Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. C'est un rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il...) utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...) et la cristallographie (La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines...).
Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) allemand Wilhelm Röntgen (Wilhelm Conrad Röntgen (27 mars 1845 à Lennep (aujourd'hui un quartier de...), qui a reçu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il les nomma ainsi car ils étaient d'une nature inconnue (la lettre x désigne l'inconnue en mathématiques).
La distinction entre les rayons X et les rayons gamma (qui sont de même nature et d'énergie semblable) vient de leur mode de production : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes.
À la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons...) qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes (voir l'article Tube de Crookes). À cette époque, tous les physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a eu d'idée d'application de ces rayonnements.
En 1895, Wilhelm Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, etc.). Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent...) de platinocyanure de baryum (Le baryum est un élément chimique de symbole Ba et de numéro atomique 56.). C'est une intuition que l'on peut qualifier de " géniale " qui va mener Röntgen dans la direction de sa découverte : il décide de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est identique à la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Plus troublant encore, lorsqu'il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement...) de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) sur le négatif.
Röntgen parvient à en déduire que les rayons sont produits dans la direction des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et très pénétrant.
Comme il ne trouve pas de dénomination adéquate pour ses rayons, Röntgen les baptise " Rayons X ". Notons au passage que ce rayonnement est encore souvent appelé Röntgen Strahlen (litt. rayons de Röntgen) en Allemagne.
Le premier cliché est celui de la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) d'Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 min.) ; il s'agit de la première radiographie (La radiographie est l'ensemble des techniques permettant de réaliser des clichés à...), la radiologie est née.
Un mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) plus tard, Bergonié reproduit à Bordeaux l'expérience de Röntgen, avant que ce dernier publie officiellement.
Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé " Über eine neue Art von Strahlen " (" À propos d'une nouvelle sorte de rayons ") dans le bulletin de la Société physico-chimique de Wurtzbourg.
C'est cette découverte qui lui vaudra le premier prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 1901.
Il tire quatre conclusions dans son article :
La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de Röntgen est rapidement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) en dentisterie puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoof réalise à Braunschweig la première radiographie dentaire.
Il faut 25 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. ...) d'exposition. Il utilise une plaque photographique en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...), recouverte de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) noir et d'une digue (champ opératoire) en caoutchouc. Six mois après, paraît le premier livre consacré à ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient - dans le cadre de la physique médicale (La physique médicale est une branche de la physique appliquée qui regroupe les...), pour le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de...) des maladies puis leur traitement (radiothérapie qui donne une expansion extraordinaire à ce qui était jusque-là l'électrothérapie).
Röntgen laissa son nom à l'unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de...) utilisée en radiologie pour évaluer une exposition aux rayonnements. Le symbole des röntgens est R.
La découverte de Röntgen fit rapidement le tour de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). En 1897, Antoine Béclère, pédiatre et clinicien réputé, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.
Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le monde (Le mot monde peut désigner :) voulait faire photographier son squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la...). Mais pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. Par exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laissé sa vie (La vie est le nom donné :) au service de la radiologie. Chargé de prendre les radiographies, les symptômes dus aux radiations ionisantes apparurent après seulement deux ans de pratique. On lui amputa d'abord la main (qui était constamment en contact avec l'écran fluorescent) mais ensuite, un cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...) généralisé se déclara.
Au début de la radiologie, les rayons X étaient utilisés à des fins multiples : dans les fêtes foraines où on exploitait le phénomène de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une molécule...), dans les magasins où l'on étudiait l'adaptation d'une chaussure au pied des clients grâce au rayonnement et bien sûr, on les utilisait pour la radiographie médicale. Encore là, on fit quelques erreurs, par exemple en radiographiant les femmes enceintes.
Avec les années, on diminua la durée des examens et les quantités administrées. Cent ans après leur découverte, on se sert encore des rayons X en radiographie moderne. On les utilise aussi dans les scanners, pour effectuer des coupes du corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.). Plusieurs autres techniques sont venues compléter les appareils des médecins : les ultrasons, l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...), la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....).
Mais on ne se sert pas des rayons X seulement en médecine ; les services de sécurité les utilisent pour examiner le contenu des valises ou des conteneurs aériens et maritimes sur écran. Les policiers les exploitent afin d'analyser les fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) textiles et les peintures se trouvant sur le lieu d'un sinistre. En minéralogie (La minéralogie est la science qui étudie les minéraux.), on peut identifier divers cristaux à l'aide de la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des rayons X.
Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...) comme les ondes radio, la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du...), ou les infra-rouge. Cependant, ils peuvent être produits de deux manières très spécifiques :
Notez que dans le cas d'un tube à rayons X, on a à la fois un rayonnement continu (Bremsstrahlung) et un phénomène de fluorescence de la cible.
La photo utilisée dans l'encart ci-dessus pour illustrer à la fois sciences physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et quantique est un diffractomètre (Le diffractomètre est un appareil permettant de mesurer la diffraction d'un rayonnement sur...) à rayons X.
Dans le cas où la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) ionisante électromagnétique est dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la...) d'une source naturelle, les photons ne sont pas considérés comme étant des rayons X, mais plutôt comme étant des rayons gamma.
Historiquement, les rayons X étaient connus pour faire briller certains cristaux (fluorescence), ioniser les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et impressionner les plaques photographiques.
Les principales propriétés des rayons X sont les suivantes :
Les rayons X sont des radiations ionisantes. Une exposition prolongée aux rayons X peut provoquer des brûlures (radiomes) mais aussi des cancers. Ces effets ont été réellement pris en compte assez tard. C'est ainsi que dans un ouvrage de 1954, on ne lisait aucune recommandation (Les industries ne fonctionnent pas correctement sans normes garantissant...) de sécurité, mais par contre [1] :
ce qui semble indiquer que les auteurs ou leurs collaborateurs étaient soumis à cet effet occasionnellement.
Les personnels travaillant avec des rayons X doivent suivre une formation spécifique, être protégés et suivis médicalement (ces mesures peuvent être peu contraignantes si l'appareil est bien " étanche " aux rayons X)
Les rayons X sont invisibles à l'œil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques. Si l'on place un film vierge protégé de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (dans une chambre noire ou enveloppée dans un papier opaque), la figure révélée sur le film donne l'intensité des rayons X ayant frappé la pellicule à cet endroit. C'est ce qui permis à Röntgen de découvrir ces rayons. Ce procédé est utilisé en radiographie médicale ainsi que dans certains diffractomètres (clichés de Laue, chambres de Debye-Scherrer). Il est aussi utilisé dans les système de suivi des manipulateurs : ceux-ci doivent en permanence porter un badge, appelé " film dosimètre ", enfermant une pellicule vierge ; ce badge est régulièrement changé et développé par les services de santé pour contrôler que le manipulateur n'a pas reçu de dose excessive de rayons X.
Comme tous les rayonnement ionisants, les rayons X sont détectés par les compteurs Geiger-Müller (ou compteur G-M). Si l'on diminue la tension de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) du compteur, on obtient un compteur dit " proportionnel " (encore appelé " compteur à gaz " ou " compteur à flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) gazeux ") ; alors que le compteur G-M travaille à saturation, dans le compteur proportionnel (Les compteurs proportionnels à gaz sont des détecteurs de radiations ionisantes, qui ont un très...), les impulsions électriques générées sont proportionnelles à l'énergie des photons X.
Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...), comme l'iodure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) NaI. Ce principe est utilisé avec les " compteurs à scintillation " (ou " scintillateurs ") : on place un photodétecteur après un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) de NaI ; les intensités des impulsions électriques récoltées par le photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous...) sont elles aussi proportionnelles aux énergies des photons.
De même qu'ils peuvent ioniser un gaz dans un compteur G-M ou proportionnel, les rayons X peuvent aussi ioniser les atomes d'un cristal semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) et donc générer des paires électron-trou de charges. Si l'on soumet un semi-conducteur à une haute tension de prépolarisation, l'arrivée d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) X va libérer une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) proportionnelle à l'énergie du photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...). Ce principe est utilisé dans les détecteurs dits " solides ", notamment pour l'analyse dispersive en énergie (EDX ou EDS). Pour avoir une résolution correcte, limitée par l' énergie de seuil nécessaire à la création de charges, les détecteurs solides doivent être refroidis, soit avec une platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) Peltier, soit à l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...). Les semi-conducteurs utilisés sont en général du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) dopé au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) Si(Li), ou bien du germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge...) dopé au lithium Ge(Li).
Notons au passage que la faible température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) n'a pas d'effet direct sur la valeur de l'énergie de seuil, mais sur le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....). Il est possible en revanche d'utiliser des supraconducteurs maintenus à très basse température afin de faire usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'énergie de seuil vraiment petite. Par exemple l'énergie de seuil nécessaire à la création de charges " libres " dans le silicium est de l'ordre de 3 eV, alors que dans le tantale supraconducteur, disons au-dessous de 1 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température...), elle est de 1 meV, soit 1 000 fois plus faible. La diminution de la valeur de seuil a pour effet d'augmenter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de charges créées lors de la déposition d'énergie, ce qui permet d'atteindre une meilleure résolution. Cette dernière est en effet limitée par les fluctuations statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) du nombre de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) créées. L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de ces fluctuations peut s'estimer avec la Loi de Poisson (En théorie des probabilités et en statistiques, la loi de Poisson est une loi de...). Des expériences récentes de détection d'un photon X à l'aide d'un calorimètre (Le calorimètre est un appareil destiné à mesurer les échanges de chaleur...) maintenu à très basse température (0,1 K) permettent d'obtenir une excellente résolution en énergie. Dans ce cas, l'énergie du photon absorbé permet de chauffer un absorbeur, la différence de température est mesurée à l'aide d'un thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des...) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) sensible.
Afin de comparer les approches : le Si permet une précision de la mesure de l'ordre de 150 eV pour un photon de 6 000 eV. Un senseur au Ta permet d'approcher 20 eV, et un calorimètre maintenu à 0,1 K a récemment démontré une résolution d'environ 5 eV, soit un pouvoir de résolution (En optique, le pouvoir de résolution d'un système optique désigne sa capacité à distinguer des...) de l'ordre de 0,1 %. Il est utile de mentionner que les méthodes de détection cryogéniques ne permettent pas encore de fabriquer des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) possédant un grand nombre d'éléments d'images (pixel), alors que les capteurs basés sur les semi-conducteurs offrent des " caméras " à rayons X avec plusieurs milliers d'éléments. De plus, les taux de comptage obtenus par les senseurs cryogéniques sont limités, 1 000 à 10 000 cps par pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une...).
L'analyse des cristaux par diffraction de rayons X est aussi appelée radiocristallographie. Ceci permet soit de caractériser des cristaux et de connaître leur structure (on travaille alors en général avec des monocristaux), soit de reconnaître des cristaux déjà caractérisés (on travaille en général avec des poudres polycristallines).
Pour travailler avec un monocristal, on utilise l'appareil ci-contre :
Utilisé en géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et...) et en métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs...), c'est aussi un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) de biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les...), très utilisé en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) pour déterminer la structure des molécules du vivant, notamment en cristallogénèse (c'est l'art de fabriquer des monocristaux avec une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) pure) ; dans ce cadre, un monocristal de la molécule est mis dans un faisceau de rayons X monochromatiques et la diffraction observée pour différentes position du cristal dans le faisceau de rayons X (manipulé par un goniomètre) permet de déterminer non seulement la structure du cristal, mais aussi et surtout la structure de la molécule. C'est notamment par radiocristallographie que James Watson, Francis Crick (Francis Harry Compton Crick (né le 8 juin 1916 à Northampton en Angleterre et...) et leurs collaborateurs ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l'ADN en 1953.
Dans l'Union européenne, l'utilisation des rayons X est soumise aux normes Euratom 96/29 et 97/43. La directive 97/43/ Euratom du 30 juin 1997 aurait dû être transposée en Droit interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) français au plus tard le 30 mai 2000.
En France, il faut se référer :
L'organisme chargé du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) est la DGSNR, la Direction générale de la sûreté nucléaire (La sûreté nucléaire est un terme définissant l'ensemble des activités...) et de la radioprotection (La radioprotection désigne l'ensemble des mesures prises pour assurer la protection de l'homme...), créée n°2002-255 par le décret du 22 février 2002, modifiant le décret n°93-1272 du 1er décembre 1993, et qui remplace la DSIN (Direction de la sûreté des installations nucléaires). La DGSNR est une branche de l'Autorité de sûreté nucléaire (L'Autorité de sûreté nucléaire (ASN), est une autorité administrative...) (ASN).
" X-ray " est aussi l'appellation de la lettre X dans l'alphabet radio (Un alphabet radio est un code utilisé en radiotéléphonie, qui consiste à...) international.