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NOTA - I RAGGI X

Info e Note > Note Tecniche > Elementi di Fisica
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I RAGGI-X

LA GRANDEZZA INCOGNITA

Così Wilhelm Conrad Röntgen commentò l’origine del nome della sua strepitosa scoperta.
"Non avevo idea di cosa fossero quei raggi perciò li chiamai semplicemente raggi X, essendo x il simbolo matematico di una grandezza incognita".

LA NATURA DEI RAGGI-X

I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche ionizzanti di lunghezza d'onda compresa approsimativamente tra 10 nm e 0.01 nm. I raggi X con una lunghezza d'onda superiore a 0,1 nm sono defi niti molli; sotto a questa lunghezza d'onda sono detti, invece, duri.
Grazie alla loro lunghezza d'onda ridotta (e quindi, come si può ricavare dalla formula di Planck, alla notevole energia trasportata), essi trovano un'ampia applicazione in campo medico, industriale e dei beni culturali poichè consentono di analizzare internamente un corpo o un oggetto in maniera non distruttive:
Raggi X - Radiazione elettromagnetica
Spettro elettromagnetico
LA PRODUZIONE DI RAGGI-X
Ogni volta che un atomo è interessato da una transizione di un suo elettrone interno da un livello energetico a un altro, si ha emissione di raggi X monocromatici. queste transizioni si verificano, per esempio, quando avviene un passaggio di elettroni a cascata come avviene in un tubo a raggi X.
Questi hanno un’energia sufficiente a liberare gli elettroni più interni degli atomi e indurre, quindi, la ricaduta degli elettroni più esterni sui livelli energetici lasciati vacanti; queste transizioni sono accompagnate dall’emissione di energia sotto forma di radiazione X.
La lunghezza d’onda dei raggi X emessi dipende dal salto di energia compiuto dagli elettroni nella transizione, e quindi dalla struttura orbitale degli atomi in questione.
L’analisi della radiazione X caratteristica emessa da un campione di materiale ignoto permette quindi di determinare la natura del campione.
Lo spettro energetico dei raggi X è costituito da due principali componenti: la radiazione continua di frenamento (bremmsstrahlung) e la radiazione caratteristica.

Produzione dei raggi-X, effetti bremmsstrahlung (immagine di sinistra) e radiazione caratteristica (immagine di destra):
Raggi X - Effetti secondari e emissione di produzione
RADIAZIONE DI BREMSSTRAHLUNG
La radiazione continua di frenamento, nota anche come "radiazione di bremsstrahlung", le la radiazione emessa da particelle cariche libere che in seguito a una loro accelerazione (o decelarazione) effettuata tramite l'interazione con il campo elettrico di un nucleo di un atomo.
L'intensità della radiazione creata sono inversamente proporzionale al cubo della massa della particella interagente. Lo spettro generato dalla radiazione di frenamento varia (insieme alla frequenza) in maniera continua da 0 a un valore massimo pari all'energia cinetica degli elettroni interagenti, esso sono quindi, di tipo continuo.
Raggi X - La radiazione di frenamento
Raggi X - La radiazione di frenamento
EFFETTO COMPTON
Con la teoria quantistica della luce, i fotoni si comportano come particelle eccetto per la loro mancanza della “massa a riposo”.
Arthur Compton, nel 1922, analizzò lo spettro delle onde elettromagnetiche, in particolare quella dei raggi-X.
La scoperta è fondamentale per l’avvento e la conferma della meccanica quantistica; infatti quello che osservò era la presenza di due righe spettrali distinte emerse dal processo di scattering di cui una riproduce fedelmente la frequenza della radiazione incidente e quindi in perfetto accordo con la teoria classica. Invece l’altra risultava con una frequenza minore (lunghezza d’onda maggiore) spiegabile solo con i ragionamenti quantistici.
          • Secondo la teoria classica dell’elettromagnetismo gli elettroni “bersaglio”, una volta “eccitati” dai fotoni “proiettile”, oscillano con la stessa frequenza della radiazione incidente emettendo quindi, qualunque sia la direzione di diffusione, radiazione ancora della stessa frequenza.
          • Secondo la teoria quantistica invece avviene un fenomeno d’urto fra fotoni ed elettroni periferici, tramite il quale gli elettroni assorbono parte dell’energia dei fotoni che quindi risultano avere una frequenza minore dipendente dall’angolo di scattering.
Quando un fotone X colpisce un elettrone ed è sparato (scattering) dalla sua direzione iniziale, l’elettrone riceve cosi un impulso ed inizia a muoversi.
E’ come se l’energia persa dal fotone nella collisione è guadagnata dall’elettrone sotto forma di energia cinetica, sebbene siano coinvolti diversi fotoni.   
Raggi X - Effetto Compton effetti
Raggi X - Effetto Compton suoi effetti
RADIAZIONE CARATTERISTICA
La radiazione caratteristica sono la parte discreta dello spettro energetico dei raggi-X, l'elettrone incidente che si scontra con uno degli elettroni più interni dell'atomo, crea una lacuna nella sua orbita corrispondente che verrà in seguito occupata da uno degli elettroni più esterni.
Questo processo sono l'artefi ce della produzione di raggi X, la cui energia corrispondente dipende dal tipo di materiale cui è composto il bersaglio, chiamato anche target (per questo motivo tale radiazione viene defi nita caratteristica).
Raggi X - Tipico spettro energetico dei raggi-X
Spettro caratteristico
I raggi X svolgono un ruolo di fondamentale e importanza nell’industria.
Nel settore metallurgico vengono utilizzati nelle tecniche dei controlli non distruttivi (CND) nella verifica della qualità di leghe metalliche ottenute per fusione, come pure in tutti i componenti dove sia necessario la verifica interna.
Le immagini a raggi X permettono di individuare eventuali irregolarità o diffettosità del componente.
Tecniche analoghe si applicano per la valutazione o l’autenticità di altri prodotti industriali e di pietre preziose, nonchè nelle opere d'arte.
IONIZZAZIONE
Con tale termine si indica il processo per il quale un atomo o una molecola possono perdere o acquistare elettroni, dando luogo a particelle che prendono il nome di ioni per il fatto che si pongono in movimento quando sottoposti all'azione di un campo elettrico.
Un ione è elettricamente carico e la sua carica è appunto determinata dal numero di elettroni perduti o acquistati nel processo di ionizzazione.
ISOTOPI
Ad oggi sono conosciuti più di 100 elementi, ognuno dei quali si caratterizza dal suo numero atomico Z (numero di protoni del nucleo o di elettroni che circondano il nucleo).
La struttura di un atomo è tale per cui bisogna correlare al numero atomico (Z) al suo numero di massa (A) (che corrisponde alnumero totale di protoni e di neutroni nel nucleo) è stato trovato che in natura esistono elementi con lo stesso numero atomico (Z) ma che non corrisponde il suo numero di massa (A), e vengono chiamati con il nome di isotopi.
Gli isotopi di un dato elemento, possono essere più di uno, hanno lo stesso numero di protoni e differiscono per il numero dei neutroni contenuti nel nucleo.
Tra questi alcuni possono essere instabili, vale a dire che possiede un eccesso di energia ed viene liberata sotto forma di particelle, indicate come radiazioni elettromagnetiche, queste hanno un processo di decadimento o di disintegrazione che prende il nome di radioattività.



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