I raggi X
MARIA PIA MORIGI
Dipartimento di Fisica
Università di Bologna
I raggi X: che cosa sono?
E=hn
Spettro delle onde elettromagnetiche
La scoperta dei raggi X
Roentgen, premio
Nobel per la Fisica
nel 1901
8 Novembre, 1895
La scoperta dei raggi X
Tubo di HittorfCrookes.
Apparato
sperimentale
di Roentgen.
La prima “roentgengrafia”
Radiografia della mano della signora Roentgen (22
dicembre 1895): questa fu la prima “roentgengrafia”
a venir presa e fu pubblicata sul New York Times il
16 gennaio del 1896.
I raggi X
 Come si producono?
Il tubo a raggi X
Anodo (+)
Catodo (-)
I raggi X sono il risultato
dell’interazione, in un tubo nel
quale è stato realizzato un alto
vuoto, tra materia ed elettroni
accelerati
da
opportune
differenze di potenziale.
Il tubo a raggi X
Un tubo a raggi X è costituito da un'ampolla di vetro,
all'interno della quale viene fatto il vuoto, posta dentro un
involucro metallico rivestito di piombo. L'emissione dei
raggi X avviene solo da una piccola zona non schermata
detta finestra.
Anodo (+)
Catodo (-)
All'interno dell'ampolla vi sono anodo e catodo. Il catodo è
costituito da un filamento, tipicamente di tungsteno. Il
filamento viene attraversato da una corrente intensa che
riscalda il catodo e determina la fuoriuscita degli elettroni
di conduzione per emissione termoionica. Tali elettroni
vengono poi accelerati verso l'anodo grazie all'alta
differenza di potenziale che viene applicata tra il catodo e
l'anodo.
In genere solo l'1 % dell'energia cinetica degli elettroni si trasforma in
radiazione X, il resto viene convertita in energia termica e ciò può causare il
deterioramento o addirittura la fusione dell'anodo. Per evitare l'eccessivo
riscaldamento dell'anodo vengono utilizzati anodi rotanti in modo che il fascio di
elettroni incida in punti diversi.
Si nota inoltre che la targhetta bersaglio non è perpendicolare al fascio degli
elettroni, ma inclinata di un angolo in genere attorno ai 20°. In questo modo gli
elettroni interagiscono con un'area rettangolare (area focale) mentre i fotoni
escono da un'area quasi quadrata molto più piccola, detta macchia focale o spot
focale effettivo.
Produzione dei raggi X
Quando l’elettrone collide con l’anodo perde energia in base ai seguenti
meccanismi:
1. l’elettrone eccita un atomo della
sostanza
colpita
spostando
un
elettrone esterno ad un livello più alto
di energia. L’atomo torna poi allo
stato fondamentale con emissione di
radiazione infrarossa;
X
nucleo
3. Quando l‘elettrone di un
fascio interagisce con il campo
elettrico del nucleo di un
atomo, subisce una brusca
decelerazione e perde energia
che viene emessa sotto forma
di fotoni (bremsstrahlung).
IR
nucleo
2. l’elettrone collide con un elettrone
interno della sostanza colpita (shell K o L)
con relativa espulsione di quest’ultimo (con
energia cinetica EC). Un elettrone più
esterno va a sostituire quello espulso con
emissione di “radiazione caratteristica” della
sostanza colpita;
X
nucleo
Produzione dei raggi X
I fenomeni che portano alla produzione di raggi X sono il 2 ed il 3. Il primo,
che si verifica solo se l’energia dell’elettrone accelerato è maggiore (o uguale)
dell’energia di legame dell’elettrone atomico, porta alla produzione di fotoni
caratteristici della sostanza colpita mentre, il secondo, determina la produzione
di fotoni di varie energie (spettro continuo), con energia massima pari alla
massima energia degli elettroni incidenti sull’anodo.
Nella figura a destra è raffigurato lo
spettro energetico dei raggi X prodotti da
un tubo radiogeno con anodo in tungsteno.
La
parte
continua
dello
spettro
rappresenta i raggi X provenienti dal
fenomeno di "bremsstrahlung“, mentre i
picchi
sono
relativi
all'emissione
di
"radiazione caratteristica".
Spettro dei raggi X
Spettro di un tubo a raggi X. Lo spettro X risultante è
la
sovrapposizione
di
uno
spettro
continuo
(bremsstrahlung) e di uno spettro a righe (raggi X
caratteristici).
I raggi X
 Come interagiscono con
la materia?
Interazione raggi X-materia
- Effetto fotoelettrico
L’interazione
avviene con un
elettrone
fortemente
legato.
Ee- = hn- Eb
Interazione raggi X-materia
- Effetto Compton
L’interazione
avviene con un
elettrone di
un’orbita esterna
dell’atomo.
h
1 cos  
 
mc
Interazione raggi X-materia
- Produzione di coppie
Dipendenza dal numero
atomico
Z4 (fotoelettrico)
probabilità

interazione
Z (Compton)
Z2 (produzione di coppie)
Bunker in Piombo o
Calcestruzzo
Assorbimento dei raggi X nella materia
Condizioni di “buona geometria”: un fotone che ha interagito
con il materiale assorbitore non può interagire con il
rivelatore.
Assorbimento di raggi X monocromatici
in condizioni di “buona geometria”
Legge di Beer-Lambert per fotoni
monocromatici e materiali omogenei:
I = Ioe-ms
dove:
• I0 è l’intensità iniziale del fascio di raggi X o g
• I è l’intensità del fascio dopo l’attraversamento
del materiale preso in considerazione
• m è il coefficiente di attenuazione lineare del
materiale
• s è lo spessore del materiale considerato.
Assorbimento di raggi X nella materia
I/I0
s
Assorbimento raggi X nella materia
Il coefficiente di assorbimento lineare m dipende da:
• Il numero atomico del materiale
legno
• La densità del materiale
acqua
• L’energia del fascio di raggi X
pietra
rame
Assorbimento dei raggi X nella materia
Assorbimento dei raggi X nella materia
100 keV
60 keV
30 keV
Assorbimento dei raggi X nella materia
m

(cm2/g)
Coefficiente di
attenuazione di
massa in funzione
dell’energia
fotonica per il
piombo, compresi i
coefficienti parziali.