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X, rayons, rayonnement électromagnétique pénétrant, dont la longueur d'onde est dix mille fois plus petite que celle de la lumière. Les rayonsX 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 «!rayonsX!» à cause de leur nature inconnue. Par la suite, on les nomma rayons de Röntgen en son honneur. Nature des rayonsX Les rayonsX sont un rayonnement de type électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 10nm et 0,001nm (1nm, ou nanomètre vaut 10-6mm. Plus la longueur d'onde du rayonX 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 rayonsX mous. Les rayons de longueur d'onde plus courte, proches de la plage des rayons gamma, voire débordants sur cette plage, sont appelés rayonsX durs (Radioactivité). Les rayonsX composés d'un mélange de nombreuses longueurs d'ondes sont connus sous le nom de rayonsX «!blancs!», par opposition aux rayonsX «!monochromatiques!», qui présentent une seule longueur d'onde. Les rayons lumineux aussi bien que les rayonsX 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 rayonsX, sont produits par des transitions d'énergie à l'intérieur des noyaux excités. Voir Atome. Des rayonsX 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 rayonsX en provoquant des modifications dans les atomes cibles. Les rayonsX 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 appellé rayonnement de freinage, ce qui signifie que les rayons sont «!freinés!», ou ralentis!; il est indépendant de la nature de la cible. Si les rayonsX émis traversent un spectromètre à rayonsX, certaines lignes distinctes se superposent au spectre continu. Ces raies, appelées rayonsX caractéristiques, représentent des longueurs d'ondes 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 rayonsX et leur donner une énergie au plus équivalente à la sienne, ou exciter des rayonsX dont l'énergie dépend de la nature de l'atome cible. Production des rayonsX Le premier tube à rayonsX 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 rayonsX. De tels tubes produisent seulement des rayonsX mous. Voir Ion!; Ionisation. On améliora rapidement le tube à rayonsX 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 rayonsX 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 rayonsX 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 rayonsX extrêmement durs, de longueur d'onde plus courte que les rayons gamma émis par des éléments naturellement radioactifs. Propriétés des rayonsX Les rayonsX affectent une émulsion photographique de la même manière que la lumière (voir Photographie (technique)). L'absorption des rayonsX 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 rayonsX de longueurs d'ondes données. Lorsque le corps humain est bombardé par des rayonsX, 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 rayonsX apparaissent presque toujours en clair dans une radiographie par neutrons. Fluorescence Les rayonsX provoquent également une fluorescence lorsqu'ils viennent frapper certains matériaux comme le platinocyanure de baryum et le sulfure de zinc. Si un écran recouvert d'un tel matériau fluorescent est substitué à un film photographique classique, la structure des objets opaques peut être observée directement. Cette technique est connue sous le nom de fluoroscopie. Ionisation Une autre caractéristique importante des rayonsX est leur pouvoir ionisant, qui dépend de leur longueur d'onde. La capacité des rayonsX monochromatiques à ioniser est directement proportionnelle à leur énergie. Cette propriété fournit une méthode de mesure de l'énergie des rayonsX. Lorsqu'ils traversent une chambre d'ionisation, ils produisent un courant électrique proportionnel à l'énergie du faisceau incident. Outre les chambres d'ionisation, des appareils plus sensibles, comme le compteur Geiger-Müller et le scintillomètre, peuvent mesurer l'énergie des rayonsX en se fondant sur l'ionisation. En outre, la trajectoire des rayonsX, en vertu de leur capacité à ioniser, peut être visualisée dans une chambre à bulles. Diffraction des rayonsX Les rayonsX peuvent être diffractés en passant au travers d'un cristal ou par réflexion (dispersion) à partir de ce cristal, parce que le cristal consiste en un treillis régulier d'atomes servant de réseau de diffraction fin. Les schémas d'interférence résultants peuvent être photographiés et analysés pour déterminer la longueur d'onde des rayonsX incidents ou les espaces entre les atomes du cristal, selon que ce facteur ou le premier est inconnu (voir Interférence). Les rayonsX peuvent également être diffractés par des réseaux gradués si leurs distances sont approximativement égales aux longueurs d'onde des rayons. Interaction avec la matière Il existe trois mécanismes d'absorption des rayonsX, qui démontrent tous trois la nature quantique du rayonnementX. Voir Quantique, théorie. Effet photoélectrique Lorsqu'un quantum de rayonnement, appelé photon, situé dans la plage des rayonsX du spectre électromagnétique, frappe un atome, il peut venir heurter un électron d'une couche interne et l'éjecter de l'atome. Si le photon transporte plus d'énergie que nécessaire pour éjecter l'électron, il va transmettre son énergie résiduelle à l'électron éjecté sous forme d'énergie cinétique. Ce phénomène, appelé effet photoélectrique, apparaît principalement au cours de l'absorption des rayonsX de faible énergie. Effet Compton L'effet Compton, découvert en 1923 par Arthur Compton, est une importante manifestation de l'absorption des rayonsX de longueur d'onde plus courte. Lorsqu'un photon à énergie élevée se heurte à un électron, les deux particules peuvent être défléchies dans des directions différentes de la trajectoire du rayonX incident. Le photon incident, ayant transféré une partie de son énergie à l'électron, émerge avec une longueur d'onde supérieure. Ces déflections, accompagnées par un changement de longueur d'onde, sont connues sous le nom de diffusion Compton. Production de paires Dans le troisième type d'absorption, particulièrement évident lorsque des éléments de poids atomique élevé sont irradiés par des rayonsX à énergie extrêmement élevée, pénétrant dans la couche électronique la plus interne, on observe la production de paires de particules complémentaires: un électron et un positron (électron chargé positivement). La production de paires est un exemple de conversion d'énergie en masse. Le photon requiert une énergie minimale de 1,2MeV pour produire la masse de la paire. Si le photon incident possède plus d'énergie qu'il n'est nécessaire pour produire une paire, l'énergie en excès est transmise à la paire d'électrons sous forme d'énergie cinétique. Les trajectoires des deux particules sont divergentes. Applications des rayonsX Le rayonnementX est particulièrement utilisé dans les domaines de la recherche scientifique, de l'industrie et de la médecine. Recherche L'étude des rayonsX a joué un rôle essentiel en physique théorique, en particulier dans le développement de la mécanique quantique. Les rayonsX ont permis aux physiciens de confimer expérimentalement les théories de la cristallographie. En utilisant des méthodes de diffraction des rayonsX, il est possible d'identifier des substances cristallines et de déterminer leur structure. Pratiquement toutes les connaissances actuelles dans ce domaine ont été découvertes ou vérifiées par examen aux rayonsX. Il est également possible d'appliquer des méthodes de diffraction des rayonsX à des substances réduites en poudre, non cristallines mais affichant une certaine régularité de structure moléculaire. Au moyen de telles méthodes, il est possible d'identifier des composants chimiques et de déterminer la taille de particules ultramicroscopiques. Les éléments chimiques et leurs isotopes peuvent être identifiés par la spectroscopie à rayonsX, qui détermine les longueurs d'onde des raies caractéristiques dans leurs spectres. Plusieurs éléments ont été découverts par analyse de leurs spectres de rayonsX. La microradiographie permet de produire des images à grain fin, qui peuvent être considérablement agrandies. Il est possible de combiner deux radiographies dans un projecteur pour produire une image tridimensionnelle appelée stéréoradiogramme. On utilise également la radiographie en couleur pour renforcer le détail des radiographies!; dans ce processus, des différences d'absorption des rayonsX par un spécimen sont qualifiées de couleurs différentes. Des informations très détaillées sont fournies par la microsonde électronique, qui utilise un faisceau d'électrons très précisément défini pour générer des rayonsX dans une zone de spécimen ne dépassant pas 1µm2. Industrie Outre les applications de recherche des rayonsX en physique, chimie, minéralogie, métallurgie et biologie, les rayonsX sont utilisés dans l'industrie comme outil de recherche et pour de nombreux processus de test. Ils sont précieux pour tester des moulages métalliques sans les détruire. Des images par rayonsX sur des plaques photographiques révèlent la présence de taches, mais l'inconvénient d'une telle inspection est que l'équipement de radiographie à énergie nécessairement très élevée est encombrant et onéreux. Dans certains cas, par conséquent, on les remplace par des radio-isotopes, qui émettent des rayons gamma très pénétrants. Ces sources d'isotopes peuvent être enchâssées dans des conteneurs relativement légers, compacts et blindés. En radiographie industrielle, les techniciens ont utilisé le cobalt60 et le césium137. Le thulium70 a été utilisé dans des projecteurs à isotopes petits et commodes pour certaines applications médicales et industrielles. De nombreux produits industriels subissent une inspection de routine au moyen de rayonsX, qui permet l'élimination des produits défectueux dès la production. La détection de gemmes fausses et de marchandises de contrebande lors des contrôles douaniers utilise aussi les rayonsX. On utilise des rayonsX ultradoux pour prouver l'authenticité d'œuvres d'art et pour restaurer des images. Médecine Les radiographies et la fluoroscopie sont très couramment utilisées en médecine comme outils de diagnostic. En radiothérapie, les rayons X sont utilisés pour traiter certaines affections, comme par exemple le cancer, en exposant des tumeurs aux rayons X. Voir Radiologie. La valeur des radiographies à des fins de diagnostic provient des propriétés pénétrantes des rayons X. Quelques années à peine après leur découverte, les rayons X ont été utilisés pour localiser des corps étrangers, des balles par exemple, à l'intérieur du corps humain. Avec l'amélioration des techniques d'examen par rayons X, la radiographie a révélé d'infimes altérations des tissus et de nombreux états pathologiques ont pu être diagnostiqués par ce moyen. Les rayons X ont fourni la plus importante méthode de diagnostic de la tuberculose lorsque cette maladie est déclarée. Les images des poumons étaient faciles à interpréter, car les espaces remplis d'air sont moins opaques aux rayons X que les tissus pulmonaires. Diverses autres cavités corporelles peuvent être remplies artificiellement avec des substances de contraste, plus ou moins opaques que les tissus environnants, de manière qu'un organe particulier apparaisse plus distinctement sur l'image. Le sulfate de baryum, très opaque aux rayons X, est utilisé pour radiographier le tractus gastro-intestinal. Certains composés opaques sont administrés par voie orale ou intraveineuse avant l'examen des reins ou de la vésicule biliaire. De telles teintures peuvent avoir des effets secondaires importants et ne devraient être employées qu'après une consultation minutieuse. L'utilisation du diagnostic par radiographie a diminué récemment par suite de la concurrence d'autres méthodes d'investigation parfois plus fiables et moins dangereuses (endoscopies, scanner, échographie, etc.). Un appareil de radiographie à rayons X offre des vues anatomiques claires de n'importe quelle partie du corps humain, y compris des tissus mous. L'appareil de tomograpie axiale informatisée (CAT ou CT) tourne de 180° autour du corps d'un patient, en émettant un faisceau de rayons X fin comme un pinceau en 160 points différents. Des cristaux placés face au faisceau recueillent ce dernier et enregistrent les taux d'absorption des diverses épaisseurs de tissus et d'os. Ces données sont ensuite retransmises à un ordinateur, qui les transforme en une image à l'écran. En utilisant le même dosage de rayonnement que celui de la machine à rayons X conventionnelle, il est possible de rendre environ cent fois plus claire tout une «!tranche!» du corps humain. Le scanner a été inventé dans les années 1970 par Godfrey Hounsfield, ingénieur en électronique britannique, et il devint d'usage courant vers 1979. Pour ce qui concerne les applications des radio-isotopes émettant des rayons gamma, voir Traceurs isotopiques. "X, rayons", Encyclopédie Microsoft(R) Encarta(R) 99. (c) 1993-1998 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.