Rayos X

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Rayos X

Rayos X

Radiografía tomada por Wilhelm Röntgen en 1896.

La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).

Contenido

Definición

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).

Descubrimiento

La historia de los rayos X comienza con los experimentos del cient√≠fico brit√°nico William Crookes, que investig√≥ en el S. XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energ√≠a. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vac√≠o, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. √Čl lo llam√≥ tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotogr√°ficas, generaba en las mismas algunas im√°genes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continu√≥ investigando este efecto.

Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones.

Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el f√≠sico Wilhelm Conrad R√∂ntgen, realiz√≥ experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos cat√≥dicos para evitar la fluorescencia violeta que produc√≠an los rayos cat√≥dicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cart√≥n negro. Al conectar su equipo por √ļltima vez, llegada la noche, se sorprendi√≥ al ver un d√©bil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco pr√≥ximo hab√≠a un peque√Īo cart√≥n con una soluci√≥n de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observ√≥ un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se produc√≠a nuevamente. Retir√≥ m√°s lejos la soluci√≥n de cristales y comprob√≥ que la fluorescencia se segu√≠a produciendo, as√≠ repiti√≥ el experimento y determin√≥ que los rayos creaban una radiaci√≥n muy penetrante, pero invisible. Observ√≥ que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo.

En las siete semanas siguientes, estudi√≥ con gran rigor las caracter√≠sticas propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pens√≥ en fotograf√≠ar este fen√≥meno y entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotogr√°ficas que ten√≠a en su caja estaban veladas. Intuy√≥ la acci√≥n de estos rayos sobre la emulsi√≥n fotogr√°fica y se dedic√≥ a comprobarlo. Coloc√≥ una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotogr√°fica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotograf√≠a. Hizo varios experimentos con objetos como una br√ļjula y el ca√Ī√≥n de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pas√≥ al cuarto de al lado, cerr√≥ la puerta y coloc√≥ una placa fotogr√°fica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubr√≠a.

Cien a√Īos despu√©s ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un d√≠a memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto que no pod√≠a manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotogr√°fica de cristal y exponer su propia mano a los rayos, le pidi√≥ a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareci√≥ una imagen hist√≥rica en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiogr√°fica del cuerpo humano. As√≠ nace una de las ramas m√°s poderosas y excitantes de la Medicina: la Radiolog√≠a.

El descubridor de estos tipos de rayos tuvo tambi√©n la idea del nombre. Los llam√≥ "rayos inc√≥gnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sab√≠a que eran, ni c√≥mo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido hist√≥rico. De ah√≠ que muchos a√Īos despu√©s, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fen√≥meno, se decidi√≥ que conservaran ese nombre.

La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulg√≥ con mucha rapidez en el mundo. Roentgen fue objeto de m√ļltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedi√≥ la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de F√≠sica en 1901.

El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.

Producción de rayos X

Los rayos X son producto de la desaceleraci√≥n r√°pida de electrones muy energ√©ticos (del orden 1000eV) al chocar con un blanco met√°lico. Seg√ļn la mec√°nica cl√°sica, una carga acelerada emite radiaci√≥n electromagn√©tica, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos X (a partir de cierta longitud de onda m√≠nima). Sin embargo experimentalmente, adem√°s de este espectro continuo, se encuentran l√≠neas caracter√≠sticas para cada material. Estos espectros ‚ÄĒcontinuo y caracter√≠stico‚ÄĒ se estudiar√°n m√°s en detalle a continuaci√≥n.


La producción de rayos X se da en un tubo de rayos X que puede variar dependiendo de la fuente de electrones y puede ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas.

El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vac√≠o en el cual se encuentran dos electrodos en sus extremos. El c√°todo es un filamento caliente de tungsteno y el √°nodo es un bloque de cobre en el cual esta inmerso el blanco. El √°nodo es refrigerado continuamente mediante la circulaci√≥n de agua, pues la energ√≠a de los electrones al ser golpeados con el blanco, es transformada en energ√≠a t√©rmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el c√°todo son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinaci√≥n de 45¬į) y producto de la colisi√≥n los rayos X son generados. Finalmente el tubo de rayos X posee una ventana la cual es transparente a este tipo de radiaci√≥n elaborada en berilio, aluminio o mica.

Rayos X.JPG

El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los electrones y un ánodo. Las partículas ionizadas de nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son atraídas hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo e inyectan electrones a este. Posteriormente los electrones son acelerados hacia el ánodo (que contiene al blanco) a altas energías para luego producir rayos X. El mecanismo de refrigeración y la ventana son los mismos que se encuentran en el tubo con filamento.


Los sistemas de detección más usuales son las películas fotográficas y los dispositivos de ionización.

La emulsión de las películas fotográficas varía dependiendo de la longitud de onda a la cual se quiera exponer. La sensibilidad de la película es determinada por el coeficiente de absorción másico y es restringida a un rango de líneas espectrales. La desventaja que presentan estas películas es, por su naturaleza granizada, la imposibilidad de un análisis detallado pues no permite una resolución grande.

Los dispositivos de ionizaci√≥n miden la cantidad de ionizaci√≥n de un gas producto de la interacci√≥n con rayos X. En una c√°mara de ionizaci√≥n, los iones negativos son atra√≠dos hacia el √°nodo y los iones positivos hacia el c√°todo, generando corriente en un circuito externo. La relaci√≥n entre la cantidad de corriente producida y la intensidad de la radiaci√≥n son proporcionales, as√≠ que se puede realizar una estimaci√≥n de la cantidad de fotones de rayos X por unidad de tiempo. Los contadores que utilizan este principio son el contador Geiger, el contador Proporcional y el contador de destellos. La diferencia entre ellos es la amplificaci√≥n de la se√Īal y la sensibilidad del detector.

Espectros

Espectro continuo

El tubo de rayos X está constituido por dos electrodos (cátodo y ánodo), una fuente de electrones (cátodo caliente) y un blanco. Los electrones se aceleran mediante una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. La radiación es producida justo en la zona de impacto de los electrones y se emite en todas direcciones.

La energía adquirida por los electrones va a estar determinada por el voltaje aplicado entre los dos electrodos. Como la velocidad del electrón puede alcanzar velocidades de hasta (1 / 3)c debemos considerar efectos relativistas, de tal manera que

E=\frac{m_{e}c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}=eV


Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que este puede ceder su energía en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo.

La energía del fotón emitido, por conservación de la energía y tomando los postulados de Planck es

hőĹ = K ‚ąí K'

donde K y K’ es la energía del electrón antes y después de la colisión respectivamente.

El punto de corte con el eje x de la gr√°fica de espectro continuo, es la longitud m√≠nima que alcanza un fot√≥n al ser acelerado a un voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el punto de vista de que los electrones chocan y entregan toda su energ√≠a. La longitud de onda m√≠nima esta dada por őĽ = hc / eV,la energ√≠a total emitida por segundo, es proporcional al √°rea bajo la curva del espectro continuo, del n√ļmero at√≥mico (Z) del blanco y el n√ļmero de electrones por segundo (i). As√≠ la intensidad esta dada por

I = AiZVm

donde A es la constante de proporcionalidad y m una constante alrededor de 2.

Espectro característico

Cuando los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X poseen cierta energía crítica, pueden pasar cerca de una subcapa interna de los átomos que componen el blanco. Debido a la energía que recibe el electrón, este puede escapar del átomo, dejando al átomo en un estado supremamente excitado. Eventualmente, el átomo regresará a su estado de equilibrio emitiendo un conjunto de fotones de alta frecuencia, que corresponden al espectro de líneas de rayos X. Este indiscutiblemente va a depender de la composición del material en el cual incide el haz de rayos X, para el molibdeno, la gráfica del espectro continuo muestra dos picos correspondientes a la serie K del espectro de líneas, estas están superpuestas con el espectro continuo.

La intensidad de cualquier línea depende de la diferencia del voltaje aplicado (V) y el voltaje necesario para la excitación (V’) a la correspondiente línea, y está dada por

I = Bi(V ‚ąí V')N

donde n y B son constantes, e i es el n√ļmero de electrones por unidad de tiempo.

Para la difracci√≥n de rayos X, la serie K del material es la que usualmente se utiliza. Debido a que los experimentos usando esta t√©cnica requieren luz monocrom√°tica, los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X deben poseer energ√≠as por encima de 30 keV. Esto permite que el ancho de la l√≠nea K utilizada sea muy angosto (del orden de 0.001 √Ö). La relaci√≥n entre la longitud de cualquier l√≠nea en particular y el n√ļmero at√≥mico del √°tomo esta dada por la Ley de Moseley

Interacción de los rayos X con la materia

Cuando los rayos X interact√ļan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en parte transmitidos. Esta caracter√≠stica es aprovechada en medicina al realizar radiograf√≠as.

La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad. Esta dada por

Ix = Ioe( ‚ąí őľ / ŌĀ)ŌĀx

őľ / ŌĀ, es caracter√≠stico del material e independiente del estado f√≠sico. \mu el coeficiente lineal de absorci√≥n y rho la densidad del material.

Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorci√≥n m√°sico őľ / ŌĀ es aditivo, de tal manera que


\frac{\mu}{\rho}=w_{1}\left( \frac{\mu}{\rho}\right)_{1}  + w_{2}\left( \frac{\mu}{\rho}\right)_{2} + ...

donde w significa la fracción del elemento constituyente.

Riesgos a la salud

La manera como la radiaci√≥n afecta la salud depende del tama√Īo de la dosis de radiaci√≥n. La exposici√≥n a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no es perjudicial. En cambio, s√≠ se sabe que la exposici√≥n a cantidades masivas puede producir da√Īos graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a m√°s radiaci√≥n ionizante que la necesaria.

La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retardo mental y la muerte. La dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral). Si se aumenta la dosis por encima de la dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante.

Aplicaciones

Médicas

Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X.

Los rayos X son especialmente √ļtiles en la detecci√≥n de enfermedades del esqueleto, aunque tambi√©n se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumon√≠a, c√°ncer de pulm√≥n, edema pulmonar, abscesos.

En otros casos, el uso de rayos X resulta in√ļtil, como por ejemplo en la observaci√≥n del cerebro o los m√ļsculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomograf√≠a axial computarizada, la resonancia magn√©tica o los ultrasonidos.

Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o en estudios de contraste.

Otras

Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos de difracci√≥n de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los √°tomos de la red cristalina. La difracci√≥n de rayos X es una de las herramientas m√°s √ļtiles en el campo de la cristalograf√≠a.

También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.

Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remiti√©ndonos a las f√≥rmulas que tratan el coeficiente de absorci√≥n m√°sico. La √ļnica limitaci√≥n reside en la densidad del material a examinar. Para materiales m√°s densos que el plomo no vamos a tener transmisi√≥n.

Bibliografía

  • B. D. Cullity. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.

Véase también

Enlaces externos


Predecesor:
Radiación ultravioleta
Rayos X
Lon. de onda: 10‚ąí8 m ‚Äď 10‚ąí11 m
Frecuencia: 3√ó1016 Hz ‚Äď 3√ó1019 Hz
Sucesor:
Rayos gamma
Obtenido de "Rayos X"

Wikimedia foundation. 2010.

Mira otros diccionarios:

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  • Rayos X ‚ÄĒ ‚Ėļ locuci√≥n F√ćSICA, MEDICINA Radiaci√≥n muy penetrante que atraviesa los cuerpos de poco peso at√≥mico, aunque sean opacos a la luz que se aplica en las exploraciones m√©dicas del interior del organismo. * * * La denominaci√≥n rayos X designa a una… ‚Ķ   Enciclopedia Universal

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  • rayos X l√≠mite ‚ÄĒ f. pl. terap. Rayos X blandos con una longitud de onda entre 1 y 3 angstroms, situados entre los R√∂ntgen y los ultravioletas; se absorben casi totalmente en los 3 primeros mil√≠metros de la piel y por esta raz√≥n se utilizan en dermatolog√≠a para el ‚Ķ   Diccionario m√©dico

  • Rayos X (ajedrez) ‚ÄĒ Saltar a navegaci√≥n, b√ļsqueda ‚Ķ   Wikipedia Espa√Īol


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