X, rayons

1

Présentation

X, rayons, rayonnement électromagnétique pénétrant, dont la longueur d'onde est dix mille fois plus petite que celle de la lumière.

Les rayons X ont été découverts par hasard en 1895 par Wilhelm Röntgen, qui étudiait les rayons cathodiques dans un tube à décharge gazeuse sous haute tension. Bien que ce tube fût enchâssé dans un boîtier de carton noir, Röntgen nota qu'un écran de platinocyanure de baryum, placé par hasard à proximité, émettait une lumière fluorescente lorsque le tube fonctionnait. Après avoir effectué d'autres expériences, il conclut que cette fluorescence était causée par un rayonnement invisible d'une nature plus pénétrante que le rayonnement ultraviolet (voir luminescence). Il baptisa les rayons invisibles « rayons X » à cause de leur nature inconnue. Par la suite, on les nomma rayons de Röntgen en son honneur.

2

Nature des rayons X

Les rayons X sont un rayonnement de type électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 10 nm et 0,001 nm (1 nm, ou nanomètre vaut 10^-6 mm. Plus la longueur d'onde du rayon X est courte, plus son énergie est élevée. Les rayons de longueur d'onde proches de la plage des ultraviolets dans le spectre électromagnétique, sont connus sous le nom de rayons X mous. Les rayons de longueur d'onde plus courte, proches de la plage des rayons gamma, voire débordants sur cette plage, sont appelés rayons X durs (Radioactivité). Les rayons X composés d'un mélange de nombreuses longueurs d'onde sont connus sous le nom de rayons X « blancs », par opposition aux rayons X « monochromatiques », qui présentent une seule longueur d'onde. Les rayons lumineux aussi bien que les rayons X sont produits par des changements d'orbite d'électrons provenant des couches électroniques internes des atomes. Le rayonnement lumineux est produit par les transitions d'électrons provenant des couches les plus externes. Les rayons gamma, semblables de par leurs effets aux rayons X, sont produits par des transitions d'énergie à l'intérieur des noyaux excités. Voir Atome.

Des rayons X sont produits lorsque des électrons à grande vitesse frappent un objet matériel. On bombarde généralement à cet effet une cible composée de tungstène, avec des électrons à vitesse élevée. La majeure partie de l'énergie des électrons se dissipe sous forme de chaleur. L'énergie restante produit des rayons X en provoquant des modifications dans les atomes cibles. Les rayons X émis ne peuvent avoir une énergie supérieure à l'énergie cinétique des électrons qui les produisent. En outre, le rayonnement émis n'est pas monochromatique mais composé d'une large gamme de longueurs d'onde, dont la limite inférieure correspond à l'énergie maximale des électrons de bombardement. Ce spectre continu est appelé rayonnement de freinage, ce qui signifie que les rayons sont « freinés », ou ralentis ; il est indépendant de la nature de la cible. Si les rayons X émis traversent un spectromètre à rayons X, certaines lignes distinctes se superposent au spectre continu. Ces raies, appelées rayons X caractéristiques, représentent des longueurs d'onde qui dépendent seulement de la structure des atomes cibles. En d'autres termes, un électron à vitesse rapide frappant la cible peut faire deux choses : exciter des rayons X et leur donner une énergie au plus équivalente à la sienne, ou exciter des rayons X dont l'énergie dépend de la nature de l'atome cible.

3

Production des rayons X

Le premier tube à rayons X fut le tube de Crookes, ampoule de verre contenant deux électrodes à l'intérieur de laquelle régnait un vide partiel. Son auteur est sir William Crookes. Lorsqu'un courant électrique traverse un tel tube, le gaz résiduel est ionisé et les ions positifs, frappant la cathode, en éjectent des électrons. Ces électrons, sous forme d'un faisceau de rayons cathodiques, bombardent les parois de verre du tube et produisent des rayons X. De tels tubes produisent seulement des rayons X mous. Voir Ion ; Ionisation.

On améliora rapidement le tube à rayons X en y introduisant une cathode incurvée pour focaliser le faisceau d'électrons sur une surface de métal lourd appelée anticathode, ou anode. Ce type de tube génère des rayons plus durs que ceux produits par le tube de Crookes original, mais le fonctionnement de tels tubes est irrégulier, parce que la production de rayons X dépend de la pression gazeuse à l'intérieur du tube.

C'est William Coolidge qui apporta la deuxième amélioration importante en 1913. Le tube de Coolidge comprend un filament chauffé et une cible disposés dans un vide poussé. Il est constitué essentiellement d'un tube à vide thermo-ionique dans lequel la cathode émet des électrons — parce qu'elle est chauffée par un courant auxiliaire et non parce qu'elle est frappée par des ions, comme dans les premiers types de tubes. Les électrons émis par la cathode chauffée sont accélérés par l'application d'une tension élevée aux bornes du tube. Tandis que la tension augmente, la longueur d'onde minimale du rayonnement diminue.

La plupart des tubes à rayons X en usage aujourd'hui sont des tubes de Coolidge modifiés. Les tubes plus grands et plus puissants possèdent des anodes refroidies à l'eau pour empêcher toute fusion sous l'impact du bombardement électrique. Le tube résistant aux chocs, très répandu, est un tube de Coolidge modifié avec enveloppe (film d'huile) à isolation renforcée et câbles électriques reliés à la terre. Des appareils comme le bêtatron sont utilisés pour produire des rayons X extrêmement durs, de longueur d'onde plus courte que les rayons gamma émis par des éléments naturellement radioactifs.

4

Propriétés des rayons X

Les rayons X affectent une émulsion photographique de la même manière que la lumière (voir Photographie (technique)). L'absorption des rayons X par une substance quelconque dépend de la densité de cette dernière ainsi que de son poids atomique. Plus le poids atomique du matériau est faible, plus ce matériau est transparent aux rayons X de longueurs d'onde données. Lorsque le corps humain est bombardé par des rayons X, les os, composés d'éléments de poids atomique supérieur à celui des tissus environnants, absorbent le rayonnement plus efficacement et, par conséquent, projettent des ombres plus sombres sur une plaque photographique. Des rayonnements consistant en des neutrons sont désormais utilisés dans certains types de radiographie et produisent des résultats presque opposés. Les objets projetant des ombres sombres sur une image à rayons X apparaissent presque toujours en clair dans une radiographie par neutrons.