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.