I raggi X furono scoperti nel 1895 dal fisico tedesco Wilhelm Conrad Roentgen. Nel corso di esperimenti sulle scariche elettriche nei tubi, egli notò che uno schermo rivestito di cianuro di platino e bario veniva eccitato se posto nelle vicinanze del tubo. Dopo ulteriori studi egli concluse che la fluorescenza dello schermo doveva essere provocata da una radiazione invisibile capace di attraversare non solo il vetro ma anche materiali otticamente opachi. Egli scoprì anche che, per mezzo di tali radiazioni, era possibile fotografare anche le parti interne degli oggetti. Ad esempio era possibile fotografare la struttura ossea della mano a causa della maggiore attenuazione che i raggi X subivano da parte delle ossa rispetto a quella relativa agli altri tessuti. Le fotografie ottenute facendo attraversare oggetti e persone dai raggi X vennero chiamate radiografie. Le implicazioni mediche di questa scoperta vennero immediatamente apprezzate ed in pochi mesi medici di ogni parte del mondo applicarono i raggi X a scopo diagnostico. I raggi X sono tuttora largamente usati in medicina non solo a scopo diagnostico, ma anche terapeutico. Essi trovano, inoltre, applicazione nell’industria e nella ricerca. Come la luce, le onde radio e i raggi gamma, i raggi X appartengono al gruppo delle radiazioni elettromagnetiche. Essi non hanno massa, né carica e la loro lunghezza d’onda ne determina l’energia.

Differiscono dai raggi gamma per due importanti aspetti:

a) i raggi gamma hanno origine dal nucleo atomico, mentre i raggi X vengono generati in seguito a variazioni degli elettroni orbitali e dall’interazione elettrone-campo nucleare;

b) mentre i raggi gamma hanno energie discrete definite (spettro discontinuo), i raggi X presentano una distribuzione continua di energia.

Il metodo di produzione dei raggi X utilizzato in diagnostica radiologica e in radioterapia, dipende da un processo chiamato bremsstrahlung, radiazione di frenamento o radiazione bianca. I raggi X di bremsstrahlung vengono prodotti quando una particella carica, di solito un elettrone, in moto con velocità elevata viene rapidamente frenato dall’impatto su un bersaglio.

L'assorbimento di queste radiazioni da parte della materia avviene fondamentalmente a causa di tre effetti: l’effetto Compton, l’effetto fotoelettrico e la produzione di coppie.

L’effetto fotoelettrico ha luogo quando un fotone X o gamma di bassa energia interagisce con un elettrone orbitale interno. Quando questo accade, tutta l’energia della radiazione incidente viene trasferita all’elettrone che viene quindi espulso dall’atomo (fotoelettrone). L’energia acquisita dall’elettrone è uguale a quella del fotone incidente meno quella di legame dell’elettrone stesso. Come conseguenza di tale interazione, si viene a creare un posto vacante in un’orbita interna e quindi gli elettroni più esterni tenderanno a colmarlo e, nel passaggio da un’orbita esterna ad un’altra più interna, verrà emessa una radiazione X caratteristica della differenza tra le energie dei due livelli.

L’effetto Compton ha luogo quando un fotone X o gamma, di media energia, interagisce con un elettrone libero di un’orbita esterna. In seguito a tale interazione, parte dell’energia della radiazione incidente viene trasferita all’elettrone. La frazione di energia ceduta dipende dall’angolo di incidenza del fotone. L’elettrone viene espulso dalla sua orbita (elettrone Compton) ed emerge un fotone diffuso con una energia minore e diversa direzione. L’energia del fotone gamma diffuso è uguale alla differenza tra l’energia del fotone incidente, quella di legame dell’elettrone e quella assorbita dall’elettrone stesso.

La produzione di coppie rappresenta il terzo modo con cui la radiazione gamma può interagire con la materia. Il fenomeno ha luogo quando un fotone gamma di elevata energia interagisce in vicinanza del nucleo e, in seguito alla presenza di un campo elettrico molto elevato, il fotone viene totalmente assorbito con successiva produzione di un elettrone positivo (positrone) e di un elettrone negativo (negatrone).

Per far si che un tale fenomeno avvenga, è necessario che il fotone incidente abbia un’energia minima pari ad 1,02 Mev. Se ciò si verifica. l’elettrone negativo prodotto si comporta come una particella beta e quindi dà luogo a successive ionizzazioni fino ad essere neutralizzato da uno ione positivo. L’elettrone positivo invece viene quasi istantaneamente a collisione con un elettrone negativo, con conseguente annullamento di entrambe le particelle (annichilazione) ed emissione di due fotoni gamma da 0,51 Mev di direzione opposta.

 Riassumendo, possiamo concludere che quando una radiazione X o gamma incide su di un materiale, ha luogo tutta una serie di interazioni del tipo di quelle che abbiamo esaminato, ognuna delle quali contribuisce, in modo più o meno marcato, all’assorbimento di energia e tali processi avranno termine solamente quando tutta l’energia della radiazione incidente si sarà esaurita.

In teoria, non è possibile bloccare totalmente i raggi X e le radiazioni gamma, tuttavia siamo in grado di prevedere il grado di assorbimento o attenuazione di una determinata schermatura. Le schermature, come ad esempio i camici di protezione degli operatori che utilizzano macchine a raggi X,  hanno la funzione di attenuare l'intensità del fascio di radiazioni, assorbendone una parte considerevole. Tutti i materiali possono essere utilizzati come schermi ma quelli ad alta densità e alto numero atomico offrono una schermatura più efficiente e pertanto raggiungono lo scopo con uno spessore minore (è il motivo per cui si usano spesso protezioni di piombo).

Recentemente, in considerazione delle problematiche legate alla tossicità dei materiali e alla loro eliminazione nell’ambiente, sono stati introdotti dispositivi di protezione individuali privi di piombo che, tuttavia, offrono analoghe proprietà di attenuazione della radiazione.