L'énergie des rayons X est suffisamment élevée pour sonder les structures électroniques internes des atomes, mais leur longueur d'onde reste adaptée à l'étude des distances interatomiques. Ils constituent ainsi un outil exceptionnel pour relier les phénomènes électroniques, atomiques, moléculaires et cristallins. Ils peuvent être considérés comme une véritable sonde universelle de la matière. En traversant un objet, ils révèlent sa densité et sa composition par absorption différentielle. En interagissant avec les électrons, ils renseignent sur la structure électronique. En diffractant sur un réseau cristallin, ils permettent de reconstruire l'organisation atomique. En produisant des phénomènes de fluorescence, ils donnent accès à la composition élémentaire. En spectroscopie, ils permettent d'étudier les états chimiques et électroniques.

Les rayons X sont des rayonnements ionisants. Leur énergie est suffisamment élevée pour arracher des électrons aux atomes et aux molécules qu'ils traversent. Cette capacité à produire des ionisations constitue l'une de leurs caractéristiques physiques essentielles. Lorsqu'un photon X interagit avec la matière, il peut transférer tout ou partie de son énergie à un électron, provoquer une excitation électronique ou entraîner l'éjection d'un électron. Les transformations secondaires produites par ces interactions peuvent ensuite engendrer de nouvelles ionisations. L'effet global est donc une modification de la structure microscopique de la matière.

La production artificielle des rayons X repose principalement sur l'accélération de particules chargées, en particulier des électrons. Lorsqu'un électron rapide est brutalement ralenti ou dévié par le champ électrique d'un noyau atomique, il peut émettre un photon X. Ce rayonnement est appelé rayonnement de freinage, ou bremsstrahlung.

Dans un tube à rayons X classique, des électrons sont produits par une cathode chauffée puis accélérés sous l'effet d'une différence de potentiel élevée en direction d'une cible métallique constituant l'anode. Lorsque les électrons atteignent cette cible, une très grande partie de leur énergie cinétique est transformée en chaleur. Une fraction beaucoup plus faible est convertie en rayonnement X. Le rendement de production étant relativement limité, les tubes à rayons X doivent être conçus pour évacuer efficacement la chaleur produite dans l'anode.

Le spectre produit par le rayonnement de freinage est continu. Les électrons incidents peuvent perdre des quantités variables d'énergie lors de leurs interactions avec les noyaux de la cible. Les photons produits présentent donc une gamme continue d'énergies, avec une énergie maximale correspondant approximativement à l'énergie cinétique maximale acquise par les électrons avant leur interaction. Cette énergie maximale dépend directement de la tension d'accélération appliquée au tube.

À ce spectre continu peuvent se superposer des raies caractéristiques du matériau constituant la cible. Elles apparaissent lorsque les électrons incidents arrachent des électrons situés sur des couches internes des atomes de la cible. L'atome se retrouve alors dans un état excité et instable. Un électron provenant d'une couche plus externe peut occuper la vacance créée, et la différence d'énergie entre les deux niveaux est alors libérée sous forme d'un photon X. L'énergie de ce photon dépend de la structure électronique de l'atome et constitue donc une signature caractéristique de l'élément chimique concerné.

La spectrométrie de fluorescence X consiste à exciter un matériau avec un rayonnement suffisamment énergétique pour provoquer des ionisations des couches électroniques internes. Les transitions électroniques qui suivent produisent des photons X caractéristiques des éléments présents. L'analyse de leurs énergies permet ainsi d'identifier et, dans certaines conditions, de quantifier les constituants chimiques d'un échantillon. La fluorescence X constitue une technique particulièrement importante en géologie, minéralogie, archéologie, métallurgie et sciences des matériaux. Elle permet d'analyser des roches, des minerais, des verres, des alliages, des pigments, des céramiques et de nombreux autres matériaux. L'un de ses principaux avantages réside dans son caractère relativement peu destructif. Des instruments portables peuvent même être utilisés directement sur le terrain ou dans des musées pour déterminer la composition élémentaire d'objets archéologiques ou artistiques.

• L'effet photoélectrique correspond à l'absorption complète d'un photon par un électron lié à un atome. Le photon disparaît et son énergie est transférée à l'électron, qui est éjecté de l'atome si l'énergie du photon est supérieure à l'énergie de liaison correspondante. Une vacance électronique apparaît alors dans une couche interne. L'atome se réorganise et peut émettre un photon X caractéristique ou un électron Auger. Le processus contribue fortement à l'absorption des rayons X dans la matière. La probabilité de l'effet photoélectrique dépend fortement du numéro atomique du matériau et de l'énergie des photons. Les matériaux constitués d'éléments lourds absorbent généralement beaucoup plus efficacement les rayons X de certaines énergies que les matériaux légers. Cette propriété est essentielle en radiologie, car les os, riches en calcium, absorbent davantage les rayons X que les tissus mous constitués principalement d'éléments légers.

• La diffusion Compton correspond à une interaction partielle entre un photon X et un électron. Le photon incident transfère une partie de son énergie à l'électron, puis poursuit sa trajectoire dans une autre direction avec une énergie réduite. Le phénomène est particulièrement important lorsque l'énergie des photons augmente et lorsque la matière traversée est relativement peu dépendante du numéro atomique. Dans les systèmes d'imagerie médicale, le rayonnement diffusé par effet Compton peut dégrader le contraste des images et doit donc être contrôlé.

• La production une paire électron-positron se manifeste à des énergies suffisamment élevées, lorsqu'un un photon X interagit avec le champ électrique d'un noyau. Cette réaction nécessite une énergie minimale de 1,022 MeV, correspondant à deux fois l'énergie de masse de l'électron. Ce mécanisme devient surtout important dans le domaine des photons de très haute énergie et constitue un lien physique entre le domaine des rayons X énergétiques et celui des rayonnements gamma.

La radiographie conventionnelle constitue ainsi une technique de projection. Les structures situées sur le trajet du faisceau sont superposées sur une même image. Malgré cette limitation, elle fournit des informations extrêmement utiles sur le squelette, les poumons, certaines structures abdominales et de nombreuses situations pathologiques. L'amélioration des détecteurs numériques a considérablement augmenté la qualité des images tout en permettant de réduire les doses nécessaires dans de nombreuses applications.

La tomodensitométrie, ou scanner X, repose sur le même principe physique général mais utilise une géométrie beaucoup plus complexe. Une source de rayons X tourne autour du patient tandis que des détecteurs enregistrent l'atténuation du faisceau sous de nombreux angles. Des algorithmes mathématiques reconstruisent ensuite une représentation tridimensionnelle de l'atténuation dans le volume étudié. Le scanner permet ainsi d'obtenir des coupes anatomiques détaillées et constitue aujourd'hui l'une des principales applications médicales des rayons X.

L'imagerie par tomodensitométrie permet notamment d'examiner avec une grande précision le cerveau, les poumons, les os, les vaisseaux sanguins et de nombreux organes internes. L'injection de produits de contraste contenant des éléments fortement absorbants aux énergies utilisées permet également de mieux visualiser certaines structures vasculaires ou certains tissus. L'iode est notamment utilisé comme agent de contraste dans de nombreuses procédures de radiologie.

Les rayons X sont également utilisés dans l'imagerie dentaire. Leur capacité à distinguer les tissus minéralisés des tissus mous permet d'obtenir des images précises des dents, des racines et de l'os alvéolaire. Ici encore, les techniques numériques modernes ont permis de réduire considérablement la dose nécessaire pour de nombreuses radiographies dentaires.

Radiothérapie X.
En radiothérapie, les rayons X de haute énergie peuvent être utilisés pour détruire les cellules tumorales. Des accélérateurs linéaires produisent des électrons très énergétiques qui sont soit utilisés directement, soit dirigés vers une cible métallique afin de produire un faisceau de photons X énergétiques. Le faisceau est ensuite modelé et orienté de manière à délivrer une dose élevée dans le volume tumoral tout en limitant autant que possible l'irradiation des tissus sains.

Les rayons X et la santé. - Sur Terre, les rayons X sont naturellement présents en faibles quantités dans l'environnement, notamment en raison du rayonnement cosmique et de certains processus radioactifs. Toutefois, l'exposition la plus importante de la population provient généralement des applications médicales lorsqu'elles sont utilisées. Cela explique l'importance des principes de justification et d'optimisation en radioprotection : une exposition doit être médicalement ou scientifiquement justifiée, et la dose doit être maintenue aussi faible que raisonnablement possible pour obtenir l'information recherchée.

Les effets biologiques des rayons X sont liés à leur caractère ionisant. Les photons peuvent endommager directement l'ADN ou produire des espèces chimiques réactives susceptibles de l'endommager indirectement. Les conséquences dépendent fortement de la dose reçue et de la distribution de cette dose. Une exposition suffisamment importante peut entraîner des lésions cellulaires et tissulaires, tandis que des expositions plus faibles augmentent statistiquement le risque de certaines mutations et de certains cancers.

La radiosensibilité varie selon les tissus. Les cellules qui se divisent rapidement et qui possèdent une capacité limitée de réparation des dommages génétiques sont généralement plus sensibles. Les tissus hématopoïétiques et certains tissus reproducteurs figurent parmi les tissus particulièrement radiosensibles. Cette variation est prise en compte en radiothérapie et dans l'évaluation des risques liés aux examens radiologiques.

Les rayons X sont néanmoins indispensables à la médecine moderne. Leur utilisation permet d'obtenir des informations diagnostiques qui peuvent éviter des procédures plus invasives et orienter rapidement les traitements. De la même façon, l'utilisation thérapeutique des rayons X, fondée sur leurs effets ionisants permet de détruire les cellules tumorales, particulièrement vulnérables lorsque leur capacité de réparation des dommages de l'ADN est limitée ou lorsque leur prolifération est rapide. La radiothérapie moderne cherche donc à exploiter les différences biologiques entre les tissus tumoraux et les tissus sains tout en utilisant des techniques géométriques sophistiquées pour concentrer la dose.

Le problème n'est donc pas l'existence d'une exposition, mais la recherche d'un équilibre entre le bénéfice diagnostique ou thérapeutique et le risque radiologique. Les progrès technologiques ont permis d'améliorer continuellement cet équilibre grâce à des détecteurs plus sensibles, des reconstructions numériques plus performantes et des protocoles adaptés aux patients.

La loi de Bragg décrit la condition géométrique permettant d'obtenir une interférence constructive lors de la diffraction des rayons X par les plans cristallins. En mesurant les angles auxquels apparaissent les maxima de diffraction et en connaissant la longueur d'onde utilisée, il est possible de déterminer les distances interplanaires du réseau cristallin. L'analyse des figures de diffraction permet ensuite de reconstruire la structure atomique du matériau.

La diffraction des rayons X joue un rôle fondamental en minéralogie. Chaque minéral cristallin possède une structure atomique particulière et produit donc un ensemble caractéristique de raies de diffraction. La diffraction X sur poudre permet notamment d'identifier des phases minérales dans des mélanges complexes. Elle est utilisée pour déterminer la composition des roches, étudier les argiles, caractériser les phases cristallines des minerais et analyser les transformations minéralogiques.

En science des matériaux, la diffraction X permet de déterminer la structure cristalline, les paramètres de maille, la taille des cristallites, certaines contraintes internes et l'évolution structurale d'un matériau. Elle est particulièrement utile pour les métaux, les alliages, les céramiques, les semi-conducteurs et les matériaux fonctionnels. Elle peut également révéler des transitions de phase provoquées par des variations de température, de pression ou de composition chimique.

Les rayons X jouent également un rôle central en biologie structurale. La diffraction des rayons X sur des cristaux de protéines a permis de déterminer la structure tridimensionnelle de nombreuses macromolécules biologiques. La connaissance de ces structures permet de comprendre les mécanismes moléculaires des enzymes, des récepteurs, des protéines structurales et de nombreux complexes biologiques. Elle constitue également une base importante pour la conception rationnelle de médicaments.

Les techniques modernes utilisant les rayons X ne se limitent pas à la diffraction. La spectroscopie d'absorption des rayons X permet d'étudier la manière dont un matériau absorbe les photons en fonction de leur énergie. Les variations du coefficient d'absorption autour du seuil d'absorption d'un élément contiennent des informations sur son état électronique, son environnement chimique, ses distances interatomiques et son degré d'oxydation. Ces techniques sont particulièrement importantes pour l'étude des catalyseurs, des matériaux fonctionnels et des systèmes géochimiques.

Les sources synchrotron constituent une avancée majeure dans l'utilisation scientifique des rayons X. Dans un synchrotron, des électrons sont accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière puis contraints de suivre des trajectoires courbes par des champs magnétiques. Cette accélération produit un rayonnement électromagnétique extrêmement intense, comprenant notamment des rayons X. Les installations synchrotron fournissent ainsi des faisceaux beaucoup plus brillants et contrôlables que les sources conventionnelles.

Les rayons X synchrotron permettent d'étudier des échantillons très petits et de suivre des phénomènes rapides. Ils sont utilisés dans la cristallographie, la science des matériaux, la chimie, la biologie structurale, la géologie, la paléontologie et de nombreuses autres disciplines. La forte intensité des faisceaux permet également d'effectuer des expériences in situ, au cours desquelles on observe directement les transformations d'un matériau sous pression, à haute température ou pendant une réaction chimique.

Les lasers à électrons libres dans le domaine X, notamment les sources XFEL, représentent une autre évolution majeure. Ils produisent des impulsions de rayons X extrêmement courtes et très intenses. Ces impulsions permettent de suivre des changements structuraux sur des échelles de temps extrêmement brèves, allant jusqu'aux domaines de la femtoseconde. Il devient ainsi possible d'observer certains mouvements atomiques et réactions chimiques pratiquement en temps réel.

L'astronomie X.
L'univers contient de nombreuses sources produisant des températures et des énergies suffisamment élevées pour émettre des rayons X. Les gaz portés à plusieurs millions de kelvins, les plasmas fortement ionisés, les étoiles à neutrons, les trous noirs, les rémanents de supernovae et les amas de galaxies figurent parmi les principales sources astrophysiques de rayonnement X.

La température d'un corps chaud détermine en grande partie le domaine spectral dans lequel il émet. Les objets dont la température atteint plusieurs millions de kelvins peuvent produire un rayonnement thermique important dans le domaine X. Cependant, une grande partie du rayonnement X astrophysique ne correspond pas simplement à un corps noir thermique. Des mécanismes non thermiques, comme le rayonnement synchrotron ou la diffusion Compton inverse, peuvent aussi produire des photons X.

Les étoiles ordinaires peuvent émettre des rayons X, particulièrement lorsqu'elles possèdent des atmosphères externes très chaudes. Le Soleil, par exemple, produit des rayons X dans sa couronne. Cette émission varie avec l'activité solaire. Les régions actives, les éruptions solaires et les phénomènes associés à la reconnexion magnétique peuvent produire d'intenses émissions X. L'étude de ces rayonnements permet de comprendre la dynamique des plasmas solaires et les processus de libération de l'énergie magnétique. L'étude de ces phénomènes contribue à la compréhension de la météorologie spatiale.

La météorologie spatiale concerne notamment les conséquences de l'activité solaire sur l'environnement terrestre. Les éruptions solaires et les éjections de matière coronale peuvent perturber les communications radio, les systèmes de navigation et certains satellites. Les rayons X émis lors des éruptions solaires peuvent également modifier rapidement l'ionosphère terrestre. 

Les trous noirs stellaires peuvent également être observés indirectement grâce aux rayons X. Un trou noir isolé est pratiquement invisible dans le domaine électromagnétique, puisqu'il ne laisse pas s'échapper la lumière de son horizon. En revanche, lorsqu'il accrète de la matière provenant d'un environnement proche, cette matière forme généralement un disque d'accrétion. Les forces de viscosité et les processus de transport de quantité de mouvement entraînent une conversion d'une partie de l'énergie gravitationnelle en chaleur et en rayonnement. Le disque peut alors atteindre des températures suffisantes pour produire une émission X intense.

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies peuvent également produire des rayons X. La matière qui s'accumule autour du trou noir forme un environnement extrêmement chaud et énergétique. Les rayons X permettent ainsi d'étudier la structure interne des disques d'accrétion, les couronnes de plasma chaud et les jets relativistes associés aux noyaux actifs de galaxies.

Les amas de galaxies constituent une autre population importante de sources X. L'espace situé entre les galaxies contient un plasma extrêmement chaud, appelé milieu intra-amas. Ses températures atteignent souvent plusieurs dizaines de millions de kelvins. Ce plasma émet principalement par rayonnement de freinage thermique ( bremsstrahlung thermique). L'observation de son émission X permet de déterminer sa température, sa densité et sa composition chimique.

Le rayonnement X des amas de galaxies fournit ainsi des informations sur leur masse totale. La distribution du gaz chaud est influencée par le champ gravitationnel de l'amas. En combinant les observations X avec d'autres méthodes, notamment les effets de lentille gravitationnelle, il est possible d'étudier la distribution de la matière baryonique ( = matière ordinaire) et de la matière sombre. Les amas constituent donc des laboratoires importants pour la cosmologie et la physique des plasmas.

Les rémanents (restes) de supernovae sont également des sources X importantes. Lorsqu'une étoile explose, l'onde de choc se propage dans le milieu interstellaire et chauffe le gaz à des températures extrêmement élevées. Le plasma produit peut alors émettre des rayons X thermiques. Les particules accélérées par les fronts de choc peuvent également générer un rayonnement non thermique. L'étude des restes de supernovae permet ainsi d'examiner les mécanismes d'accélération des rayons cosmiques et l'enrichissement du milieu interstellaire en éléments lourds.

L'observation astronomique des rayons X nécessite généralement des instruments placés au-dessus de l'atmosphère terrestre, qui absorbe une grande partie des photons X provenant de l'espace. Cette absorption protège la biosphère du rayonnement X cosmique, mais elle rend impossible l'observation directe depuis le sol pour la majorité du spectre X. Les télescopes spatiaux ont donc joué un rôle déterminant dans le développement de l'astronomie X.

Les détecteurs X doivent être capables de mesurer l'énergie et la position des photons incidents. Plusieurs technologies sont utilisées, notamment les détecteurs à semi-conducteurs, les microcalorimètres et différents dispositifs permettant de convertir les interactions photon-matière en signaux mesurables. L'optique des télescopes X est également particulière : les rayons X ne peuvent pas être focalisés efficacement par des miroirs classiques placés perpendiculairement au faisceau, car ils sont fortement absorbés et réfléchis très difficilement. Les télescopes X utilisent donc fréquemment des miroirs en incidence rasante. Dans une optique à incidence rasante, les photons X rencontrent les surfaces réfléchissantes sous des angles extrêmement faibles. Ils peuvent alors être déviés progressivement jusqu'au détecteur. Cette géométrie permet de construire des télescopes capables de former des images X. La qualité des observations dépend fortement de la précision des surfaces réfléchissantes et de l'alignement des éléments optiques.

La spectroscopie X est particulièrement puissante. Les atomes fortement ionisés possèdent des niveaux électroniques dont les transitions produisent des raies dans le domaine X. L'identification de ces raies permet de déterminer les éléments présents et leur état d'ionisation. Dans les plasmas astrophysiques, on peut ainsi détecter du fer, de l'oxygène, du silicium, du soufre, du magnésium, du néon et de nombreux autres éléments. Les spectres X constituent donc une empreinte chimique des plasmas cosmiques.