Les rayons X: Introduction, Propriétés, Production.

Introduction

Les rayons X furent découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen en Allemagne. Il les nomma ainsi du fait de leur nature encore inconnue (« X » désignant l’inconnu en mathématiques).

Il reçut d’ailleurs le premier prix Nobel de physique en 1901, pour cette découverte.

Les rayons X

Propriétés : Qu’est-ce qu’un rayon X ?

Les rayons X sont des radiations électromagnétiques, au même titre que la lumière visible, l’ultra-violet, l’infrarouge, les micro-ondes, les ondes radio ou les rayons gamma.

Les rayons X et gamma sont très proches, ils ont la même nature (ils sont constitués de photons), et sont d’ailleurs tous deux utilisés en radiothérapie.

On peut les différencier par leur longueur d’onde et leur fréquence :

Pour les rayons X : de l’ordre de 10^-11 m à 10^-8 m pour la longueur d’onde et de l’ordre de  30 PHz à 30 EHz.

Pour les rayons gamma : < à 5x10^-12 m  pour la longueur d’onde et de l’ordre de X et  < à 30 EHz pour les rayons gamma).

Ce qui différencie les rayons gamma et rayons X est enfaite la « localisation » de l’émission

de ce rayon, si le rayon provient du cortège électronique il sera qualifié de rayon X.

Au contraire s’il provient du noyau de l’atome il sera qualifié alors de rayon gamma.

L’ensemble des radiations électromagnétiques a fondamentalement une nature commune.

Ce qui les distingue dans leur interaction avec la matière est le paramètre qui caractérise chacune : la longueur d’onde λ ou l’énergie du photon E. Un photon est une particule de masse nulle, non chargée, se déplaçant à la vitesse de la lumière et transportant une quantité d’énergie E déterminée.

A un rayon X de fréquence f (donc de longueur d’onde dans le vide λ=c/f donc f= c/λ  ),

on associe un photon d’énergie : 

E=h×f=h×C/λ

h correspond à la Constante universelle de Planck (h = 6,626.10-34 J.s),

λ est en mètre, E en joule, f en Hz et c en m/s.

Variation de l’absorption en fonction de la longueur d’onde λ 

Plus la longueur d’onde λ du rayonnement est faible (donc que la fréquence est grande ) plus le rayonnement est pénétrant : rayonnement dur contrairement au rayonnement mou, de grande longueur d’onde λ (donc de fréquence faible), qui est très fortement absorbé.

Variation de l’absorption en fonction de la nature de l’élément 

Pour un faisceau de rayons X de longueur d’onde λ des atomes lourds seront plus absorbants que des atomes légers (qui ont un petit numéro atomique Z donc un petit nombre d’électrons). Par exemple, l’absorption par l’air ou par les chairs du corps humain est faible tandis que l’absorption par les os est plus importante.

Plus l'épaisseur et la densité du corps traversé sont importantes, plus le rayon est atténué.

Production : Comment en produire ?

Les rayons X sont produits dans des tubes à rayons X également appelés tubes de Coolidge ou tubes à cathode chaude (cf photographie ci-dessous). Le principe est le suivant : des électrons émis par une cathode (un filament, le plus souvent en tungstène, chauffé par le passage d'un courant électrique) sont accélérés par une différence de potentiel élevée (de 10 à 150 kV) en direction d'une cible constituée d'une anode en métal (en tungstène également). Les rayons X sont émis par la cible selon deux mécanismes :

 -  le freinage des électrons par les atomes de la cible crée un rayonnement continu (rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung) dont une partie dans le domaine des rayons X.

-  les électrons accélérés ont une énergie suffisante pour exciter certains des atomes de la cible, en perturbant leurs couches électroniques internes. Ces atomes excités émettent des rayons X en retournant à leur état fondamental.

Une faible portion, 1% environ de l'énergie cinétique perdue par les électrons est rayonnée sous forme de rayons X, les 99 % restants sont convertis en énergie thermique.

Tube à rayons X à cathode chaude.

William David Coolidge, physicien américain, invente le tube qui porte son nom en 1913. L'innovation principale est l'utilisation du tungstène pour le filament, les tubes permettent des progrès majeurs en radiologie. Les tubes actuels sont des améliorations du modèle original de Coolidge.

Les rayons X et gammas sont dit « ionisants » du fait de leur aptitude à arracher des électrons aux atomes, c’est cet effet qui est utilisé en radiothérapie afin de traiter différents cancers.

Mais attention l’utilisation de tels rayons n’est pas sans risque. Des précautions sont nécessaires et des effets secondaires non désirés peuvent apparaître chez les patients bénéficiant d’un tel traitement, ces effets seront précisés dans les parties suivantes :

Les dangers des rayons X et Les effets secondaires de la radiothérapie.