Que savons-nous des rayons X ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Au XIXe siècle, les radiations invisibles à l'œil humain, capables de traverser la chair et d'autres matériaux, paraissaient quelque chose de complètement fantastique. Aujourd'hui, les rayons X sont largement utilisés pour créer des images médicales, effectuer une radiothérapie, analyser des œuvres d'art et résoudre des problèmes d'énergie nucléaire.

Comment le rayonnement X a été découvert et comment il aide les gens - nous le découvrons avec le physicien Alexander Nikolaevich Dolgov.

La découverte des rayons X

À partir de la fin du XIXe siècle, la science a commencé à jouer un rôle fondamentalement nouveau dans la formation de l'image du monde. Il y a un siècle, les activités des scientifiques étaient de nature amateur et privée. Cependant, à la fin du XVIIIe siècle, à la suite de la révolution scientifique et technologique, la science s'est transformée en une activité systématique dans laquelle chaque découverte est devenue possible grâce à la contribution de nombreux spécialistes.

Des instituts de recherche, des revues scientifiques périodiques ont commencé à apparaître, une concurrence et une lutte ont éclaté pour la reconnaissance du droit d'auteur pour les réalisations scientifiques et les innovations techniques. Tous ces processus ont eu lieu dans l'Empire allemand, où à la fin du XIXe siècle, le Kaiser a encouragé les réalisations scientifiques qui ont accru le prestige du pays sur la scène mondiale.

L'un des scientifiques qui ont travaillé avec enthousiasme pendant cette période était le professeur de physique, recteur de l'Université de Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Le 8 novembre 1895, il resta tard au laboratoire, comme cela arrivait souvent, et décida de mener une étude expérimentale de la décharge électrique dans des tubes à vide en verre. Il assombrit la pièce et enveloppe l'un des tubes dans du papier noir opaque pour faciliter l'observation des phénomènes optiques qui accompagnent la décharge. À ma surprise

Roentgen a vu une bande de fluorescence sur un écran voisin recouvert de cristaux de cyanoplatinite de baryum. Il est peu probable qu'un scientifique puisse alors imaginer qu'il était à la veille de l'une des découvertes scientifiques les plus importantes de son temps. L'année prochaine, plus d'un millier de publications seront écrites sur les rayons X, les médecins mettront immédiatement l'invention en service, grâce à elle, la radioactivité sera découverte dans le futur et de nouvelles directions scientifiques apparaîtront.

Roentgen a consacré les semaines suivantes à étudier la nature de la lueur incompréhensible et a découvert que la fluorescence apparaissait chaque fois qu'il appliquait du courant au tube. Le tube était la source du rayonnement, et non une autre partie du circuit électrique. Ne sachant pas à quoi il faisait face, Roentgen a décidé de désigner ce phénomène par rayons X, ou rayons X. De plus, Roentgen a découvert que ce rayonnement peut pénétrer presque tous les objets à différentes profondeurs, en fonction de l'épaisseur de l'objet et de la densité de la substance.

Ainsi, un petit disque de plomb entre le tube à décharge et l'écran s'est avéré imperméable aux rayons X, et les os de la main projetaient une ombre plus foncée sur l'écran, entourée d'une ombre plus claire provenant des tissus mous. Bientôt, le scientifique découvrit que les rayons X provoquaient non seulement la lueur de l'écran recouvert de cyanoplatinite de baryum, mais également l'assombrissement des plaques photographiques (après développement) aux endroits où les rayons X tombaient sur l'émulsion photographique.

Au cours de ses expériences, Roentgen était convaincu d'avoir découvert des radiations inconnues de la science. Le 28 décembre 1895, il rendit compte des résultats de ses recherches dans un article « Sur un nouveau type de rayonnement » dans la revue Annals of Physics and Chemistry. Dans le même temps, il a envoyé aux scientifiques les photos de la main de sa femme, Anna Bertha Ludwig, qui est devenue plus tard célèbre.

Grâce au vieil ami de Roentgen, le physicien autrichien Franz Exner, les habitants de Vienne furent les premiers à voir ces photos le 5 janvier 1896 dans les pages du journal Die Presse. Dès le lendemain, l'information sur l'ouverture a été transmise au journal London Chronicle. Ainsi, la découverte de Roentgen a progressivement commencé à entrer dans la vie quotidienne des gens. L'application pratique a été trouvée presque immédiatement: le 20 janvier 1896, dans le New Hampshire, des médecins ont traité un homme avec un bras cassé en utilisant une nouvelle méthode de diagnostic - une radiographie.

Utilisation précoce des rayons X

Au cours de plusieurs années, les images radiographiques ont commencé à être activement utilisées pour des opérations plus précises. Déjà 14 jours après leur ouverture, Friedrich Otto Valkhoff a réalisé la première radiographie dentaire. Et après cela, avec Fritz Giesel, ils ont fondé le premier laboratoire de radiographie dentaire au monde.

En 1900, 5 ans après sa découverte, l'utilisation des rayons X dans le diagnostic était considérée comme faisant partie intégrante de la pratique médicale.

Les statistiques compilées par le plus ancien hôpital de Pennsylvanie peuvent être considérées comme révélatrices de la propagation des technologies basées sur les rayons X. Selon elle, en 1900, environ 1 à 2 % seulement des patients recevaient de l'aide avec des rayons X, alors qu'en 1925, ils étaient déjà 25 %.

Les rayons X étaient utilisés d'une manière très inhabituelle à l'époque. Par exemple, ils ont été utilisés pour fournir des services d'épilation. Pendant longtemps, cette méthode a été considérée comme préférable par rapport aux plus douloureuses - forceps ou cire. De plus, les rayons X ont été utilisés dans des appareils d'essayage de chaussures - des fluoroscopes d'essayage (pédoscopes). Il s'agissait d'appareils à rayons X avec une encoche spéciale pour les pieds, ainsi que des fenêtres à travers lesquelles le client et les vendeurs pouvaient évaluer comment les chaussures s'asseyaient.

L'utilisation précoce de l'imagerie par rayons X dans une perspective de sécurité moderne soulève de nombreuses questions. Le problème était qu'au moment de la découverte des rayons X, on ne savait pratiquement rien sur les rayonnements et leurs conséquences, c'est pourquoi les pionniers qui ont utilisé la nouvelle invention ont fait face à ses effets nocifs dans leur propre expérience. est devenu un phénomène de masse au tournant du XIXe siècle, au XXe siècle, et les gens ont progressivement commencé à prendre conscience des dangers de l'utilisation insensée des rayons X.

La nature des rayons X

Le rayonnement X est un rayonnement électromagnétique avec des énergies de photons de ~ 100 eV à 250 keV, qui se situe sur l'échelle des ondes électromagnétiques entre le rayonnement ultraviolet et le rayonnement gamma. Il fait partie du rayonnement naturel qui se produit dans les radio-isotopes lorsque les atomes des éléments sont excités par un flux d'électrons, de particules alpha ou de quanta gamma, dans lequel les électrons sont éjectés des couches électroniques de l'atome. Le rayonnement X se produit lorsque des particules chargées se déplacent avec accélération, en particulier lorsque les électrons sont décélérés, dans le champ électrique des atomes d'une substance.

On distingue les rayons X mous et durs, dont la limite conditionnelle sur l'échelle de longueur d'onde est d'environ 0,2 nm, ce qui correspond à une énergie photonique d'environ 6 keV. Le rayonnement X est à la fois pénétrant, en raison de sa courte longueur d'onde, et ionisant, car lorsqu'il traverse une substance, il interagit avec les électrons, les éliminant des atomes, les brisant ainsi en ions et en électrons et modifiant la structure de la substance sur laquelle il agit.

Les rayons X font briller un composé chimique appelé fluorescence. L'irradiation des atomes de l'échantillon avec des photons de haute énergie provoque l'émission d'électrons - ils quittent l'atome. Dans une ou plusieurs orbitales électroniques, des "trous" se forment - des lacunes, à cause desquelles les atomes entrent dans un état excité, c'est-à-dire qu'ils deviennent instables. Des millionièmes de seconde plus tard, les atomes reviennent à un état stable, lorsque les lacunes dans les orbitales internes sont remplies d'électrons provenant des orbitales externes.

Cette transition s'accompagne de l'émission d'énergie sous la forme d'un photon secondaire, d'où la fluorescence apparaît.

Astronomie aux rayons X

Sur Terre, on rencontre rarement des rayons X, mais on en trouve assez souvent dans l'espace. Là, il se produit naturellement en raison de l'activité de nombreux objets spatiaux. Cela a rendu possible l'astronomie aux rayons X. L'énergie des photons à rayons X est beaucoup plus élevée que celle des photons optiques, par conséquent, dans la gamme des rayons X, il émet une substance chauffée à des températures extrêmement élevées.

Ces sources cosmiques de rayonnement X ne constituent pas pour nous une partie notable du rayonnement de fond naturel et ne menacent donc en aucune façon les gens. La seule exception peut être une source de rayonnement électromagnétique dur comme une explosion de supernova, qui s'est produite assez près du système solaire.

Comment créer des rayons X artificiellement ?

Les appareils à rayons X sont encore largement utilisés pour l'introscopie non destructive (images radiographiques en médecine, détection de défauts en technologie). Leur composant principal est un tube à rayons X, qui se compose d'une cathode et d'une anode. Les électrodes du tube sont connectées à une source de haute tension, généralement des dizaines voire des centaines de milliers de volts. Lorsqu'elle est chauffée, la cathode émet des électrons, qui sont accélérés par le champ électrique généré entre la cathode et l'anode.

En entrant en collision avec l'anode, les électrons sont décélérés et perdent la majeure partie de leur énergie. Dans ce cas, un rayonnement de bremsstrahlung de la gamme des rayons X apparaît, mais la partie prédominante de l'énergie électronique est convertie en chaleur, de sorte que l'anode est refroidie.

Le tube à rayons X à action constante ou pulsée reste la source de rayonnement X la plus répandue, mais il est loin d'être la seule. Pour obtenir des impulsions de rayonnement de haute intensité, des décharges à courant élevé sont utilisées, dans lesquelles le canal plasma du courant circulant est comprimé par son propre champ magnétique du courant - ce que l'on appelle le pincement.

Si la décharge a lieu dans un milieu d'éléments légers, par exemple, dans un milieu hydrogène, alors elle joue le rôle d'un accélérateur efficace d'électrons par le champ électrique apparaissant dans la décharge elle-même. Cette décharge peut dépasser de manière significative le champ généré par une source de courant externe. De cette manière, des impulsions de rayonnement X dur avec une énergie élevée de quanta générés (des centaines de kiloélectronvolts), qui ont un pouvoir de pénétration élevé, sont obtenues.

Pour obtenir des rayons X dans une large gamme spectrale, des accélérateurs d'électrons - synchrotrons sont utilisés. Dans ceux-ci, le rayonnement est formé à l'intérieur d'une chambre à vide annulaire, dans laquelle un faisceau d'électrons à haute énergie étroitement dirigé, accéléré presque à la vitesse de la lumière, se déplace sur une orbite circulaire. Lors de la rotation, sous l'influence d'un champ magnétique, les électrons volants émettent des faisceaux de photons tangentiellement à l'orbite dans un large spectre, dont le maximum se situe dans le domaine des rayons X.

Comment les rayons X sont détectés

Pendant longtemps, une fine couche de phosphore ou d'émulsion photographique appliquée à la surface d'une plaque de verre ou d'un film polymère transparent a été utilisée pour détecter et mesurer le rayonnement X. Le premier brillait dans le domaine optique du spectre sous l'action du rayonnement X, tandis que la transparence optique du revêtement changeait dans le film sous l'action d'une réaction chimique.

À l'heure actuelle, les détecteurs électroniques sont le plus souvent utilisés pour enregistrer le rayonnement X - des dispositifs qui génèrent une impulsion électrique lorsqu'un quantum de rayonnement est absorbé dans le volume sensible du détecteur. Ils diffèrent par le principe de conversion de l'énergie du rayonnement absorbé en signaux électriques.

Les détecteurs de rayons X à enregistrement électronique peuvent être divisés en ionisation, dont l'action est basée sur l'ionisation d'une substance, et radioluminescent, y compris la scintillation, utilisant la luminescence d'une substance sous l'action d'un rayonnement ionisant. Les détecteurs à ionisation, à leur tour, sont divisés en gaz remplis et semi-conducteurs, en fonction du milieu de détection.

Les principaux types de détecteurs à gaz sont les chambres d'ionisation, les compteurs Geiger (compteurs Geiger-Muller) et les compteurs proportionnels à décharge de gaz. Les quanta de rayonnement entrant dans l'environnement de travail du compteur provoquent l'ionisation du gaz et le flux de courant, qui est enregistré. Dans un détecteur à semi-conducteur, des paires électron-trou se forment sous l'action de quanta de rayonnement, qui permettent également à un courant électrique de circuler dans le corps du détecteur.

Le composant principal des compteurs à scintillation dans un dispositif à vide est un tube photomultiplicateur (PMT), qui utilise l'effet photoélectrique pour convertir le rayonnement en un flux de particules chargées et le phénomène d'émission d'électrons secondaires pour améliorer le courant des particules chargées générées. Le photomultiplicateur a une photocathode et un système d'électrodes accélératrices séquentielles - des dynodes, lors de l'impact sur lesquelles les électrons accélérés se multiplient.

Le multiplicateur d'électrons secondaire est un dispositif à vide ouvert (fonctionne uniquement dans des conditions de vide), dans lequel le rayonnement de rayons X à l'entrée est converti en un flux d'électrons primaires, puis amplifié en raison de l'émission secondaire d'électrons lorsqu'ils se propagent dans le canal multiplicateur.

Les plaques à microcanaux, qui sont un grand nombre de canaux microscopiques séparés qui pénètrent dans le détecteur de plaques, fonctionnent selon le même principe. Ils peuvent en outre fournir une résolution spatiale et la formation d'une image optique de la section efficace du flux incident sur le détecteur de rayonnement X en bombardant le flux d'électrons sortant d'un écran semi-transparent avec un phosphore déposé dessus.

Les rayons X en médecine

La capacité des rayons X à briller à travers des objets matériels donne non seulement aux gens la possibilité de créer des rayons X simples, mais ouvre également des possibilités pour des outils de diagnostic plus avancés. Par exemple, il est au cœur de la tomodensitométrie (TDM).

La source et le récepteur de rayons X tournent à l'intérieur de l'anneau dans lequel repose le patient. Les données obtenues sur la façon dont les tissus du corps absorbent les rayons X sont reconstruites par un ordinateur en une image 3D. La tomodensitométrie est particulièrement importante pour diagnostiquer l'AVC, et bien qu'elle soit moins précise que l'imagerie par résonance magnétique du cerveau, elle prend beaucoup moins de temps.

Une direction relativement nouvelle, qui se développe actuellement en microbiologie et en médecine, est l'utilisation des rayons X mous. Lorsqu'un organisme vivant est translucide, il permet d'obtenir une image des vaisseaux sanguins, d'étudier en détail la structure des tissus mous, voire de réaliser des études microbiologiques au niveau cellulaire.

Un microscope à rayons X utilisant le rayonnement d'une décharge de type pincement dans le plasma d'éléments lourds permet de voir de tels détails de la structure d'une cellule vivante,qui ne peut pas être vu par un microscope électronique, même dans une structure cellulaire spécialement préparée.

L'un des types de radiothérapie utilisé pour traiter les tumeurs malignes utilise les rayons X durs, ce qui devient possible grâce à son effet ionisant, qui détruit le tissu d'un objet biologique. Dans ce cas, un accélérateur d'électrons est utilisé comme source de rayonnement.

La radiographie en technologie

Les rayons X mous sont utilisés dans les recherches visant à résoudre le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée. Pour démarrer le processus, vous devez créer une onde de choc de recul en irradiant une petite cible de deutérium et de tritium avec des rayons X mous provenant d'une décharge électrique et en chauffant instantanément la coque de cette cible à un état de plasma.

Cette onde comprime le matériau cible à une densité des milliers de fois supérieure à la densité d'un solide et le chauffe jusqu'à une température thermonucléaire. La libération de l'énergie de fusion thermonucléaire se produit en peu de temps, tandis que le plasma chaud se diffuse par inertie.

La capacité de translucide rend possible la radiographie - une technique d'imagerie qui vous permet d'afficher la structure interne d'un objet opaque en métal, par exemple. Il est impossible de déterminer à l'œil nu si les structures du pont ont été solidement soudées, si le joint du gazoduc est étanche à l'air et si les rails s'emboîtent étroitement les uns aux autres.

Par conséquent, dans l'industrie, les rayons X sont utilisés pour la détection des défauts - surveillant la fiabilité des principales propriétés et paramètres de fonctionnement d'un objet ou de ses éléments individuels, ce qui ne nécessite pas de mettre l'objet hors service ou de le démonter.

La spectrométrie de fluorescence X est basée sur l'effet de fluorescence - une méthode d'analyse utilisée pour déterminer les concentrations d'éléments allant du béryllium à l'uranium dans la plage de 0,0001 à 100 % dans des substances d'origines diverses.

Lorsqu'un échantillon est irradié avec un puissant flux de rayonnement provenant d'un tube à rayons X, un rayonnement fluorescent caractéristique des atomes apparaît, qui est proportionnel à leur concentration dans l'échantillon. A l'heure actuelle, pratiquement tous les microscopes électroniques permettent de déterminer, sans aucune difficulté, la composition élémentaire détaillée des micro-objets étudiés par la méthode d'analyse par fluorescence X.

Les rayons X dans l'histoire de l'art

La capacité des rayons X à briller et à créer un effet de fluorescence est également utilisée pour étudier les peintures. Ce qui se cache sous la couche de finition peut en dire long sur l'histoire de la création de la toile. Par exemple, c'est dans le travail habile avec plusieurs couches de peinture qu'une image peut être trouvée unique dans le travail d'un artiste. Il est également important de prendre en compte la structure des couches de la peinture lors du choix des conditions de stockage les plus adaptées pour la toile.

Pour tout cela, le rayonnement X est indispensable, vous permettant de regarder sous les couches supérieures de l'image sans lui nuire.

Des développements importants dans cette direction sont de nouvelles méthodes spécialisées pour travailler avec des œuvres d'art. La fluorescence macroscopique est une variante de l'analyse par fluorescence X qui est bien adaptée pour visualiser la structure de distribution des éléments clés, principalement des métaux, présents dans des zones d'environ 0,5 à 1 mètre carré ou plus.

D'autre part, la laminographie aux rayons X, une variante de la tomodensitométrie à rayons X, plus adaptée à l'étude de surfaces planes, semble prometteuse pour obtenir des images de couches individuelles d'une image. Ces méthodes peuvent également être utilisées pour étudier la composition chimique de la couche de peinture. Cela permet de dater la toile, y compris afin d'identifier un faux.

Les rayons X permettent de connaître la structure d'une substance

La cristallographie aux rayons X est une direction scientifique associée à l'identification de la structure de la matière aux niveaux atomique et moléculaire. Une caractéristique distinctive des corps cristallins est une répétition ordonnée multiple dans la structure spatiale des mêmes éléments (cellules), consistant en un certain ensemble d'atomes, de molécules ou d'ions.

La principale méthode de recherche consiste à exposer un échantillon cristallin à un faisceau étroit de rayons X à l'aide d'une caméra à rayons X. La photographie résultante montre une image de rayons X diffractés traversant le cristal, à partir de laquelle les scientifiques peuvent ensuite afficher visuellement sa structure spatiale, appelée le réseau cristallin. Diverses façons de mettre en œuvre cette méthode sont appelées analyse structurelle aux rayons X.

L'analyse structurale aux rayons X des substances cristallines comprend deux étapes:

1. Détermination de la taille de la maille élémentaire du cristal, du nombre de particules (atomes, molécules) dans la maille élémentaire et de la symétrie de l'arrangement des particules. Ces données sont obtenues en analysant la géométrie de l'emplacement des maxima de diffraction.
2. Calcul de la densité électronique à l'intérieur de la maille élémentaire et détermination des coordonnées atomiques, qui s'identifient à la position des maxima de densité électronique. Ces données sont obtenues en analysant l'intensité des maxima de diffraction.

Certains biologistes moléculaires prédisent qu'en imageant les molécules les plus grosses et les plus complexes, la cristallographie aux rayons X pourrait être remplacée par une nouvelle technique appelée microscopie électronique cryogénique.

L'un des outils les plus récents en analyse chimique était le scanner de film d'Henderson, qu'il a utilisé dans ses travaux de pionnier en microscopie électronique cryogénique. Cependant, cette méthode est encore assez coûteuse et il est donc peu probable qu'elle remplace complètement la cristallographie aux rayons X dans un proche avenir.

Un domaine de recherche et d'applications techniques relativement nouveau associé à l'utilisation des rayons X est la microscopie à rayons X. Il est conçu pour obtenir une image agrandie de l'objet étudié dans l'espace réel en deux ou trois dimensions à l'aide d'une optique de focalisation.

La limite de diffraction de la résolution spatiale en microscopie à rayons X due à la faible longueur d'onde du rayonnement utilisé est environ 1000 fois meilleure que la valeur correspondante pour un microscope optique. De plus, le pouvoir pénétrant du rayonnement X permet d'étudier la structure interne d'échantillons totalement opaques à la lumière visible.

Et bien que la microscopie électronique ait l'avantage d'une résolution spatiale légèrement supérieure, ce n'est pas une méthode d'investigation non destructive, puisqu'elle nécessite un vide et des échantillons à surfaces métalliques ou métallisées, ce qui est totalement destructeur, par exemple, pour les objets biologiques.