Razele X alcatuiesc radiatiile X, o forma de radiatii electromagnetice cu energie mare. Majoritatea razelor X au o lungime de unda cuprinsa intre 0,03 si 3 nanometri, ceea ce corespunde frecventelor cuprinse intre 30 petahertz si 30 exahertz (3 × 1016 Hz pana la 3 × 1019 Hz) si energii cuprinse intre 100 eV si 200 keV.

Lungimile de unda ale razelor X sunt mai scurte decat cele ale razelor UV si de obicei mai lungi decat cele ale razelor gamma. In multe limbi, radiatia X este denumita radiatie Röntgen, dupa omul de stiinta german Wilhelm Röntgen, care a descoperit-o la 8 Noiembrie 1895. El a numit-o radiatia X pentru a semnifica un tip de radiatie necunoscut la acea vreme. Ortografia radiografiei in limba engleza include variantele de radiografie (x), radiografie (s) si raze X.

Domenii de energie

Razele X slabe si puternice

Razele X cu energii mari de fotoni (peste 5–10 keV, sub 0,2–0,1 nm lungime de unda) se numesc raze X dure/puternice, in timp ce cele cu energie mai mica (si lungime de unda mai lunga) se numesc raze X slabe.

Datorita capacitatii lor de penetrare, razele X dure sunt utilizate pe scara larga pentru a imagina interiorul obiectelor, de exemplu, in radiografia medicala si securitatea aeroporturilor. Termenul de raze X este utilizat metonimic pentru a face referire la o imagine radiografica produsa folosind aceasta metoda, pe langa metoda in sine.

Deoarece lungimile de unda ale razelor X dure sunt similare cu dimensiunea atomilor, sunt utile si pentru determinarea structurilor cristaline prin cristalografia cu raze X. In schimb, razele X slabe sunt absorbite cu usurinta in aer; lungimea de atenuare a razelor X de 600 eV (~ 2 nm) in apa, este mai mica de 1 micrometru.

Raze gamma

Nu exista un consens pentru o definitie care sa distinga razele X si razele gamma. O practica obisnuita este sa se distinga intre cele doua tipuri de radiatii bazate pe sursa lor: razele X sunt emise de electroni, in timp ce razele gamma sunt emise de nucleul atomic.

Aceasta definitie are mai multe probleme: alte procese pot genera acesti fotoni cu energie mare, sau uneori nu se cunoaste metoda de generare. O alternativa comuna este de a distinge radiatiile X si gamma pe baza lungimii de unda (sau, echivalent, a frecventei sau a energiei fotonice), cu radiatii mai scurte decat unele lungimi de unda arbitrare, cum ar fi 10-11 m (0,1 Å), definita drept radiatie gamma.

Acest criteriu atribuie un foton unei categorii fara ambiguitate, dar este posibil numai daca este cunoscuta lungimea de unda. (Unele tehnici de masurare nu fac distinctie intre lungimile de unda detectate.) Cu toate acestea, aceste doua definitii coincid adesea, deoarece radiatiile electromagnetice emise de tuburile cu raze X au, in general, o lungime de unda mai lunga si o energie fotonica mai mica decat radiatia emisa de nucleele radioactive.

Ocazional, un termen sau altul este utilizat in contexte specifice datorita precedentului istoric, bazat pe tehnica de masurare (detectare) sau bazat pe utilizarea lor intentionata, mai degraba decat lungimea de unda sau sursa lor. Astfel, razele gamma generate pentru uz medical si industrial – de exemplu radioterapia, in intervalul de la 6-20 MeV, pot fi, in acest context, denumite si raze X.

Proprietati

Fotonii cu raze X transporta suficienta energie pentru a ioniza atomii si a perturba legaturile moleculare. Acest lucru ii incadreaza intr-un tipar al radiatiilor ionizante si, prin urmare, daunator tesutului viu. O doza foarte mare de radiatii intr-o perioada scurta de timp determina imbolnavirea prin radiatii, in timp ce dozele mai mici pot oferi un risc crescut de cancer indus de radiatii.

In practicile medicale (radiografiile de exemplu), acest risc crescut de cancer este, in general, depasit cu mult de beneficiile examinarii. Capacitatea ionizanta a razelor X poate fi utilizata in tratamentul cancerului pentru a ucide celulele maligne folosind radioterapia. Este, de asemenea, utilizat pentru caracterizarea materialelor folosind spectroscopie cu raze X.

Razele X dure pot traversa obiecte relativ groase, fara a fi absorbite sau imprastiate. Din acest motiv, razele X sunt utilizate pe scara larga pentru a imagina interiorul obiectelor vizuale opace.

Aplicatiile cel mai des intalnite sunt in radiografiile medicale si scanerele de securitate aeroportuare, dar tehnici similare sunt de asemenea intalnite si considerate foarte importante in industrie (de exemplu, radiografie industriala si scanare CT industriala) dar si in cercetare.

Adancimea de penetrare variaza cu mai multe ordine de marime peste spectrul de raze X. Aceasta permite reglarea energiei fotonului pentru aplicatie, astfel incat sa ofere o transmisie suficienta prin obiect si, in acelasi timp, sa ofere un contrast bun in imagine.

Razele X au lungimi de unda mult mai scurte decat lumina vizibila, ceea ce face posibila sondarea structurilor mult mai mici decat se poate vedea folosind un microscop normal. Aceasta proprietate este utilizata in microscopie cu raze X pentru a achizitiona imagini de inalta rezolutie si, de asemenea, in cristalografia cu raze X pentru a determina pozitiile atomilor in cristale.

Interactiunea cu materia

Razele X interactioneaza cu materia in trei moduri principale: prin fotoabsorbtie, imprastiere Compton si imprastiere Rayleigh. Puterea acestor interactiuni depinde de energia razelor X si de compozitia elementara a materialului, dar nu tine foarte mult de proprietatile chimice, deoarece energia fotonului cu raze X este mult mai mare decat energiile de legare chimica.

Fotoabsorbtia sau absorbtia fotoelectrica este mecanismul de interactiune dominanta in regimul de raze X slabe si pentru energiile cu raze X inferioare. La energiile superioare domina imprastierea Compton.

Producerea razelor X

Ori de cate ori particulele incarcate (electroni sau ioni) cu energie suficienta lovesc un material, se produc raze X.

Productie prin electroni

Razele X pot fi generate de un tub cu raze X, un tub de vid care foloseste o tensiune inalta pentru a accelera electronii eliberati de un catod fierbinte, la o viteza mare. Electronii cu viteza mare se ciocnesc cu o tinta metalica – anodul, creand razele X. In tuburile cu raze X medicale, tinta este, de obicei, tungstenul sau un aliaj mai rezistent la fisura de reniu (5%) si tungsten (95%), dar uneori se foloseste si molibden pentru aplicatii mai specializate, cum ar fi atunci cand sunt necesare raze X mai slabe (la mamografii de exemplu).

In cristalografie, o tinta de cupru este cea mai frecvent intalnita, cobaltul fiind adesea utilizat atunci cand fluorescenta din continutul de fier din esantion, poate prezenta o problema.

Energia maxima a fotonului cu raze X produs este limitata de energia electronului incident, care este egala cu tensiunea de pe tubul de incarcare a electronilor, deci un tub de 80 kV nu poate crea raze X cu o energie mai mare de 80 keV. Cand electronii ating tinta, razele X sunt create prin doua procese atomice diferite:

  1. Emisie de raze X caracteristice (electroluminescenta cu raze X): Daca electronul are suficienta energie, poate elimina un electron orbital din carcasa electronica interioara a atomului tinta. Dupa aceea, electronii de la niveluri de energie mai ridicate completeaza posturile vacante si fotonii cu raze X sunt emisi/produsi. Acest proces induce un spectru de emisie de raze X la cateva frecvente discrete, uneori denumite linii spectrale. De obicei, acestea sunt tranzitii de la niveluri superioare la nivelul K (numite linii K), la nivelul L (numite linii L) si asa mai departe. Daca tranzitia este de la 2p la 1s, se numeste Kα, in timp ce, daca este de la 3p la 1s, este Kβ. Frecventele acestor linii depind de materialul tintei si de aceea sunt numite linii caracteristice. Linia Kα are de obicei o intensitate mai mare decat linia Kβ si este mai folosita in experimentele de difractie. Astfel, linia Kβ este folosita cu un filtru. Filtrul este de obicei dintr-un metal cu un nr. de  protoni mai mic decat materialul anodic (de exemplu, filtrul Ni pentru anodul Cu sau filtrul Nb pentru anodul Mo).
  2. Radiatia de decelerare: Aceasta este radiatia emisa de electroni, intrucat sunt imprastiati de campul electric puternic de langa nucleele cu numar Z mare (numar de protoni). Aceste raze X au un spectru continuu. Frecventa radiatiei de decelerare este limitata de energia electronilor incidenti.

Deci, iesirea rezultata a unui tub consta dintr-un spectru de radiatie deceleranta continuu, care coboara la zero la tensiunea tubului, plus cateva varfuri la liniile caracteristice. Tensiunile utilizate in tuburile de raze X de diagnostic, variaza de la aproximativ 20 kV la 150 kV si, astfel, cele mai mari energii ale fotonilor cu raze X variaza de la aproximativ 20 keV la 150 keV.

Ambele procese de productie de raze X sunt ineficiente, doar aproximativ un procent din energia electrica folosita de tub este transformata in raze X si astfel, cea mai mare parte a energiei electrice consumate de tub este eliberata sub forma de caldura reziduala. La producerea unui flux utilizabil de raze X, tubul de raze X trebuie sa fie proiectat in asa fel incat sa poata disipa caldura in exces.

O sursa specializata de raze X, care se foloseste pe scara larga in cercetare este radiatia de sincrotron, care este generata de acceleratoarele de particule. Caracteristicile sale unice sunt iesirile cu raze X cu multe ordine de marime mai mari decat cele ale tuburilor cu raze X.

Productia prin descarcari de fulgere si in laborator

Razele X sunt, de asemenea, produse in fulgere. Mecanismul care sta la baza este accelerarea electronilor in campurile electrice legate de trasnet si producerea ulterioara de fotoni prin radiatia de decelerare. Aceasta produce fotoni cu energii de cativa KV si cateva zeci de MeV. In descarcarile de laborator cu o dimensiune a distantei de aproximativ 1 metru si o tensiune de varf de 1 MV, se observa raze X cu o energie caracteristica de 160 keV.