Rayos X rayos X en nuestros días



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Rayos X

Rayos X en nuestros días

De una u otra manera sabemos que existe algo que denominan rayos X. Casi todos hemos oído hablar de radiografías sobre todo cuando existen lesiones de huesos. Al hablar de radiografía conlleva pensar que ella es obtenida a través de un flujo de radiación. Muchos otros, un poco mas informados saben que los rayos X fueron denominados así pues se desconocía su naturaleza. Y algunos de nosotros sabemos que los rayos X, una vez descubiertos, fueron utilizados casi inmediatamente para ver a través del cuerpo y obtener imágenes de nuestros huesos sin intervención quirúrgica.


Los rayos X fueron descubiertos hace algo más de un siglo, en 1895, por Wilhelm Honrad Röntgen, científico alemán de la Universidad de Würzburg (Alemania). Antes de que Röntgen hiciese su descubrimiento, el físico alemán Henrich Hertz, en el año 1892, había descubierto que los rayos catódicos pueden atravesar delgadas láminas metálicas, observación que vuelve a realizar años más tarde. Pero Hertz ya se había hecho famoso antes de ese hallazgo. En efecto, en 1888, había descubierto las ondas eléctricas que llevan su nombre. Sin embargo, ese magno hallazgo no señaló por mucho tiempo el frente más avanzado a la física decimonónica. Siete años después de la hazaña de Hertz, el descubrimiento de los rayos X, realizado por Röntgen, abrió perspectivas imprevistas en la exploración científica. En 1912 se descubrió que la naturaleza de los rayos X era electromagnética. Sin embargo, hasta la década de 1930, se consideró que en ninguna parte de la naturaleza, los rayos X se ofrecen espontáneamente: el físico debe provocarlos en el laboratorio. Pero esa creencia empezó a cambiar a contar del año 1931, cuando el físico S. Chapman propuso que existían radiaciones solares de distinta frecuencia y que eran ellas las responsables de la ionización selectiva de los gases atmosféricos a diversas alturas. En 1938 E. O. Hulburt predijo que rayos X que provenían del sol eran los generadores de la capa E ionosférica. Pero, se trataba de una propugnación, entonces, bastante discutible, ya que no existía ninguna certeza de que el sol pudiese generar rayos X. No fue hasta 1939, en que se empezó a llegar al convencimiento de que el astro rey era un posible productor de rayos X, cuando se confirmó la existencia de temperaturas de hasta 1.000.000oC en la corona solar. En 1948, H. Friedman estudió en detalle la absorción de rayos X en la alta atmósfera y concluyó que no había duda que esta radiación provenía del sol y que era la responsable de la capa E ionosférica. Con este descubrimiento, se dio por terminada la idea de que los rayos X eran solamente un producto de laboratorio.
Los rayos X que se producen fuera de nuestras fronteras terrestres son fenómenos cósmicos altamente energéticos, violentos, muy calientes (de millones de grados) generados en condiciones físicas extremas. Son, por ejemplo, remanentes de explosiones de supernovas que emiten rayos X durante miles de años tras el colapso gravitatorio del astro estelar original. También se han hallado en esta longitud de onda a núcleos muy compactos de estrellas muertas o en las últimas, casi agujeros negros, que absorben gas de astros compañeros y lo calientan hasta tales temperaturas que emiten radiación en esta frecuencia. De esta manera se puede ver que los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada longitud de onda, que es del orden de 10-10 m (equivalente a la unidad de longitud que conocemos como Ángstrom).
Pero, ¿qué es la radiación? La radiación es el transporte de energía a través del espacio, por ondas electromagnéticas o partículas cargadas. La radiación puede ser ionizante o no ionizante. La primera se denomina así pues tiene la suficiente energía para remover electrones de los átomos y romper los enlaces químicos de átomos o moléculas, formando pares de iones en el material irradiado. La segunda simplemente no tiene la energía necesaria para romper esos enlaces, como la radiación ultravioleta (aunque su extremo energético si puede ionizar), luz visible, infrarroja, microondas, ondas de radio, televisión.
Estar expuestos a radiación ionizante es inevitable (como los rayos cósmicos y la radiactividad presente en rocas y tierra. Sin embargo se utiliza la radiación ionizante en medicina para fines de diagnóstico (radiografía) y para tratamiento de cáncer (radioterapia). Radioterapia se define como el uso de radiación ionizante para el tratamiento de alguna enfermedad maligna.
Los rayos X interaccionan con la materia a través de los electrones que la forman. Un haz monocromático (es decir, de una sola longitud de onda) sufre una atenuación de carácter exponencial, proporcional al espesor que atraviesa. La atenuación procede de varios factores: a) el cuerpo se calienta, b) se produce radiación fluorescente de longitud de onda distinta y acompañada de fotoelectrones, ambos característicos del material (eso da lugar a las espectroscopias de foto-electrones, PES y Auger), y c) rayos X dispersados de igual (coherente y Bragg) o ligeramente superior (Compton) longitudes de onda, más los correspondientes electrones dispersados. De todos los efectos, el fundamental es la fluorescencia, en la que la absorción aumenta con la longitud de onda incidente, pero presenta discontinuidades (dispersión anómala) para aquellas energías que corresponden a transiciones electrónicas entre los niveles del material (esto da lugar a las espectroscopias EXAFS).
Los rayos X son como cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Pueden ser producidos en paquetes de energía llamados fotones, así como la luz. Existen diferentes procesos para producir fotones de rayos X. Uno es llamado Bremsstralhung, que es la palabra alemana para significar “radiación de frenado”. El otro es llamado emisión de la capa K. Los dos pueden ocurrir en átomos pesados como el tungsteno.
Y las dos formas de producir rayos X implican un cambio en el estado de los electrones?
Es correcto. Pero Bremsstralhung es más fácil de entender usando la idea clásica de que una radiación es emitida al cambiar la velocidad del electrón disparado al tungsteno. Este electrón se frena después de girar alrededor del núcleo de tungsteno y pierde energía, radiada en forma de rayos X. En el campo cuántico, una cantidad de fotones de diferentes longitudes de onda son producidos, pero ninguno de los fotones tiene más energía de la que tenía el electrón inicial. Después de emitir el espectro de rayos X, el electrón original se frena o se detiene.
Y qué puede hacerle el electrón que viene del cañón a un electrón del nivel k en un átomo de tungsteno?
Puede transmitirle suficiente energía para sacarlo de su nivel energético. Entonces, un electrón de un nivel de energía mayor (de una órbita más exterior) en el átomo de tungsteno puede caer al nivel k. La energía perdida por este electrón se manifiesta en un fotón de rayos X. Mientras tanto, electrones de alta energía caen en el sitio dejado vacío en la órbita externa, repitiendo el proceso. De esta forma la emisión del nivel k puede producir una mayor intensidad de rayos X que el Bremsstralhung, además de que el fotón de rayos X sale con una sola longitud de onda.
La frontera entre la aplicación de rayos X en medicina en el diagnóstico y la terapia es cada vez más pequeña. Imágenes por rayos X son incorporadas a los planes de terapia de cáncer y proveen una visualización en el tiempo real del tejido durante el tratamiento del mal.
Hay otros lugares donde se crean y se utilizan los rayos X, por ejemplo en las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía. Y es en ese momento, en el cambio de dirección, cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un continuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X. Una máquina de rayos X, como las utilizadas en el consultorio de un médico o un dentista, es realmente muy simple. Dentro de la máquina está el tubo de rayos X. Un cañón de electrones dentro del tubo dispara electrones muy energizados a un blanco hecho de átomos pesados, tal como tungsteno. Los rayos X se generan por un proceso atómico inducido por los electrones energizados.
En la industria cerámica y del vidrio, la difracción por rayos X se aplica tradicionalmente para los estudios de estructura y de identificación de minerales. Estos estudios sirven, por ejemplo, para el control de calidad de materias primas, control de proceso por análisis cuantitativos, estudios de deshidratación de arcillas y estudios de cambios de fases cristalinas con la temperatura en materias cerámicas especiales. Las investigaciones por reflectometría de rayos X se añaden últimamente a las aplicaciones tradicionales citadas.


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