RÖNTGEN E LA
SCOPERTA DEI
RAGGI X
Francesca De Bernardi & Marta Perego
5^A
MATERIALE
UTILIZZATO
• Tubo radiogeno (o tubo di Crookes)
PREMESSA TEORICA
• I RAGGI X E LA RADIOLOGIA:
È nota come raggi X quella porzione dello spettro elettromagnetico con una
lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra 10 nanometri (nm) e
1/1000 di nanometro (1 picometro).
• CHI HA SCOPERTO L’ESISTENZA
DEI RAGGI X?
L'8 novembre 1895 Wilhelm Röntgen,
uno scienziato tedesco, iniziò ad
osservare l'esistenza dei raggi X mentre
sperimentava tubi di vetro messi sotto
vuoto. Röntgen scrisse il 28 dicembre
1895 un rapporto preliminare "Su un
nuovo tipo di raggi: una comunicazione
preliminare". Lo spedì alla rivista della
Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft
di Würzburg.
Fu il primo annuncio formale e pubblico dei raggi X. Röntgen chiamò
la radiazione "X", per indicare che era ancora di tipo sconosciuto. Il
nome dei raggi rimase questo, anche se molti dei suoi colleghi
suggerirono di chiamarli "raggi di Röntgen" (Röntgen stesso si
oppose a questa denominazione). In alcune nazioni, quest'ultimo
nome è ancora usato. Röntgen ricevette, nel 1901, il primo Premio
Nobel per la fisica grazie a questa scoperta.
• COME SI GENERANO I RAGGI X?
I raggi X si generano per una variazione della cinetica (movimento)
degli elettroni. Per ottenere una variazione cinetica degli elettroni
utilizziamo il tubo radiogeno, capace così di generare i raggi X.
Il tubo radiogeno è una ampolla di vetro (all'interno della quale è stato
creato il vuoto) che contiene un catodo e un anodo ad alta tensione. Il
catodo (o polo negativo) è composto dal filamento riscaldatore
(formato in genere da lega, in rame oppure altri metalli a basso
numero atomico, è alimentato a bassa tensione) e dal catodo vero e
proprio collegato al circuito ad alta tensione. L'anodo (polo positivo)
invece, situato al polo opposto dell'ampolla, è costituito da un disco
(piattello) di metallo pesante (ad elevato numero atomico, come le
leghe di tungsteno e molibdeno per i tubi diagnostici tradizionali,
molibdeno o rodio per i tubi usati in diagnostica senologica).
Il tubo radiogeno è contenuto a sua volta in una guaina metallica
(generalmente di alluminio, con schermature di piombo) riempita di
olio dielettrico: l'olio consente sia di dissipare il calore generato dal
tubo in funzione, che di garantire l'isolamento elettrico tra i contatti
esterni di anodo e catodo. Scopo della guaina è di protezione
meccanica e conduzione di calore.
La parte del tubo da dove escono i raggi X è detta finestra e non è
schermata dalla guaina metallica: vi sono invece dei filtri in rame o in
alluminio di spessore adatto a filtrare i raggi X in modo che le energie più
basse (inutili alla formazione dell'immagine diagnostica) vengano filtrate
secondo le norme di legge.
I tubi radiogeni emettono una radiazione X di molte lunghezze d'onda
diverse, cioè è policromatica. Tali lunghezze d'onda dipendono sia dal
tipo di metallo del disco anodico sia, soprattutto, dalla tensione di
funzionamento: quanto più la tensione è alta, tanto più breve è la
lunghezza d'onda dei raggi X (radiazione più dura, più penetrante),
mentre operando a tensione più bassa si avranno raggi X molli meno
penetranti. Inoltre, aumentando la corrente aumenta proporzionalmente
l'intensità della radiazione emessa e il numero di elettroni attratti verso
l'anodo. L'operatore deve quindi regolare questi parametri a seconda
delle necessità.
X: raggi X
K: catodo
A: anodo
-: elettroni
Quando il filamento del catodo (polo negativo) viene fatto riscaldare da una
corrente elettrica, esso emette un fascio di elettroni. Questa nube elettronica
viene accelerata dal'alta tensione che spinge gli elettroni verso l'anodo (polo
positivo) formato dal disco di metallo pesante, quali il tungsteno. L'impatto
degli elettroni contro il disco metallico genera la conversione dell'energia
cinetica degli elettroni in movimento in energia termica (sotto forma di
calore) per il 99% e raggi X per l'1%. Infatti quando gli elettroni passano
attraverso i grossi atomi di tungsteno perdono una parte dell'energia, una
parte della quale viene rilasciata sotto forma di fotoni con lunghezza d'onda
dei raggi X.
• COME SONO STATI SFRUTTATI IN MEDICINA?
Subito i medici cominciarono ad interessarsi ai raggi X per il potere che
avevano di attraversare la materia ( e quindi il nostro corpo) ed
impressionare una pellicola sensibile. Un po’ come succede nella fotografia,
solo che nella fotografia viene utilizzato una pellicola sensibile alla luce
visibile, mentre in radiologia viene utilizzata una pellicola sensibile alla
luce della lunghezza d'onda dei raggi X.
I raggi vengono attenuati dalle sostanza dense, costituite a atomi con
grosso numero atomico (es. i metalli,l'osso, i denti, ecc.) ed invece
attraversano facilmente le sostanze poco dense, sostituite da atomi a basso
numero atomico (es. plastica, acqua, pelle, tessuti molli).
Riguardo al nostro corpo ciò si traduce nel seguente modo:
- le ossa tendono a bloccare i raggi X. Quindi i raggi in corrispondenza
delle ossa arriveranno in poca quantità alla pellicola. Così che sarà poco
impressionata. Le ossa perciò appariranno bianche nella radiografia
- la pelle invece fa passare facilmente i raggi X. Così molti raggi X
arriveranno alla pellicola che sarà "bruciata" dai raggi X. In
corrispondenza della pelle la pellicola apparirà scura.
Da ciò si comprende che l'utilizzo dei raggi X è sopratutto per la
valutazione dei tessuti duri del corpo umano: le ossa e i denti. Invece
hanno scarsa capacità di mettere in evidenza i tessuti molli.
ESECUZIONE
DELL’ESPERIENZA
La scoperta di tali raggi fu casuale. Roentgen durante i suoi
esperimenti era solito annotare le sue osservazioni e le modifiche
effettuate all'apparato sperimentale su un quaderno per appunti,
utilizzando come segnalibro per questo la chiave di un cassetto
della scrivania. Un giorno, nella primavera del 1895, aveva
distrattamente appoggiato il quaderno con la chiave su alcune
lastre fotografiche mentre effettuava degli esperimenti con i raggi
catodici. Dopo aver fatto qualche esperimento, era sceso nel piccolo
cortile dell'Istituto a fotografare fiori. Il giorno seguente trovò tra le
fotografie dei fiori che aveva sviluppato una foto che raffigurava la
chiave della sua scrivania. Cercò per lungo tempo di spiegare
questo fatto ma non vi riusci. Nell'autunno dello stesso anno esegui
un esperimento con un tubo di Crookes che era stato accuratamente
ricoperto con un foglio di stagno e un cartone nero in modo che le
radiazioni emesse non uscissero. Nella stanza completamente buia
osservò una luce verde proveniente da un pezzo di cartone
ricoperto da una sostanza luminescente se colpita da luce.
OSSERVAZIONI
La stanza in cui osservò questo era buia e Röntgen non capiva quale fosse la
sorgente luminosa responsabile di quella luminescenza intuì però che doveva
essere in rapporto all'esperimento che stava facendo poichè la luminescenza
scompariva o appariva a seconda se nel tubo a vuoto veniva o meno fatta passare
corrente. Fece cosi due ipotesi: o si trattava di raggi catodici "speciali" poiché
dotati di un forte potere di penetrazione, oppure doveva trattarsi di una nuova
specie di raggi responsabili anche di avere impressionato la lastra fotografica.
Röntgen ripeté l'esperimento numerose volte successivamente e arrivò alla
conclusione che doveva trattarsi di raggi nuovi originatisi forse dall'interazione
dei raggi catodici con le pareti del vetro del tubo a vuoto. Poiché questi raggi
erano sconosciuti li chiamò raggi X poiché come disse successivamente " Non
avevo idea di cosa fossero quei raggi perciò li chiamai raggi X, essendo X il
simbolo di una grandezza incognita." Questi raggi dovevano avere proprietà
particolari e per questo cercò per prima cosa di stabilire "quanto" quei raggi
fossero penetranti. Inizialmente pose tra il tubo e la lastra vari oggetti di diverso
spessore: un mazzo di carte, una grossa gomma. I raggi sembravano oltrepassare
tutti questi fino a che non mise una scatoletta di pesi di piombo e sulla lastra
fotografica comparve chiaramente la loro sagoma. Quasi istintivamente Röntgen
mise la propria mano davanti ai raggi e si accorse che sullo schermo si
delineavano nitidi il carpo, i metacarpi, le falangi: ciò significava che i raggi X
attraversavano i tessuti molli ma non le ossa, più dense.
CONCLUSIONI
Röntgen intuì cosi l'importante uso che si poteva fare dei raggi X
nella diagnosi medica. Già a partire dal 1896 infatti i raggi X
vennero utilizzati in medicina per individuare le fratture ossee. La
prima radiografia della storia fu effettuata da Röntgen che
immortalò la mano sinistra della moglie Anna Bertha: la radiografia
rappresentava una mano femminile con la vera all'anulare. Questa
mano fece il giro del mondo poiché Röntgen inviò questa
radiografia assieme ad una breve relazione alla società fisico medica
di Wurzburg e a tutti i più noti scienziati del periodo. Si pensò
anche di utilizzare tali raggi per irradiare tumori della pelle, il
primo esperimento in questo senso venne effettuato da Freund nel
1897 ma apparve presto chiaro che per questo scopo erano necessari
raggi X più energetici. Per questa scoperta Röntgen ricevette
importanti riconoscimenti e il premio Nobel nel 1901.