La scoperta dei raggi X

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Letizia Marcella Riccio
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1 La scoperta dei raggi X 1

2 8 Novembre 1895 Wilhelm Konrad Röntgen ( ) e il suo laboratorio all Università di Würzburg La sera dell 8 Novembre 1895 Röntgen scopre un nuovo tipo di radiazione, che chiama raggi X. 2

3 Le scariche nei gas Scariche elettriche nei gas rarefatti Rocchetto di Ruhmkorff Alte tensioni impulsate J.W.Hittorf scopre i raggi catodici Pompe da vuoto manuali P 10-6 bar 3

4 Prima di Röntgen W. Crookes costruisce una grande varietà di tubi catodici (i tubi di Hittorf-Crookes ) W. Crookes appannamenti di pellicole presso tubi catodici - restituisce le pellicole come difettose A.W.Goodspeed ombra lasciata da due monete su una lastra fotografica non indaga oltre P. Lenard fluorescenza inattesa al di fuori del tubo catodico non può svolgere ulteriori indagini. 4

5 La scoperta di Roentgen Nuovo tipo di radiazione? Lastra BaPt(CN)4-H2O Per sette settimane Roentgen non abbandona il laboratorio,eseguendo una serie di esperimenti decisivi per caratterizzare le proprieta dei raggi X. 5

6 Il valore della scoperta scientifica La mia scoperta appartiene al mondo intero. Roentgen rifiuta di brevettare la sua scoperta, favorendo così il rapido sviluppo delle applicazioni. Röntgen comunica subito ai colleghi di tutto il mondo la sua scoperta, illustra gli esperimenti condotti e le sue ipotesi. Fisici, medici e molti altri iniziano subito a studiare e utilizzare la nuova radiazione. 6

7 La scoperta si diffonde Röntgen invia all'associazione Fisico-Medica di Würzburg e a colleghi sparsi in tutto il mondo la comunicazione della scoperta Neue Freie Presse (Vienna) Frankfurter Zeitung London Standard New York Corriere della Sera Alto Adige (Trento) Iniziano subito in Europa e in America le prime applicazioni mediche: Febbraio 1896: primo trattamento contro il cancro a base di raggi X Maggio 1896: prime radiografie in guerra (guerra italo-etiopica). 7

8 I tubi a raggi X Anodo Elettroni Catodo Tubo di Coolidge,

9 Gli inizi della radiologia L evoluzione della radiologia Dalle prime radiografie alla TAC 9

10 Prime proprietà dei raggi X Elevato potere di penetrazione, dipendente da natura e densità dei materiali. I raggi X impressionano le lastre fotografiche Radiografia 10

11 Il primo Nobel per la Fisica W.K. Roentgen Nobel per la Fisica Altri Nobel per ricerche con raggi X 6 per la Fisica 4 per la Chimica 2 per la Medicina 11

12 Cosa sono i raggi X?? 12

13 Cosa sono i raggi X I raggi X sono onde elettromagnetiche 13

14 X-Ray Electromagnetic spectrum: radio (λ > 1 m) γ-ray (λ < 0.01 nm). γ Ray < 0,01 nm X Ray 0,01 nm-10 nm UV nm VIS nm IR 0,8-300 µm Microwave 0,3-10 cm Radio wave > 1 m Blu 470 nm Giallo 580 nm Rosso 700 nm X ray are an electromagnetic radiation with a great penetrating power Wavelength close to the atomic distance Crystals can be diffraction lattice since the atomic distance between plane is similar to the wavelength of X-ray ( Å).

15 Esperimento di diffrazione rx 15

16 Diffrazione dei raggi X principi generali raggi X raffreddamento finestra di Be raggi X filamento Un tubo generatore di raggi X per diffrattometria è un recipiente di vetro sotto vuoto contenete un filamento di tungsteno alimentato a bassa tensione (8-12 V) catodo e una piastrina metallica di metallo che funge da bersaglio anodo. Applicando una V tra catodo e anodo si genera un campo elettrico acceleratore. La radiazione si irraggia in tutto lo spazio tra catodo e anodo e fuoriesce attraverso le 4 finestre laterali, generalmente di berillio. Per la maggior parte degli esperimenti di diffrazione con i raggi X è necessario avere un raggio con una banda molto stretta di λ (monocromatizzazione). 16

17 Diffrazione dei raggi X principi generali Raggi X: λ = Å E = ev Si ha emissione di raggi X quando un fascio di elettroni (e - ) viene fortemente accelerato fino a queste E, quindi arrestato su uno schermo di un metallo (generalmente rame, ferro, cromo, molibdeno). L impatto degli e - provoca espulsione di un e - dallo strato più interno (K) e passaggio di un altro e - dallo strato successivo (L o M). Il ritorno alla stato fondamentale provoca emissione di fotoni di energia hν, pari alla differenza di E ( E) tra gli stati. Poiché gli e - sono fortemente assorbiti dalla materia, anche allo stato gassoso, è necessario operare sotto vuoto. 17

18 Diffrazione dei raggi X principi generali Spettro di emissione: la radiazione emessa è policromatica. Le bande sottili corrispondono a E caratteristiche del metallo, sovrapposte ad una distribuzione continua di radiazione (radiazione bianca). Spettro di emissione del Cu La Kα è un doppietto con λ poco diverse (Kα 1 +Kα 2 ). I(Kα 1 )/I(Kα 2 ) = 2 I(Kα) / I(Kβ) = 7 M K L K Radiazione dell anodo Ag Mo K β1 K β1 Cu K β1 Fe Cr Valori caratteristici per alcuni metalli comunemente usati in diffrattometria K β1 K β1 K α K α K α K α K α Lunghezza d onda (Å) Energia (kev)

19 Diffrazione dei raggi X principi generali Si usano dei filtri per eliminare la radiazione del continuo e le radiazioni caratteristiche vicine (ad es. la Kβ), sfruttando il fenomeno dell assorbimento da parte di un opportuno metallo: I = I 0 exp (-µs) µ = coefficiente di assorbimento lineare s = spessore lamina Il coefficiente di assorbimento ha una discontinuità ad una caratteristica λ (spigolo di assorbimento). Spettro di emissione Mo Una lamina metallica avente spigolo di assorbimento K intermedio tra la Kα e la Kβ è un efficace filtro β (di solito l elemento con numero atomico inferiore di un unità: Ni per Cu, V per Cr, Zr per Mo). 19

20 Schematic representation of X-ray Equipment For transmission geometry the optimal sample thickness is 1/µ where µ is the linear absorption coefficient.

21 Rivelatori a riempimento di gas Sfruttano la ionizzazione di un gas (ad alta pressione) Gli ioni prodotti vengono accelerati da una differenza di potenziale e producono un impulso elettrico all anodo Il numero degli impulsi e proporzionale ai fotoni Aumentando la differenza di potenziale le ionizzazioni aumentano il segnale e amplificato 21

22 Rivelatori a scintillazione Sfruttano le proprieta dei fosfori di emettere, se colpiti da radiazione X, radiazione di λ maggiore Gli impulsi di luce sono amplificati da un fototubo moltiplicatore 22

23 Interazione Rx materia λ (rx)= Å grande potere di penetrazione es.foglio di Al di 10 µm è trasparente ai RX ma opaco alla luce visibile L interazione RX materia mette in vibrazione gli elettroni atomici, subiscono accelerazioni/decelerazioni Emettono una radiazione secondaria sincrona (stessa λ) Interazione elastica (energia conservata)= effetto Thomson 23

24 Esiste anche una interazione anelastica =effetto Compton L urto anelastico fotone elettrone trasferisce parzialmente il momento del fotone all elettrone il fotone deflesso avra un momento minore (energia maggiore) λ (RX deflessi) è maggiore (solo una piccola frazione di RX da diffusione Compton) la diffusione Compton non da diffrazione 24

25 L ampiezza dell onda diffratta (Am) all angolo 2θ dipende dalla combinazione delle onde diffuse dai singoli atomi (dagli elettroni dei singoli atomi) Raggi diffratti Raggi incidenti 25

26 La figura di diffrazione dipende dagli arrangiamenti atomici relativi P (r ) funzione di distribuzione radiale Sistema totalmente disordinato Sostanza amorfa Sistema paracristallino Sostanza cristallina 26

27 Interferenze coerenti BRAGG s law 2 d sinθ =λ λ =wavelength used d = distance between atomic planes θ =angle between X-ray beam and the atomic planes

28 Legge di Bragg Fu merito di Bragg aver dimostrato che il fenomeno della diffrazione diventa equivalente alla riflessione da parte di piani reticolari hkl i piani reticolari hkl sono caratterizzati da 3 indici:h,k,l (indici di Miller) e dalla loro spaziatura I piani sono unicamente individuati se si conosce la cella elementare 28

29 Celle elementari P I F La cella primitiva contiene solo una unita (punto) del reticolo 29

30 Sistemi cristallini:classificazione dei cristalli sulla base degli elementi di simmetria presenti Parametri di cella : a, b, c, α, β, γ Parallelepipedo a simmetria minima: triclino-solo il centro di simmetria Parallelepipedo a simmetria massima: cubo-23 elementi di simmetria Le simmetrie possibili sono di sette tipi differenti Sette sistemi cristallini 30

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32 I reticoli cristallini Le possibili celle elementari risultanti dalla combinazione di un reticolo di punti e le 7 classi di simmetria sono: i 14 reticoli di Bravais 32

33 Per assegnare gli indici di Miller (h,k, l) 1) piano adiacente a quello passante per l origine 2)intersezioni assi cella come frazioni (es a/2,b,c/3) 3) reciproco frazioni es(2,1,3) Es 100 (parallelo ad asse b ed asse c) 33

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