Producția razelor X
Există trei mecanisme comune de producere a razelor X: accelerarea unei particule încărcate, tranzițiile atomice între niveluri energetice discrete și dezintegrarea radioactivă a unor nuclee atomice. Fiecare mecanism conduce la un spectru caracteristic de radiații X.
În teoria electromagnetismului clasic, sarcinile electrice care se accelerează emit unde electromagnetice. În cea mai comună sursă terestră de raze X, tubul cu raze X, un fascicul de electroni de mare energie lovește o țintă solidă. Pe măsură ce electronii în mișcare rapidă din fascicul interacționează cu electronii și nucleele atomilor din țintă, aceștia sunt deviați și încetiniți în mod repetat. În timpul acestei decelerații bruște, electronii din fascicul emit bremsstrahlung (în germană: „radiație de frânare”) – un spectru continuu de radiații electromagnetice cu o intensitate maximă în regiunea razelor X. Cea mai mare parte a energiei radiate într-un tub cu raze X este conținută în acest spectru continuu. Surse mult mai puternice (și mult mai mari) ale unui continuum de raze X sunt acceleratoarele de particule sincrotronice și inelele de stocare. Într-un sincrotron, particulele încărcate (de obicei electroni sau pozitroni) sunt accelerate la energii foarte mari (de obicei, miliarde de electroni-volți) și apoi limitate pe o orbită închisă de magneți puternici. Atunci când particulele încărcate sunt deviate de câmpurile magnetice (și, prin urmare, accelerate prin schimbarea direcției de mișcare), ele emit așa-numita radiație de sincrotron – un continuum a cărui intensitate și distribuție de frecvență sunt determinate de intensitatea câmpurilor magnetice și de energia particulelor care circulă. Surse de lumină sincrotron special concepute sunt utilizate în întreaga lume pentru studii cu raze X ale materialelor.
Într-un tub cu raze X, pe lângă spectrul continuu de radiații emise de electronii în decelerare, există, de asemenea, un spectru de linii discrete de emisie de raze X care este caracteristic materialului țintă. Această „radiație caracteristică” rezultă din excitarea atomilor țintei prin coliziuni cu electronii care se deplasează rapid. Cel mai frecvent, o coliziune determină mai întâi ca un electron din învelișul interior strâns legat să fie expulzat din atom; un electron din învelișul exterior slab legat cade apoi în învelișul interior pentru a umple locul liber. În acest proces, un singur foton este emis de atom cu o energie egală cu diferența dintre starea vacantă din învelișul interior și cea din învelișul exterior. Această diferență de energie corespunde, de obicei, lungimilor de undă ale fotonilor din regiunea de raze X a spectrului. Radiația caracteristică de raze X poate fi, de asemenea, produsă de un material țintă atunci când acesta este expus la un fascicul primar de raze X. În acest caz, fotonii primari de raze X inițiază secvența de tranziții electronice care au ca rezultat emisia de fotoni secundari de raze X.
În 1913, fizicianul englez Henry Moseley a descoperit o relație simplă între lungimile de undă ale liniilor de emisie de raze X de la o țintă și numărul atomic al elementului țintă – lungimile de undă sunt invers proporționale cu pătratul numărului atomic. Cunoscută sub numele de legea lui Moseley, această relație s-a dovedit a fi un instrument definitiv în determinarea numerelor atomice în primele zile ale fizicii atomice. Tehnicile de fluorescență a razelor X, în care lungimile de undă ale razelor X caracteristice sunt înregistrate în urma excitării unei ținte, sunt acum utilizate în mod obișnuit pentru a identifica constituenții elementari ai materialelor.
Emisia de raze X este uneori un produs secundar al unei transformări nucleare. În procesul de captare a electronilor, un electron atomic din învelișul interior este capturat de nucleul atomic, inițiind transformarea unui proton nuclear într-un neutron și scăzând numărul atomic cu o unitate (vezi radioactivitate: Tipuri de radioactivitate). Orbita vacantă din învelișul interior este apoi umplută rapid de un electron din învelișul exterior, producând un foton de raze X caracteristic. Relaxarea unui nucleu excitat la o stare de energie mai mică duce, de asemenea, uneori, la emiterea unui foton de raze X. Cu toate acestea, fotonii emiși în majoritatea tranzițiilor nucleare de acest tip au o energie chiar mai mare decât cea a razelor X – ei se încadrează în regiunea razelor gamma a spectrului electromagnetic.
Multe surse astronomice de raze X au fost descoperite în ultimii 50 de ani; împreună, ele reprezintă o resursă bogată de informații despre univers (vezi Surse de raze X). Razele X sunt emise de coroana fierbinte a Soarelui (atmosfera exterioară) și de coroanele altor stele obișnuite din galaxia Calea Lactee. Multe sisteme stelare binare emit raze X abundente; cele mai puternice astfel de surse produc, numai în regiunea de raze X, de peste 1.000 de ori mai mult decât întreaga energie emisă de Soare. Rămășițele de supernove sunt, de asemenea, surse puternice de raze X, care sunt uneori asociate cu radiații sincrotronice produse de particule încărcate de mare energie care circulă în câmpuri magnetice intense și, alteori, cu emisii atomice provenite de la gaze extrem de fierbinți (de ordinul a 10 milioane de kelvins). Puternicele surse extragalactice de raze X, inclusiv galaxiile active, quasarii și roiurile galactice, fac în prezent obiectul unei examinări științifice intense; în unele cazuri, mecanismele exacte de producere a razelor X sunt încă incerte sau necunoscute. Deoarece atmosfera Pământului absoarbe puternic razele X, observațiile astronomice în regiunea razelor X trebuie să se facă de pe sateliți pe orbită. Lansarea Observatorului Chandra X-Ray Observatory în 1999 a avansat foarte mult capacitățile de observare a astronomiei cu raze X (vezi telescop: telescoape cu raze X).
.