Definición
Rayos X, radiación electromagnética penetrante, con una longitud de onda
menor que la luz visible, producida bombardeando un blanco —generalmente de
volframio— con electrones de alta velocidad. Los rayos X fueron descubiertos de
forma accidental en 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen mientras
estudiaba los rayos catódicos en un tubo de descarga gaseosa de alto voltaje. A pesar
de que el tubo estaba dentro de una caja de cartón negro, Roentgen vio que una
pantalla de platinocianuro de bario, que casualmente estaba cerca, emitía luz
fluorescente siempre que funcionaba el tubo. Tras realizar experimentos adicionales,
determinó que la fluorescencia se debía a una radiación invisible más penetrante que
la radiación ultravioleta . Roentgen llamó a los rayos invisibles “rayos X” por su
naturaleza desconocida. Posteriormente, los rayos X fueron también denominados
rayos Roentgen en su honor.
Tipos
Rayo duro: Calificativo aplicado a los rayos x de gran poder de
penetración,hasta pueden atravesar campos de plomo de hasta10 cm de espesor . con
su uso en medicina se reduce el tiempo de exposición del paciente a las radiaciones
aconsta de reducir el contraste en las radiografías. los rayos X duros tienen una
longitud de onda de entre 0,005 y 0,5 nanometros (un nanometro, o nm, es una
millonésima de milímetro).
Rayos x caracteristicos: radiación elctromagnética emitida como
resultado del reagrupamiento de elctrones en las órbitas interiores de los átomos.El
espectrose compone de lineas cuyas longitudes de onda dependen tan solo del
elelmento en cuestión y de los niveles de energía involucrados.
Rayos x continuos: radiación electromagnética que posee una
distribución espectrual continua y es originada cuando inciden sobre un blanco
electrones a gran velocidad.
Rayos x térmicos: radiación electromagnética principalmente en la
región de los rayos x blandos (baja energía).
Rayos x blandos: radiacción elctromagnética de baja energía. Los rayos
X blandos se solapan con la radiación ultravioleta en longitudes de onda próximas a
los 50 nm.
Rayos x mesónicos: rayos x emitidos por un átomo mésico cuando el
mesón hace una transición desde un estado ligado a otro.
Radiación electromagnética, ondas producidas por la oscilación o la aceleración de
una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y
magnéticos. La radiación electromagnética puede ordenarse en un espectro que se
extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas)
hasta frecuencias muy bajas (longitudes de on da altas). La luz visible es sólo una
pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o
creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por
rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos
infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen
una longitud de onda de entre 0,005 y 0,5 nanometros (un nanometro, o nm, es una
millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación
ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. El ultravioleta, a su vez, da
paso a la luz visible, que va aproximadamente desde 400 hasta 800 nm. Los rayos
infrarrojos o "radiación de calor" se solapan con las frecuencias de radio de
microondas, entre los 100.000 y 400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos
15.000 metros, el espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de
la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda
llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros.
Naturaleza de los rayos X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va
desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto
menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de
penetración. Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del
espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos los de menor longitud
de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se solapan con
ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas
longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X ‘blancos’, para diferenciarlos
de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz
visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones
atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones
externos y los rayos X a transiciones de electrones internos. En el caso de la radiación
de frenado , los rayos X se producen por el frenado o deflección de electrones libres
que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son
similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de
núcleos excitados,* Radiactividad.
*Radiactividad
Radiactividad, desintegración espontánea de núcleos atómicos
mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa y partículas
beta, y de radiaciones electromagnéticas denominadas rayos X y rayos gamma
Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con
electrones de alta velocidad. Gran parte de la energía de los electrones se pierde en
forma de calor; el resto produce rayos X al provocar cambios en los átomos del blanco
como resultado del impacto. Los rayos X emitidos no pueden tener una energía mayor
que la energía cinética.
(Energía cinética, energía que un objeto posee debido a su movimiento. La
energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación
2
donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El
valor de E también puede derivarse de la ecuación
E = (ma)d
donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se
acelera. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los
conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un
objeto y dejándolo caer.
Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al
actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía
asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina
energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía
cinética.)
de los electrones que los producen. La radiación emitida no es monocromática, sino
que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con un marcado límite
inferior que corresponde a la energía máxima de los electrones empleados para el
bombardeo. Este espectro continuo se denomina a veces con el término alemán
bremsstrahlung, que significa ‘radiación de frenado’, y es independiente de la
naturaleza del blanco. Si se analizan los rayos X emitidos con un espectrómetro de
rayos X, se encuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro
continuo; estas líneas, conocidas como rayos X característicos, corresponden a
longitudes de onda que dependen exclusivamente de la estructura de los átomos del
blanco. En otras palabras, un electrón de alta velocidad que choca contra el blanco
puede hacer dos cosas: inducir la emisión de rayos X de cualquier energía menor que
su energía cinética o provocar la emisión de rayos X de energías determinadas, que
dependen de la naturaleza de los átomos del blanco.
Producción de rayos X
El primer tubo de rayos X fue el tubo de Crookes, llamado así en honor a
su inventor, el químico y físico británico William Crookes; se trata de una ampolla de
vidrio bajo vacío parcial con dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica pasa por
un * tubo de Crookes, el gas residual que contiene se *ioniza, y los iones positivos
golpean el cátodo y expulsan electrones del mismo. Estos electrones, que forman un
haz de rayos catódicos, bombardean las paredes de vidrio del tubo y producen
rayos X. Estos tubos sólo generan rayos X blandos, de baja energía.
*(Tubo de Crookes, dispositivo que genera un haz de electrones de alta
velocidad, inventado por el físico y químico británico sir William Crookes. Está hecho
de vidrio y contiene aire o gas a baja presión (alrededor de 1/10.000 de la presión
atmosférica normal). Cuando se crea una diferencia de potencial elevada entre los
electrodos situados en un extremo del tubo, se genera una incandescencia verde o
dorada en el otro extremo del cristal, donde se encuentra el ánodo. La incandescencia
la producen los haces de electrones al golpear el cristal, conocidos como rayos
catódicos.
Se suele utilizar un tipo de tubo de Crookes provisto de una placa metálica
entre el cátodo y la pantalla para demostrar las propiedades de los electrones. La placa
crea una sombra con su forma en la incandescencia, lo que indica que los electrones,
al igual que la luz, viajan en línea recta. La forma del cátodo permite dirigir y
concentrar los electrones en el lugar deseado. Los primeros aparatos de rayos X eran
tubos de Crookes donde los electrones se enfocaban a un anticátodo metálico para
producir los rayos).
Cuando se hace el vacío en el tubo y se aplica una diferencia de potencial
elevada, un extremo brilla a causa de los rayos catódicos que inciden sobre él.
Crookes colocó pequeños objetos en el tubo y comprobó que formaban sombras en
el extremo, por lo que concluyó que los rayos (electrones, según sabemos hoy) se
desplazan en línea recta.
Tubo de Crookes
En la década de 1870 William Crookes construyó este dispositivo,
precursor de los tubos de imagen de los receptores de televisión, para estudiar los
rayos catódicos.
*(Ion, partícula que se forma cuando un átomo neutro o un grupo de
átomos ganan o pierden uno o más electrones. Un átomo que pierde un electrón
forma un ion de carga positiva, llamado catión; un átomo que gana un electrón forma
un ion de carga negativa, llamado anión. Los átomos pueden transformarse en iones
por radiación de ondas electromagnéticas con la suficiente energía. Este tipo de
radiación recibe el nombre de radiación de ionización).
Ionización, formación de moléculas o átomos con carga eléctrica. Los
átomos son eléctricamente neutros ya que los electrones con carga negativa son
iguales en número a los protones de carga positiva en los núcleos. Al combinarse
sodio con cloro, para formar cloruro de sodio, cada átomo de sodio cede un electrón a
un átomo de cloro, dando como resultado un ion sodio con carga positiva y un ion
cloro con carga negativa. En un cristal de cloruro de sodio la fuerte atracción
electrostática entre iones de cargas opuestas mantiene firmemente los iones en su sitio,
estableciéndose un enlace iónico. Cuando el cloruro de sodio se funde, los iones
tienden a disociarse a causa de su movimiento térmico y pueden moverse libremente.
Si se colocan dos electrodos en cloruro de sodio fundido y se le aplica una diferencia
de potencial eléctrico, los iones sodio emigran al electrodo negativo y los iones cloro
lo hacen al electrodo positivo, produciendo una corriente eléctrica. Cuando se disuelve
cloruro de sodio en agua, los iones tienen aún más facilidad para disociarse (por la
atracción entre los iones y el disolvente), y esta disolución es un excelente conductor
de la electricidad. Las disoluciones de la mayoría de los ácidos inorgánicos, bases y
sales son poco conductoras de la electricidad y reciben el nombre de electrólitos.
Un primer perfeccionamiento del tubo de rayos X fue la introducción de un
cátodo curvo para concentrar el haz de electrones sobre un blanco de metal pesado,
llamado anticátodo o ánodo. Este tipo de tubos genera rayos más duros, con menor
longitud de onda y mayor energía que los del tubo de Crookes original; sin embargo,
su funcionamiento es errático porque la producción de rayos X depende de la presión
del gas en el tubo.
La siguiente gran mejora la llevó a cabo en 1913 el físico estadounidense
*William David Coolidge. El tubo de Coolidge tiene un vacío muy alto y contiene un
filamento calentado y un blanco. Esencialmente, es un *tubo de vacío termoiónico en
el que el cátodo emite *electrones al ser calentado por una corriente auxiliar, y no al
ser golpeado por iones, como ocurría en los anteriores tipos de tubos. Los electrones
emitidos por el cátodo calentado se aceleran mediante la aplicación de una alta tensión
entre los dos electrodos del tubo. Al aumentar la tensión disminuye la longitud de
onda mínima de la radiación.
* (Electrón, tipo de partícula elemental que, junto con los protones y los
neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones intervienen en una gran
variedad de fenómenos. El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado
por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor
también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. En los tubos de vacío,
un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para
amplificar o rectificar una corriente eléctrica . Si esa corriente se enfoca para formar
un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos Si se dirigen los rayos
catódicos hacia un objetivo adecuado, producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla
fluorescente de un tubo de televisión, producen imágenes visibles. Las partículas beta
de carga negativa que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones.
dispositivos electrónicos que
consisten en una cápsula de vacío de acero o de vidrio, con dos o más electrodos entre
los cuales pueden moverse libremente los electrones. El diodo de tubo de vacío fue
desarrollado por el físico inglés John Ambrose Fleming. Contiene dos electrodos: el
cátodo, un filamento caliente o un pequeño tubo de metal caliente que emite
electrones a través de emisión termoiónica, y el ánodo, una placa que es el elemento
colector de electrones. En los diodos, los electrones emitidos por el cátodo son
atraídos por la placa sólo cuando ésta es positiva con respecto al cátodo. Cuando la
placa está cargada negativamente, no circula corriente por el tubo. Si se aplica un
potencial alterno a la placa, la corriente pasará por el tubo solamente durante la mitad
positiva del ciclo, actuando así como rectificador. Los diodos se emplean en la
rectificación de corriente alterna. La introducción de un tercer electrodo, llamado
rejilla, interpuesto entre el cátodo y el ánodo, forma un triodo, que ha sido durante
muchos años el tubo base utilizado para la amplificación de corriente. El triodo fue
inventado por el ingeniero estadounidense Lee De Forest en 1906. La rejilla es
normalmente una red de cable fino que rodea al cátodo y su función es controlar el
flujo de corriente. Al alcanzar un potencial negativo determinado, la rejilla impide el
flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo.
*Tubos de vacío o Válvulas de vacío,
Con potenciales negativos más bajos el flujo de electrones depende del
potencial de la rejilla. La capacidad de amplificación del triodo depende de los
pequeños cambios de voltaje entre la rejilla y el cátodo, que a su vez causan grandes
cambios en el número de electrones que alcanzan el ánodo. Con el paso del tiempo se
han desarrollado tubos más complejos con rejillas adicionales que proporcionan
mayor amplificación y realizan funciones específicas. Los tetrodos disponen de una
rejilla adicional, próxima al ánodo, que forma una barrera electrostática entre el ánodo
y la rejilla. De esta forma previene la realimentación de la misma en aplicaciones de
alta frecuencia. El pentodo dispone de tres rejillas entre el cátodo y el ánodo; la
tercera rejilla, la más próxima al ánodo, refleja los electrones emitidos por el ánodo
calentado por los impactos electrónicos cuando la corriente de electrones en el tubo es
elevada. Los tubos con más rejillas, denominados hexodos, heptodos y octodos, se
usan como convertidores y mezcladores de frecuencias en receptores de radio.
Prácticamente la totalidad de los tubos de vacío han sido reemplazados
por transistores, que son más baratos, económicos y fiables. Los tubos todavía
desempeñan un papel importante en determinadas aplicaciones, como las etapas de
potencia de los transmisores de radio y televisión o en equipos militares que deben
resistir el pulso de voltaje inducido por las explosiones nucleares atmosféricas, que
destruyen los transistores.
La mayoría de los tubos de rayos X que se emplean en la actualidad son
tubos de Coolidge modificados. Los tubos más grandes y potentes tienen anticátodos
refrigerados por agua para impedir que se fundan por el bombardeo de electrones. El
tubo antichoque, muy utilizado, es una modificación del tubo de Coolidge, con un
mejor aislamiento de la carcasa (mediante aceite) y cables de alimentación conectados
a tierra. Los aparatos como el * betatrón se emplean para producir rayos x muy duros
de longitud de onda menor que la de los rayos gamma emitidos por elementos
naturalmente radiactivos.
*Betatrón
Es un tipo de acelerador de partículas que son unos dispositivos empleados
para acelerar partículas elementales e iones hasta altas energías. Son los instrumentos
de mayor tamaño y más costosos utilizados en física. Todos tienen los mismos
componentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde
existe un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un
sistema para aumentar la velocidad de las partículas.
Las partículas cargadas se aceleran mediante un campo electrostático.
Cuando se aceleran electrones, éstos experimentan un gran aumento de masa a
energías relativamente bajas. Un electrón con una energía de 1 MeV tiene una masa
tres veces mayor que un electrón en reposo. No es posible adaptar los
sincrociclotrones a un aumento de masa tan grande. Por eso se utiliza otro tipo de
acelerador cíclico, el betatrón, para acelerar electrones. El betatrón está formado por
una cámara toroidal en la que se ha hecho el vacío. La cámara está situada entre los
polos de un electroimán. Los electrones se mantienen en una trayectoria circular
mediante un campo magnético denominado ‘campo de guía’. El electroimán es
alimentado por una corriente alterna, y la fuerza electromotriz inducida por la
variación del flujo magnético a lo largo de la órbita circular acelera los electrones.
Durante el funcionamiento se modifican tanto el campo de guía como el flujo
magnético para mantener constante el radio de la órbita de los electrones.
Propiedades de los rayos X
Los rayos X afectan a una emulsión fotográfica del mismo modo que lo hace la
luz . La absorción de rayos X por una sustancia depende de su densidad y masa
atómica. Cuanto menor sea la masa atómica del material, más transparente será a los
rayos X de una longitud de onda determinada. Cuando se irradia el cuerpo humano
con rayos X, los huesos —compuestos de elementos con mayor masa atómica que los
tejidos circundantes— absorben la radiación con más eficacia, por lo que producen
sombras más oscuras sobre una placa fotográfica. En la actualidad se utiliza radiación
de neutrones para algunos tipos de radiografía, y los resultados son casi los inversos.
Los objetos que producen sombras oscuras en una imagen de rayos X aparecen casi
siempre claros en una radiografía de neutrones.
Fluorescencia
Los rayos X también producen fluorescencia en determinados materiales,
como el platinocianuro de bario o el sulfuro de cinc. Si se sustituye la película
fotográfica por uno de estos materiales fluorescentes, puede observarse directamente
la estructura interna de objetos opacos. Esta técnica se conoce como fluoroscopia.
Ionización
Otra característica importante de los rayos X es su poder de ionización, que
depende de su longitud de onda. La capacidad de ionización de los rayos X
monocromáticos es directamente proporcional a su energía. Esta propiedad
proporciona un método para medir la energía de los rayos X. Cuando se hacen pasar
rayos X por una cámara de ionización se produce una corriente eléctrica proporcional
a la energía del haz incidente. Además de la cámara de ionización, otros aparatos más
sensibles como el contador Geiger o el contador de centelleo también miden la energía
de los rayos X a partir de la ionización que provocan. Por otra parte, la capacidad
ionizante de los rayos X hace que su trayectoria pueda visualizarse en una cámara de
niebla o de burbujas.
Camara de ionización , contador Geiger , contador de centelleo
( Uno de los primeros detectores que se empleó en física nuclear fue la
cámara de ionización, que está formada esencialmente por un recipiente cerrado que
contiene un gas y dos electrodos con potenciales eléctricos diferentes. Según el tipo de
instrumento, los electrodos pueden ser placas paralelas o cilindros coaxiales. Otra
posibilidad es que las paredes de la cámara constituyan uno de los electrodos, siendo
el otro un alambre o varilla situado en su interior. Las partículas o radiaciones
ionizantes que entran en la cámara, ionizan el gas situado entre los electrodos. Los
iones así producidos se desplazan hacia el electrodo de signo contrario (los iones de
carga negativa se desplazan hacia el electrodo positivo, y viceversa), con lo que se
crea una corriente que puede amplificarse y medirse directamente con un electrómetro
—un electroscopio dotado de una escala— o amplificarse y registrarse mediante
circuitos electrónicos.
Las cámaras de ionización adaptadas para detectar las partículas
individuales de radiación ionizante se denominan contadores. Uno de los más
versátiles y utilizados es el contador de Geiger-Müller, o simplemente contador
Geiger. Fue desarrollado por el físico alemán Hans Geiger a partir de un instrumento
inventado por él mismo y por el físico británico Ernest Rutherford; este instrumento
fue mejorado por Geiger y por el físico estadounidense de origen alemán Walter
Müller en 1928. El tubo contador está lleno de un gas o mezcla de gases a baja
presión. Los electrodos son la delgada pared metálica del tubo y un alambre fino,
generalmente de volframio, que se extiende longitudinalmente a lo largo del eje del
tubo. Un fuerte campo eléctrico establecido entre los electrodos acelera los iones, que
colisionan con átomos del gas liberando electrones y produciendo más iones. Si la
tensión entre los electrodos se hace suficientemente grande, la corriente cada vez
mayor producida por una única partícula desencadena una descarga a través del
contador. El pulso causado por cada partícula se amplifica electrónicamente y hace
funcionar un altavoz o un contador mecánico o electrónico.
Contador de centelleo
El contador de centelleo se basa en la ionización producida por partículas
cargadas que se desplazan a gran velocidad en determinados sólidos y líquidos
transparentes, conocidos como materiales centelleantes. La ionización produce
destellos de luz visible . Los gases argón, criptón y xenón producen luz ultravioleta,
por lo que no se emplean en los contadores de centelleo. En los primeros años de la
década de 1900 se inventó un dispositivo de centelleo primitivo conocido como
espintariscopio, que tuvo una importancia considerable en el desarrollo de la física
nuclear. Sin embargo, el espintariscopio exigía contar los centelleos manualmente. La
poca fiabilidad de este método hizo que los físicos utilizaran otros detectores, entre
ellos el contador de Geiger-Müller. El método de centelleo resurgió en 1947: al
colocar el material de centelleo delante de un tubo fotomultiplicador, un tipo de célula
fotoeléctrica, los destellos de luz se convertían en pulsos eléctricos que podían
amplificarse y registrarse electrónicamente.
Como material de centelleo se emplean diferentes sustancias orgánicas e
inorgánicas, como plástico, sulfuro de cinc, yoduro de sodio o antraceno. Algunas
sustancias reaccionan mejor que otras a determinados tipos de radiación, por lo que
hay instrumentos muy diversos. En numerosos campos de la investigación actual, el
contador de centelleo resulta superior a todos los demás dispositivos de detección. Ha
sustituido al contador Geiger en la detección de trazadores biológicos y en la
prospección de minerales radiactivos. También se emplea en la investigación de
partículas elementales. Un contador de centelleo denominado Crystal Ball (‘bola de
cristal’) se utiliza desde 1979 para la investigación avanzada en partículas
elementales, primero en el Stanford Linear Accelerator Center, de Estados Unidos, y
desde 1982 en el DESY, el Laboratorio Alemán del Sincrotrón de Electrones, de
Hamburgo. El Crystal Ball es una esfera hueca de cristal con un diámetro de unos 2
metros, rodeada por 730 cristales de yoduro de sodio.
Difracción de rayos X
Los rayos X pueden difractarse al atravesar un cristal, o ser dispersados por él,
ya que el cristal está formado por redes de átomos regulares que actúan como redes de
difracción muy finas. Los diagramas de interferencia resultantes pueden fotografiarse
y analizarse para determinar la longitud de onda de los rayos X incidentes o la
distancia entre los átomos del cristal, según cuál de ambos datos se desconozca . Los
rayos X también pueden difractarse mediante redes de difracción rayadas si su
espaciado es aproximadamente igual a la longitud de onda de los rayos X.
Fotografía de difracción de rayos X
La difracción de rayos X ha sido un instrumento muy útil para entender la
estructura de los sólidos. La red de átomos en un cristal funciona como una serie de
barreras y aberturas que difractan los rayos X que lo atraviesan. Los rayos X
difractados forman un diagrama de interferencia que se puede utilizar para
determinar la distancia entre los átomos del cristal. Esta fotografía muestra el
diagrama de interferencia que resulta cuando los rayos X atraviesan un complejo de
coordinación de paladio, un compuesto con un átomo de paladio en el centro de
cada molécula.
Interacción con la materia
En la interacción entre la materia y los rayos X existen tres mecanismos por
los que éstos son absorbidos; los tres demuestran la naturaleza cuántica de los
rayos X.
Naturaleza de los rayos x :habia dos teorias cuanticas la teoría corpuscular,
que explica la luz como una corriente de partículas, y la teoría ondulatoria, que
considera la luz como ondas electromagnéticas. Un tercer problema era la ausencia de
una base molecular para la termodinámica. Introducción del cuanto de Planck a
principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras
dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la
solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto
de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados
por los físicos en los últimos años del siglo XIX (el término ‘cuerpo negro’ se refiere
a un cuerpo o superficie ideal que absorbe toda la energía radiante sin reflejar
ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor parte de su
radiación en las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura
más alta —al rojo blanco— emite proporcionalmente más radiación en frecuencias
más altas (amarillo, verde o azul). Durante la década de 1890, los físicos llevaron a
cabo estudios cuantitativos detallados de esos fenómenos y expresaron sus resultados
en una serie de curvas o gráficas. La teoría clásica, o precuántica, predecía un
conjunto de curvas radicalmente diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue
diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud;
después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue
que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hu, donde u es la frecuencia
de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.
Efecto fotoeléctrico
Cuando un cuanto de radiación o fotón correspondiente a la zona de rayos X
del espectro electromagnético choca contra un átomo, puede golpear un electrón de
una capa interna y expulsarlo del átomo. Si el fotón tiene más energía que la necesaria
para expulsar el electrón, le transferirá esta energía adicional en forma de energía
cinética. Este fenómeno, denominado efecto fotoeléctrico, tiene lugar principalmente
en la absorción de rayos X de baja energía.
Efecto Compton
El efecto Compton, descubierto en 1923 por el físico y educador
estadounidense Arthur Holly Compton, es una manifestación importante de la
absorción de rayos X de menor longitud de onda. Cuando un fotón de alta energía
choca con un electrón, ambas partículas pueden ser desviadas formando un ángulo con
la trayectoria de la radiación incidente de rayos X. El fotón incidente cede parte de su
energía al electrón y sale del material con una longitud de onda más larga. Estas
desviaciones acompañadas por un cambio en la longitud de onda se conocen como
dispersión Compton
Producción por pares
.En el tercer tipo de absorción, que se observa especialmente cuando se
irradian elementos de masa atómica elevada con rayos X de muy alta energía, se
produce el fenómeno de producción de pares. Cuando un fotón de alta energía penetra
en la capa electrónica cercana al núcleo, puede crear un par de electrones, uno con
carga negativa y otro con carga positiva; los electrones con carga positiva se conocen
también como positrones. La producción de pares es un ejemplo de la conversión de
energía en masa. El fotón necesita una energía de al menos 1,2 MeV para
proporcionar la masa del par. Si el fotón incidente posee más energía de la necesaria
para la producción del par, el exceso de energía se cede al par de electrones en forma
de energía cinética. Las trayectorias de las dos partículas son divergentes.
Aplicaciones de los rayos X
Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación
científica, la industria y la medicina.
Investigación
El estudio de los rayos X ha desempeñado un papel primordial en la física
teórica, sobre todo en el desarrollo de la mecánica cuántica. Como herramienta de
investigación, los rayos X han permitido confirmar experimentalmente las teorías
cristalográficas. Utilizando métodos de difracción de rayos X es posible identificar las
sustancias cristalinas y determinar su estructura. Casi todos los conocimientos
actuales en este campo se han obtenido o verificado mediante análisis con rayos X.
Los métodos de difracción de rayos X también pueden aplicarse a sustancias
pulverizadas que, sin ser cristalinas, presentan alguna regularidad en su estructura
molecular. Mediante estos métodos es posible identificar sustancias químicas y
determinar el tamaño de partículas ultramicroscópicas. Los elementos químicos y sus
isótopos pueden identificarse mediante espectroscopia de rayos X, que determina las
longitudes de onda de sus espectros de líneas característicos. Varios elementos fueron
descubiertos mediante el análisis de espectros de rayos X.
Algunas aplicaciones recientes de los rayos X en la investigación van
adquiriendo cada vez más importancia. La microrradiografía, por ejemplo, produce
imágenes de alta resolución que pueden ampliarse considerablemente. Dos
radiografías pueden combinarse en un proyector para producir una imagen
tridimensional llamada estereorradiograma. La radiografía en color también se emplea
para mejorar el detalle; en este proceso, las diferencias en la absorción de rayos X por
una muestra se representan como colores distintos. La microsonda de electrones, que
utiliza un haz de electrones muy preciso para generar rayos X sobre una muestra en
una superficie de sólo una micra cuadrada, proporciona también una información muy
detallada.
Industria
Además de las aplicaciones de los rayos X para la investigación en física,
química, mineralogía, metalurgia y biología, los rayos X también se emplean en la
industria como herramienta de investigación y para realizar numerosos procesos de
prueba. Son muy útiles para examinar objetos, por ejemplo piezas metálicas, sin
destruirlos. Las imágenes de rayos X en placas fotográficas muestran la existencia de
fallos, pero la desventaja de este sistema es que el equipo de rayos X de alta potencia
que se necesita es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos se emplean
radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en vez de equipos de
rayos X. Estas fuentes de isotópos pueden albergarse en contenedores relativamente
ligeros, compactos y blindados. Para la radiografía industrial se suelen utilizar el
cobalto 60 y el cesio 137. En algunas aplicaciones médicas e industriales se ha
empleado tulio 70 en proyectores isotópicos pequeños y cómodos de usar.
Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante
rayos X, para que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de
producción. Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la
identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en las
aduanas; también se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los
equipajes. Los rayos X ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad de
obras de artes para restaurar cuadros.
Medicina
Las fotografías de rayos X o radiografías y la fluoroscopia se emplean mucho
en medicina como herramientas de diagnóstico. En la radioterapia se emplean rayos X
para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores
a la radiación.
Radiología, especialidad médica que utiliza la radiación para el
diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades. Los rayos X y los restantes tipos de
radiación son formas de energía producidas durante la desintegración de los átomos. La
radiología, en sus vertientes diagnóstica y terapéutica, emplea radiaciones ionizantes
(rayos alfa, beta, gamma y rayos X)
Radiología diagnóstica Subespecialidad de la radiología que estudia la
estructura anatómica y la fisiología de los tejidos normales y de los tejidos alterados por
distintas enfermedades a través de imágenes estáticas o dinámicas. La gran mayoría de
las imágenes se obtienen exponiendo la región corporal que se quiere analizar a un haz
de rayos X: éstos inciden luego sobre una película sensible (placa), y producen una
imagen estática. La imagen obtenida se denomina radiografía o placa de rayos X y
puede ser de varios tipos: una radiografía simple, como la habitual placa de tórax; una
tomografía radiografía obtenida de manera que, a través del cálculo del momento de la
exposición y el movimiento de la placa de rayos, se obtiene la representación de un
plano predeterminado de la región corporal atravesada por el haz; o una tomografía
axial computerizada (escáner, o TAC): un fino haz de rayos se proyecta desde todos los
puntos de un área circular alrededor de la región a estudiar, y el análisis computerizado
de la información obtenida permite obtener una imagen que representa un corte de esa
región.
.
La utilidad de las radiografías para el diagnóstico se debe a la capacidad de
penetración de los rayos X. A los pocos años de su descubrimiento ya se empleaban
para localizar cuerpos extraños, por ejemplo balas, en el interior del cuerpo humano.
Con la mejora de las técnicas de rayos X, las radiografías revelaron minúsculas
diferencias en los tejidos, y muchas enfermedades pudieron diagnosticarse con este
método. Los rayos X eran el método más importante para diagnosticar la tuberculosis
cuando esta enfermedad estaba muy extendida. Las imágenes de los pulmones eran
fáciles de interpretar porque los espacios con aire son más transparentes a los rayos X
que los tejidos pulmonares. Otras cavidades del cuerpo pueden llenarse artificialmente
con materiales de contraste, de forma que un órgano determinado se vea con mayor
claridad. El sulfato de bario, muy opaco a los rayos X, se utiliza para la radiografía del
aparato digestivo. Para examinar los riñones o la vesícula biliar se administran
determinados compuestos opacos por vía oral o intravenosa. Estos compuestos pueden
tener efectos secundarios graves, por lo que sólo deben ser empleados después de una
consulta cuidadosa. De hecho, el uso rutinario de los rayos X se ha desaconsejado en
los últimos años, ya que su utilidad es cuestionable.
Un aparato de rayos X de invención reciente, y que se emplea sin
compuestos de contraste, proporciona visiones claras de cualquier parte de la
anatomía, incluidos los tejidos blandos. Se conoce como escáner (scanner) o aparato
de tomografía axial computerizada; gira 180° en torno al cuerpo del paciente
emitiendo un haz de rayos X del grosor de un lápiz en 160 puntos diferentes. Unos
cristales situados en los puntos opuestos reciben y registran la absorción de los
distintos espesores de tejido y huesos. Estos datos se envían a un ordenador o
computadora que convierte la información en una imagen sobre una pantalla. Con la
misma dosis de radiación que un aparato de rayos X convencional, puede verse todo
un corte de espesor determinado del cuerpo con una claridad aproximadamente 100
veces mayor. El escáner fue inventado en 1972 por el ingeniero electrónico británico
Godfrey Hounsfield, y en 1979 ya se había generalizado su uso.
Escáner de huesos con contraste
La estructura de los huesos de un paciente se muestra en esta imagen que revela los
niveles de radiactividad en el cuerpo. La actividad se produce al introducir en los tejidos un
isótopo radiactivo que muestra el recorrido del flujo sanguíneo. Este flujo, al pasar por los
huesos, se ve alterado en algunas enfermedades, por lo que estas imágenes son de gran
valor para los diagnósticos.
Aplicaciones de los rayos X
Desde su descubrimiento accidental en 1895, los rayos X han sido una importante
herramienta en el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades. Los rayos X se
producen bombardeando un objetivo de volframio con electrones de alta velocidad, y son
absorbidos en mayor o menor medida por los distintos tejidos corporales. En un negativo
fotográfico, los huesos aparecen en blanco y los tejidos blandos en gris. Los rayos X de
diagnóstico empleados en medicina y odontología son de baja intensidad. Para el
tratamiento de tumores se emplean rayos X de alta intensidad que destruyen los tejidos
cancerosos, especialmente vulnerables.
Radiografías de los faraones
Desde los años 20 , los científicos utilizan los rayos x para estudiar las
momias.Este método paleo patologico proporciona una imagen detallada del
esqueleto de la momia sin que sea necesario retirar las vendas.
HISTORIA SOBRE LOS RAYOS X
El descubrimiento de los rayos x
8 de noviembre de 1895. «Lo más impresionante de este fenómeno es que la
caja de cartón negra no deja pasar los rayos visibles ni los ultravioleta de la luz solar o
de la luz producida por un arco eléctrico y, sin embargo, es atravesada por un agente
capaz de crear una fluorescencia intensa. De este modo describe el físico Wilhelm
Conrad Roentgen (18451923) estos rayos, desconocidos hasta el momento, que
recibirían el nombre de «rayos Roentgen» y proporcionarían a la ciencia imágenes
completamente nuevas del interior del organismo, que hasta entonces permanecía
oculto.
Roentgen, catedrático de fésica en Wurzburgo, hace este descubrimiento
mientras estudia las propiedades de los rayos catódicos. Cuando conecta un tubo de
rayos catódicos de Hittorf, observa que la pantalla que había recubierto de cristales de
bario, platino y cianuro brilla con luz fluorescente, a pesar de haber tapado el tubo con
un cartón de color negro.
Esta fluorescencia aparece incluso a dos metros de distancia, donde no se
ha podido demostrar que lleguen los rayos catódicos. Por ello Roentgen está seguro de
haber descubierto algo nuevo: los «rayos X», tal como los denomina él en su informe
provisional Sobre un nuevo tipo de rayos. El 28 de diciembre de 1895, presenta su
estudio en la Sociedad de Física y Medicina de Wurzburgo.
Durante las semanas siguientes a su descubrimiento, Roentgen lleva a
cabo numerosos experimentos para estudiar por separado las propiedades de estos
nuevos rayos. Constata cómo varía la absorción de los rayos X al atravesar cuerpos de
distinto grosor.
Con ellos proyecta sombras sobre una pantalla fluorescente o sobre una
placa fotográfica, y el 22 de diciembre de 1895 obtiene una de las primeras imágenes
con rayos X de la historia. Con un tiempo de exposición de más de 20 minutos,
consigue fotografiar el esqueleto de la mano de su mujer. En la lotografía se aprecian
los huesos y las partes blandas.
A finales de 1895 y principios de 1896, el sensacional descubrimiento de
Roentgen se anuncia en todo el mundo. Invitado por el emperador alemán Guillermo 11,
el 13 de enero de 1896, Roentgen pronuncia una conferencia experimental en el Castillo
de Berlín. El 23 de ese mismo mes, describe el nuevo tipo de rayos en la Sociedad de
Física y Medicina de Wurzburgo, y demuestra que son capaces de atravesar los
materiales sólidos como el papel, la madera y el metal, pero también su propia mano.
Cuando fotografía la mano del conocido anatomista Albertvon Kölliker (1817-1905) el
público queda fascinado. Kölliker propone dar a los rayos el nombre de su descubridor.
En las semanas siguientes, las posibilidades de los nuevos rayos causan un
gran impacto, pero frente a esta euforia Roentgen se mantiene prudente. A la pregunta
de si es posible fotografiar también los órganos internos, responde: «Eso ya se verá.
No hemos hecho más que empezar, y con el tiempo veremos el rumbo que toman los
acontecimientos.»
Ya en 1896 se inicia una fase deexperimentación muy activa con los rayos
X. En muchos lugares se instalan aparatos de rayos X, y se trabaja para mejorar la
técnica. Sin embargo, debido al elevado coste de este instrumental, su utilización
queda reducida a los institutos de fisica. A finales de enero, la revista Wiener
klinische Wochenschrift reproduce la primera imagen radiográfica (roentgenológica)
de un vaso sanguíneo (angiograma) correspondiente a la mano de un cadáver, lo que
contribuye eficazmente al desarrollo de la radiología.
Éxitos de la radiología
Justo después de que Wilhelm Conrad Roentgen descubriera los rayos X,
se inicia una intensa actividad en este campo; prueba de ello son las más de 1 000
publicaciones que aparecen en 1896 sobre este tema. Con ello da comienzo la era de
la roentgenología y la radiología (- pág. 358). La siguiente enumeración presenta un
resumen cronológico de los primeros descubrimientos y logros más importantes de
esta nueva técnica:
Diagnóstico mediante rayos X 23 de enero de 1896. En la publicación
vienesa Neue Freie Presse aparece el primer anuncio para vender aparatos de rayos X.
Octubre de 1896. Max LevyDom (1863-1929) establece en Berlín el primer
laboratorio radiográfico privado bajo la dirección de un médico. De 1906 a 1929,
Levy-Dorn dirige la unidad de rayos X de¡ hospital Rudolf-Virchow de Berlín.
1896197. Se imparten las primeras clases de radiología en la Universidad de
Viena.
1897. Heinrich Albers-Schónberg (1865-192 1) fimda en Hamburgo un instituto
dedicado a la radiología. Se trata del primer médico (especialista) que se dedica de
manera exclusiva a este campo.
1897. Aparece la primera revista radiográfica, Fortschrille aufdem Gebiete der
Roenigenst;-ahlen, que dirige Albers-Schónberg.
1904. Rudolf Grashey, (18761950) utiliza por primera vez tubos de rayos X en la
mesa de operaciones.
La radioterapia
Noviembre de 1896. Leopold Freund (1868-1943), un médico asistente
de¡ hospital general de Viena, emplea por primera vez los rayos X con fines terapéuti~
cos, para tratar a una joven que presenta una malformación de un nevo velloso
(antojos) en el cuello y en la espalda. Como efecto secundario, este tratamiento le
provoca una grave ulceración en la piel. Este tipo de lesiones y trastornos ocasionados
por los rayos X no tardan en manifestarse, pero los médicos suelen subestimar su
gravedad.
19 de diciembre de 1899. Tage Sjógren ( 1859-1939), un radiólogo sueco,
presenta ante la Asociación de Médicos de Estocolmo la primera curación de un
carcinoma de las células basales de la zona nasal.
1901. Con el descubrimiento de la radiactividad por AntoincHenri Becquerel
(1852-1908) y del radio por Pieri-e y Marie Curie se vislumbran también las
posibilidades terapeuticas de estos rayos .de hecho, Bequerel nota una alteración en la
zona de piel que está en contacto con su bolsillo,dinde hace una semana antes llevaba
un pedazo de radio.
1902. Los médicos estaunidenses Nicholas Senn (18441909) y Williaili A. Pusey
(18651940) consiguen mejorar considerablemente el cuadro hepático de los pacientes
con leucemia. Con ello se inicia la era de la «radioterapia profunda» con rayos X, que
adquiere especial importancia en el tratamiento contra el cáncer (sobre todo en el
ámbito de la ginecología).
1905. El estadounidense Robert Abbe (1851-1928) explica los logros de la
radioterapia en el tratamiento del cáncer de útero ..
Trastornos producidos por la irradiación
Muchos médicos, físicos y técnicos, que se exponen a los rayos sin ningún
tipo de protección, sufren graves trastornos cutáneos y mutilaciones, y con frecuencia
mueren de leucemia, ya que se desconocían los efectos de losrayos ionizantes. Así, el
especialista alemán Heinrich Albers-Schijnherg, uno de los pioneros del diagnóstico
con riiyos X, sufre, en 1910, la amputación del brazo izquierdo. En 1921 muere como
consecuencia de los trastornos provocados por los rayos X.
Indice
-Historia sobre los rayos x
-Descubrimiento de los rayos x.
-Exitos de la radiolgía.
-La radioterapia.
-Definición delos rayos x
-Tipos
-Naturaleza de los rayos x
-Producción de los rayos x
-Propiedades de los rayos x
- Fuorescencia
- Ionización
-Difracción
-Interaccióncon la materia
-Aplicaciones de los rayos x
-Investigación
-Industria
-Medicina
-Arqueología
-Bibliografías
- Roentgen
- Crookes
Bibliografías
Roentgen, Wilhelm Conrad (1845-1923), físico alemán y
primer Premio Nobel de Física. Roentgen nació en Lennep (hoy parte de Remscheid,
Alemania) y estudió en la Universidad de Zurich. En noviembre de 1895 leyó ante la
Sociedad Físico-Médica de Würzburg un informe sobre su descubrimiento de
radiaciones de onda corta a las que denominó rayos X. Más tarde estos rayos
recibieron su nombre pero se siguen conociendo como rayos X. Entre los muchos
galardones por su hallazgo, que revolucionó la física y la medicina, recibió la Medalla
Rumford de la Sociedad Real de Londres en 1896 y el primer Premio Nobel de Física
en 1901. También realizó descubrimientos en mecánica, calor y electricidad.
(Crookes, Sir William (1832-1919), químico y físico británico, nació en
Londres y estudió en el Colegio Real de Química. En 1859 fundó la revista de
divulgación Chemical News, y en 1864 fue editor del Quarterly Journal of Science.
Crookes fue nombrado sir en 1897 y en 1910 recibió la Orden del Mérito.
Crookes dirigió sus investigaciones hacia campos diferentes. Descubrió el
talio y desarrolló un proceso de amalgamación para separar la plata y el oro de sus
minerales. En química aplicada trabajó en cuestiones como el tratamiento de las
aguas de cloacas y alcantarillas, la fabricación del azúcar de remolacha (betabel) y el
tinte de tejidos. Su trabajo más importante, sin embargo, fue la investigación sobre la
conducción de la electricidad en los gases. Inventó el tubo de Crookes para el estudio
de las propiedades de los rayos catódicos. Inventó, también, el radiómetro y el
espintariscopio, un detector de partículas
Trabajo de Física
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Curso : 2º B.C.I.