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Un caso di serendipity? Rontgen e la scoperta dei raggi X

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Trento, 6 aprile 2020. – di Luigi Cozzolino

E' il novembre del 1895 è il giorno 9 di una serata piovosa quando la signora Rontgen, preoccupata, vide raffreddarsi la cena perché suo marito non saliva dal suo laboratorio sistemato al piano inferiore della casa.

Quella sera, infatti, Wilhelm Rontgen aveva osservato, nel suo laboratorio, un fenomeno sfuggito a molti suoi colleghi che utilizzavano da anni gli stessi strumenti, cioè i tubi catodici di Crookes usati come acceleratori di elettroni : lo studio degli elettroni accelerati da una tensione di una decina di migliaia di volt, siamo sull'ordine dei 20000 volt, producono una nuova radiazione molto penetrante quando colpiscono un anodo di tungsteno.

La nuova radiazione misteriosa, infatti, Rontgen la chiamò "raggi X" era elettricamente neutra (Fig.1 Prima radiografia della storia, mano sinistra della signora Roentgen).

Quindi, il ritardo nella cena, era ampiamente giustificato dal fatto che quella stessa sera una scoperta importantissima per l'intera umanità veniva alla luce.

Nei giorni seguenti la signora Roentgen, poté constatarlo di persona quando vide le ossa della propria mano sinistra, con l'anello che portava al dito, su una lastra fotografica sviluppata dal marito.

La prima domanda che ci dobbiamo porre, ma cosa sono i raggi X?

• Radiazioni Elettromagnetiche Ionizzanti, perché sono in grado di allontanare un elettrone dalla sua orbita, sono radiazioni ad elevata energia (lunghezza d'onda ≈10-8cm);

• prodotti da un tubo radiogeno, tubo di Crookes;

• in grado di attraversare i tessuti organici;

• in grado di impressionare una pellicola, uno schermo, di determinare una modificazione in un rivelatore.

Per capire i fenomeni che danno origine ai raggi X, dobbiamo soffermarci un attimo a considerare la struttura dell'atomo e sulle particelle che lo compongono.

Nella sua forma più nota, l'atomo è assimilato ad un piccolo sistema planetario in cui degli elettroni ruotano intorno ad un nucleo.

Nel nucleo esistono due tipi di particelle: i protoni, caricati positivamente, ed i neutroni senza carica elettrica.

Gli elettroni, che girano intorno, sono caricati negativamente e sono tanti quanti sono i protoni positivi nel nucleo.

L'atomo quindi è neutro, poiché le cariche elettriche positive nel nucleo sono tante quanti sono gli elettroni caricati negativamente e di pari intensità.

Questa rappresentazione dell'atomo è solo un esempio molto lontano, per i non addetti ai lavori, ed i fisici sanno bene che il comportamento di queste sue particelle nulla ha a che fare con i sistemi planetari.

Dobbiamo evidenziare che due sono le differenze fondamentali: la prima è, che contrariamente ai pianeti, gli elettroni possono occupare solo orbite ben precise e la seconda che il nucleo nulla ha a che fare con il nostro Sole.

I protoni del nucleo, che dovrebbero respingersi perché tutti caricati positivamente, in realtà se ne stanno tutti insieme, perché esiste una forza nucleare specialissima, detta "forza forte", che li tiene insieme.

Un miracolo della natura scoperto da Hideki Yukawa, fisico giapponese, la forza di coesione che tiene insieme protoni e neutroni, è sviluppata dai mesoni, particelle che muovendosi alla velocità della luce su, una distanza piccolissima, tra protoni e neutroni centinaia di milioni di miliardi di volte al secondo, trasforma il protone in neutrone e viceversa ecco la spiegazione di tale forza di coesione, perché quando il mesone, si ferma, per cosi dire, su un protone lo trasforma in neutrone e viceversa di qui l'enorme forza d coesione.

Non è' il caso di addentraci nei meandri della difficile fisica atomica, l'altra cosa che dobbiamo sapere per il nostro scopo di capire gli strumenti che vedremo, è che gli elettroni in certi casi possono saltare da un'orbita all'altra e facendo questo emettono dell'energia sotto forma di onde elettromagnetiche.

Semplificando molto, se gli elettroni più esterni saltano in giù emettono onde luminose, se a saltare in giù sono gli elettroni più interni emettono raggi X.

In altre parole più andiamo a sconvolgere l'atomo in profondità e più pericolose sono le radiazioni che gli facciamo emettere.

Addirittura se andiamo a sconvolgere il nucleo questo emette una enorme dose di radiazioni gamma, le più pericolose.

Ma come facciamo a sconvolgere l'atomo per ottenere la radiazione desiderate? Semplice, gli spariamo contro degli elettroni e, tanto piu violenti saranno questi elettroni tanto più' penetreranno nell'atomo.

Roentgen, in pratica, scopri che, se si bombarda con elettroni abbastanza veloci un metallo pesante, come il tungsteno che ha 74 protoni e 74 elettroni, 71 all'interno di un ampolla di vetro, tubo di Crookes, in cui è stato fatto il vuoto, da questo tungsteno escono dei raggi che da lui presero il nome di raggi Roentgen.
I raggi X sono prodotti principalmente, mediante il tubo di Crookes, attraverso due tipi di fenomeni: frenamento (radiazione generale o "Bremsstrahlung");

Cioè l'elettrone lanciato con velocità' verso l'atomo di tungsteno lo attraversa e durante questa fase subisce un rallentamento, tale rallentamento è la causa dell'emissione dei raggi X: radiazione caratteristica.

L'elettrone lanciato con velocità verso l'atomo di tungsteno va a colpire un altro elettrone che viene lanciato fuori dall'orbita, il posto lasciato libero da questo elettrone viene preso da un altro elettrone di un' altra orbita, in questa fase viene prodotto un raggio X;

Gli elettroni lanciati con forza contro l'anodo se sfiorano appena l'atomo lo fanno vibrare e questo produce calore, se colpiscono un elettrone esterno ne riceviamo un lampo di luce, se colpiscono un elettrone vicino al nucleo ne riceviamo un raggio X.

Se si vogliono far emettere raggi gamma dal nucleo, non è sufficiente colpirlo con un leggerissimo elettrone, ma va colpito con il più massiccio neutrone, che pesa mille volte di più' e che, essendo neutro, non viene respinto dai protoni.

Questo è' ciò che succede nelle centrali atomiche per generare energia elettrica e nelle bombe atomiche, ma questo è un altro discorso.

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