esplosioni perché sono in formazione nuove stelle o per la presenza di buchi

neri . La prima radiogalassia, che fu chiamata Cygnus A, venne scoperta negli anni trenta;

essa emette onde radio e raggi X un milione di volte più intensamente della nostra

galassia, la Via Lattea.

Si chiama 4C 29.30 ed è una lontana galassia che si trova a 850 milioni di anni luce da noi

nella direzione del Cancro. L’immagine ottica non mostra alcunché di particolare, ma

combinata con l’immagine ripresa ai raggi X dal satellite Chandra della NASA e con

l’immagine radio ottenuta dal Very Large Array del NSF, si vede quanto di drammatico sta

accadendo nel cuore della galassia. Un gigantesco buco nero nel suo centro sta

generando due potenti getti di particelle che vengono scagliate a velocità di milioni di km

all’ora. Grazie alla combinazione di raggi X (blu), ottici (oro), e dati radio (rosa), gli

astronomi possono ottenere un quadro completo di ciò che sta accadendo. I raggi X

rivelano il gas surriscaldato vorticoso attorno al buco nero, alcuni dei quali potrebbero

essere consumato da esso. L’emissione radio proviene dai due getti di particelle, e le

estremità dei getti mostrano grandi aree di emissione radio al di fuori della galassia. ll buco

nero al centro della 4C 29.30 è circa 100 milioni di volte più massiccio del nostro Sole. I

dati a raggi X mostrano un aspetto diverso di questa galassia, tracciando il percorso del

gas caldo. L’intensa emissione X nel centro dell’immagine dimostra che il gas attorno al

buco nero ha una temperatura di milioni di gradi. Una parte di questo materiale può essere

consumato dal buco nero, mentre un’altra parte forma un vortice attorno al campo

magnetico e viene sparato via dai suoi poli innescando il getto radio. I punti luminosi nei

raggi X e radio in prossimità delle estremità dei getti, sono causati da elettroni

estremamente energetici che seguono traiettorie curve attorno alle linee del campo

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magnetico. Essi mostrano dove il getto generato dal buco nero investe la materia della

galassia.

.

http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html (3)

Produzione raggi X in laboratorio:

La produzione di raggi X avviene continuamente in natura, attraverso l’attività solare o di

radiogalassie, ma per comprendere la natura di tali raggi, è necessario descrivere come si

possono riprodurre in laboratorio. I raggi X sono prodotti quando l’elettrone di un fascio

interagisce con il nucleo di un elemento con alto numero atomico; in genere si può

utilizzare un fascio di elettroni con elevata energia che urta un disco di tungsteno.

L’elettrone di un fascio, di carica negativa, viene attratto dal nucleo di un atomo e,

interagendo con esso, perde molta dell’energia iniziale; la forte decelerazione della carica