I RAGGI X
Radiografie...
...e non solo!
Prima dei raggi X...i raggi catodici
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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
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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
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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.
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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
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Solo nel 1895 però Rontgen inviò un
rapporto alla comunità scientifica
descrivendo la scoperta di un nuovo
tipo di radiazione, definita X perchè
”sconosciuta”
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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”...
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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
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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
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Il concetto è quello di usare un tubo catodico, ma
ottimizzato per la produzione di raggi X
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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
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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
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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
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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
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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??
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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...
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… Protocolli che i primi
scienziati (purtroppo per
loro) non conoscevano!
Applicazione 1: XRF
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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
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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
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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
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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
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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
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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 !!!
