I RAGGI X Radiografie......e non solo!
Prima dei raggi X...i raggi catodici Studi iniziati sul finire del XIX secolo (Hertz, Tesla, Thomson, ecc...) Tubo di Crookes: tubo a vuoto (o contente gas rarefatti) composto da un catodo percorso da corrente (C) e da un anodo posto ad un potenziale positivo (P) dell'ordine del kv appoggiato dietro un vetro fluorescente
Proprietà dei raggi catodici J. J. Thomson (nobel 1906): devono essere corpuscoli carichi negativamente! ELETTRONI! Non attraversano i solidi Vengono deviati da un campo elettrico
I raggi catodici oggi: la televisione Un'applicazione dei raggi catodici è usata ai giorni nostri ogni giorno: la televisione a tubo catodico! (1)Cannone di elettroni (2)Fascio di elettroni (3)Bobina di messa a fuoco (4)Bobina di deflessione (5)Anodo (6)Maschera di separazione (7)Fosfori (8)Ingrandimento
La scoperta dei raggi X Durante gli esperimenti sui raggi catodici ci si accorse che una parte di radiazione attraversa gli ostacoli solidi posti nel tubo, illuminando debolmente schermi flurescenti dietro il tubo. Il primo ad accorgersi di questo fenomeno fu probabilmente Tesla nel 1887, seguito poi da altri studi da parte di Hertz e di un suo studente, Lennard, nel 1892.
La scoperta dei raggi X Solo nel 1895 però Rontgen inviò un rapporto alla comunità scientifica descrivendo la scoperta di un nuovo tipo di radiazione, definita X perchè sconosciuta Per questa scoperta Rontgen ricevette il primo premio Nobel nel 1901 (con grande disappunto di Hertz, Tesla e Lennard) PS: nella ricerca scientifica (come nell'esplorazione delle terre, vedi Colombo e le Americhe) ci guadagna sempre l'ultimo che effettua la scoperta...
Scopriamo la X... Quando una particella dotata di carica viene accelerata, emette radiazione elettromagnetica Questo fenomeno è conosciuto come Brehmstrahlung, o radiazione di frenamento La produzione dei raggi X osservati da Rontgen avviene quando gli elettroni dei raggi catodici vengono deflessi (e quindi accelerati) dal campo elettrico prodotto dalla nuvola elettronica degli atomi che compongono il tubo e l'anodo
I raggi X e lo spettro elettromagnetico Raggi X Raggi Gamma Transizioni Orbitali Atomici Transizioni Nucleo Atomico
Proprietà dei raggi X Nei suoi studi Rontgen si rende conto che i raggi X riescono ad attraversare materiali a bassa densità e sono in grado di impressionare le lastre fotografiche Riesce ad effettuare la prima radiografia della storia (la mano della moglie Anna)
Produrre i raggi X Il concetto è quello di usare un tubo catodico, ma ottimizzato per la produzione di raggi X Gli elettroni emessi dal filamento K sono accelerati tramite una differenza di potenziale: essi sono inviati su un target metallico (anodo A) nel quale emettono radiazione di frenamento
Produrre i raggi X L'energia dei raggi X emessi è proporzionale allo Z2 del bersaglio e alla differenza di potenziale ΔV usata per accelerare gli elettroni Solitamente si usano bersagli ad alto Z, ad esempio molibdeno o tungsteno L'intensità dei raggi X (numero di fotoni emessi) viene regolata aumentando o diminuendo la corrente che passa nel filamento
Spettro dei raggi X Spettro di Brehmstrahlung: è uno spettro continuo, dove l'energia massima dei raggi X emessi è uguale all'energia degli elettroni incidenti In un vero spettro si vede la parte continua, ma insieme a dei picchi!
La struttura a picchi La struttura a picchi è dovuta alla sovrapposizione di uno spettro discreto sopra allo spettro continuo di Brehmstrahlung La componente discreta dipende dalla struttura degli orbitali atomici del metallo usato come anodo! Si osserva che i picchi corrispondono alle diverse energie degli orbitali atomici del metallo che compone l'anodo... X Ray
La struttura a picchi Se un elettrone viene scalzato da un atomo, rimane una lacuna nel corrispondente orbitale; essa viene riempita da un elettrone di un orbitale superiore n è il numero quantico principale, che definisce l'orbitale di appartenenza per ogni elettrone. Tale riassestamento provoca l'emissione di fotoni la cui energia dipende dal gap energetico fra i vari orbitali
Sono pericolosi i raggi X?? I raggi X sono in grado di strappare elettroni agli atomi. In questo caso la radiazione viene definita ionizzante Proprio per questo motivo i raggi X sono dannosi per la materia vivente (rompono i legami cellulari) e devono essere gestiti con appositi protocolli di sicurezza... Protocolli che i primi scienziati (purtroppo per loro) non conoscevano!
Applicazione 1: XRF XRF è acronimo di X-Ray Fluorescence, ed è un sistema per analizzare la composizione chimica di un campione Si basa su quanto abbiamo visto parlando dei picchi caratteristici nello spettro dovuti al metallo dell'anodo
Applicazione 1: XRF Il campione viene bombardato di raggi X Se i raggi X hanno energia sufficientemente alta sono in grado di strappare gli elettroni degli atomi del campione Nel riassestamento degli orbitali vengono emessi raggi X caratteristici per ogni elemento, che vengono identificati da un rivelatore E' il sistema usato nei laboratori di chimica (o dai tecnici di CSI...), ma anche dalle sonde inviate su marte!
Applicazione 2: riflessione di Bragg Immaginiamo un reticolo cristallino su cui incidono raggi X Per il principio di Huygens, ogni atomo del reticolo funge da sorgente di onde sferiche Ma come sappiamo le onde possono interferire fra loro...
Applicazione 2: riflessione di Bragg L'interferenza è costruttiva se la differenza di cammino tra le onde è pari ad un multiplo intero della lunghezza d'onda In particolare si può ricavare la seguente legge, detta legge di riflessione di Bragg nλ=2d sin(θ)
Applicazione 2: riflessione di Bragg Effettuando uno scan a diversi angoli, vedo zone di buio e zone di segnale a intervalli periodici!
Applicazione 3: diagnostica RX Fin dalla prima immagine radiografica della mano di Mrs. Roentgen si capisce l'utilita' di questo tipo di radiazione per indagare la morfologia del corpo umano! ~1500 1895 2008 IN 100 ANNI DI EVOLUZIONE TECNOLOGICA PERÒ, LE CARATTERISTICHE DELLE IMMAGINI RX E LE TECNICHE DI INDAGINE SONO ENORMEMENTE CAMBIATE Marie Curie promuove l'uso di apparecchiature RX al fronte per la cura dei soldati feriti PETIT CURIE in WWI
Applicazione 3: diagnostica RX La nascita della diagnostica RX Dalla -scopia alla -grafia Radiografie su supporti digitali Miglioramento della tecnologia
Applicazione 3: diagnostica RX La nascita della diagnostica RX Fluoroscopio From -scopy to -graphy Tubo a raggi X Analog to Digital Conversion Lastra fotografica Improving technology
Applicazione 3: diagnostica RX Dalla -scopia alla -grafia Tubo a raggi X The DAWN of RX diagnostics Analog to Digital Conversion Cassette a raggi X (emulsione fotografica su vetro) Improving technology
Applicazione 3: diagnostica RX Miglioramen to della tecnologia La nascità della diagnostica RX Tubo a raggi X From -scopy to portatile -graphy Lastre radiografiche (emulsioni su plastica) Analog to Digital Conversion
Applicazione 3: diagnostica RX The DAWN of RX diagnostics From -scopy to Acquisizione -graphy digitale delle immagini Improving technology
Applicazione 3: diagnostica RX La TAC (o, meglio, TC): dal 2D al 3D Esiste un modo di sfruttare meglio i raggi-x? Oggetti sullo stesso asse rispetto al fascio NON sono discriminabili Hounsfield nel 1967 pensa all'utilizzo di diverse PROIEZIONI per ottenere un'immagine tomografica (niente più pellicole, ma acquisizione digitale!) digitale
Applicazione 4: astrofisica Sono stati inviati in orbita particolari telescopi in grado di osservare l'universo nella lunghezza d'onda dei raggi X XMM Newton (ESA) Chandra (NASA) Riccardo Giacconi, Nobel 2002
Applicazione 4: astrofisica Questi telescopi sono fondamentali per lo studio dei fenomeni astrofisici violenti (buchi neri, stelle di neutroni, quasar, ecc...) La materia in caduta in un buco nero si scalda ed emette radiazione X Posso trovare i buchi neri!
FINE!!!