Perché i raggi X non sono solo luce intensa

Testo

Perché i raggi X non sono “solo luce intensa”. Un amico propone: “Per fare una radiografia basterebbe una lampada molto luminosa, senza bisogno di apparecchi a raggi X”. Cosa c’è di sbagliato nella sua idea? Spiega che cosa determina la capacità di un fotone di penetrare nei tessuti e ionizzare le molecole, e perché l’intensità non è l’unica grandezza importante. Cita l’effetto fotoelettrico per giustificare la tua risposta.

Soluzione

L’errore dell’amico. Confonde intensità (quanti fotoni al secondo) con energia del singolo fotone ($E = hf$). Una lampada luminosissima emette moltissimi fotoni visibili, ciascuno con energia di appena $\sim 2\;\text{eV}$.

Cosa conta davvero. La capacità di penetrare i tessuti e di ionizzare le molecole (strappare elettroni, rompere legami) dipende dall’energia del singolo fotone, non dal loro numero. L’effetto fotoelettrico lo dimostra: un elettrone assorbe un solo fotone; se $hf$ è sotto la soglia di ionizzazione, l’elettrone non viene strappato per quanti fotoni arrivino. Aumentare l’intensità della lampada aggiunge solo altri fotoni troppo deboli.

I raggi X. Hanno $\lambda \sim 0{,}01$–$0{,}1\;\text{nm}$, cioè $E = hc/\lambda \sim 10$–$100\;\text{keV}$: da diecimila a centomila volte più energetici del visibile. Solo quanti così energetici attraversano i tessuti molli, vengono assorbiti selettivamente dalle ossa e possono ionizzare — proprio ciò che serve (e che li rende anche pericolosi). Nessuna intensità di luce visibile può sostituirli.

$\ev{\text{Penetrazione e ionizzazione} \sim hf \text{ del singolo fotone, non l'intensità del fascio}}$

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Argomenti: Fisica quantistica Concetti: Fotone · Effetto fotoelettrico