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.
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 o bremsstrahlung (ver
más adelante), los rayos X se producen por el
frenado o deflexión 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.
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 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.
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.
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.
Propiedades de los rayos X
Los rayos X afectan a una emulsión fotográfica del mismo modo que lo hace la luz (véase Fotografía). 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. Véase Fluoroscopio.
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 (véase
Detectores de partículas) 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.
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 (véase Interferencia). 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.
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. Véase Teoría cuántica.
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 de 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 isótopos 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 arte y para restaurar
cuadros.
Medicina
En relación con las aplicaciones de radioisótopos que emiten rayos gamma