Produzione dei raggi X
Ci sono tre meccanismi comuni per la produzione di raggi X: l’accelerazione di una particella carica, le transizioni atomiche tra livelli energetici discreti, e il decadimento radioattivo di alcuni nuclei atomici. Ogni meccanismo porta ad uno spettro caratteristico di radiazione di raggi X.
Nella teoria dell’elettromagnetismo classico, le cariche elettriche in accelerazione emettono onde elettromagnetiche. Nella fonte terrestre più comune di raggi X, il tubo a raggi X, un fascio di elettroni ad alta energia impatta su un bersaglio solido. Quando gli elettroni che si muovono velocemente nel fascio interagiscono con gli elettroni e i nuclei degli atomi del bersaglio, vengono ripetutamente deviati e rallentati. Durante questa brusca decelerazione, gli elettroni del fascio emettono bremsstrahlung (in tedesco: “radiazione frenante”) – uno spettro continuo di radiazione elettromagnetica con un picco di intensità nella regione dei raggi X. La maggior parte dell’energia irradiata in un tubo a raggi X è contenuta in questo spettro continuo. Sorgenti molto più potenti (e molto più grandi) di un continuum di raggi X sono gli acceleratori di particelle di sincrotrone e gli anelli di accumulazione. In un sincrotrone, le particelle cariche (di solito elettroni o positroni) sono accelerate ad energie molto alte (in genere miliardi di elettronvolt) e poi confinate in un’orbita chiusa da forti magneti. Quando le particelle cariche vengono deviate dai campi magnetici (e quindi accelerate attraverso il cambiamento della loro direzione di movimento), emettono la cosiddetta radiazione di sincrotrone, un continuum la cui intensità e distribuzione di frequenza sono determinate dalla forza dei campi magnetici e dall’energia delle particelle in circolazione. Sorgenti di luce di sincrotrone appositamente progettate sono utilizzate in tutto il mondo per gli studi sui raggi X dei materiali.
In un tubo a raggi X, oltre allo spettro continuo della radiazione emessa dagli elettroni che decelerano, c’è anche uno spettro di linee discrete di emissione di raggi X che è caratteristico del materiale bersaglio. Questa “radiazione caratteristica” deriva dall’eccitazione degli atomi del bersaglio mediante collisioni con gli elettroni in rapido movimento. Più comunemente, una collisione causa prima l’espulsione dall’atomo di un elettrone di guscio interno strettamente legato; un elettrone di guscio esterno debolmente legato cade poi nel guscio interno per riempire il vuoto. Nel processo, un singolo fotone viene emesso dall’atomo con un’energia uguale alla differenza tra gli stati di vuoto del guscio interno e del guscio esterno. Questa differenza di energia di solito corrisponde alle lunghezze d’onda dei fotoni nella regione dei raggi X dello spettro. La radiazione caratteristica dei raggi X può anche essere prodotta da un materiale bersaglio quando è esposto a un fascio di raggi X primari. In questo caso, i fotoni di raggi X primari danno inizio alla sequenza di transizioni elettroniche che portano all’emissione di fotoni di raggi X secondari.
Nel 1913 il fisico inglese Henry Moseley scoprì una semplice relazione tra le lunghezze d’onda delle linee di emissione dei raggi X da un bersaglio e il numero atomico dell’elemento bersaglio: le lunghezze d’onda sono inversamente proporzionali al quadrato del numero atomico. Conosciuta come legge di Moseley, questa relazione si è rivelata uno strumento definitivo nella determinazione dei numeri atomici nei primi giorni della fisica atomica. Le tecniche di fluoresenza dei raggi X, in cui le lunghezze d’onda dei raggi X caratteristici sono registrate dopo l’eccitazione di un bersaglio, sono ora comunemente usate per identificare i costituenti elementari dei materiali.
L’emissione di raggi X è talvolta un sottoprodotto di una trasformazione nucleare. Nel processo di cattura degli elettroni, un elettrone atomico del guscio interno viene catturato dal nucleo atomico, iniziando la trasformazione di un protone nucleare in un neutrone e abbassando il numero atomico di una unità (vedi radioattività: Tipi di radioattività). L’orbita libera del guscio interno viene poi rapidamente riempita da un elettrone del guscio esterno, producendo un caratteristico fotone a raggi X. Anche il rilassamento di un nucleo eccitato in uno stato di energia inferiore a volte risulta nell’emissione di un fotone a raggi X. Tuttavia, i fotoni emessi nella maggior parte delle transizioni nucleari di questo tipo sono di energia ancora più alta dei raggi X – cadono nella regione dei raggi gamma dello spettro elettromagnetico.
Molte fonti astronomiche di raggi X sono state scoperte negli ultimi 50 anni; collettivamente sono una ricca risorsa di informazioni sull’universo (vedi fonti di raggi X). I raggi X sono emessi dalla corona calda del Sole (atmosfera esterna) e dalle corone di altre stelle ordinarie nella Via Lattea. Molti sistemi stellari binari emettono copiosi raggi X; le sorgenti più forti producono, nella sola regione dei raggi X, più di 1.000 volte l’intera produzione di energia del Sole. Anche i resti di supernova sono forti sorgenti di raggi X, che a volte sono associati alla radiazione di sincrotrone prodotta da particelle cariche ad alta energia che circolano in intensi campi magnetici e a volte con emissioni atomiche da gas estremamente caldi (nell’ordine di 10 milioni di kelvin). Potenti sorgenti extragalattiche di raggi X, comprese le galassie attive, i quasar e gli ammassi galattici, sono attualmente sotto intenso esame scientifico; in alcuni casi i meccanismi esatti della produzione di raggi X sono ancora incerti o sconosciuti. Poiché l’atmosfera terrestre assorbe fortemente i raggi X, le osservazioni astronomiche nella regione dei raggi X devono essere fatte da satelliti orbitanti. Il lancio del Chandra X-Ray Observatory nel 1999 ha fatto avanzare notevolmente le capacità osservative dell’astronomia a raggi X (vedi telescopio: telescopi a raggi X).