Historia de los rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz
de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales
sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen
radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de
imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 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).
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 científico británico William Crookes, que investigó en
el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía.
Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar
corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este
tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas
imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continuó 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 físico Wilhelm Conrad
Röntgen, realizó experimentos con los tubos de
Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la fluorescencia violeta que
producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para
ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón
negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al
ver un débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo
había un pequeño cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de
bario, en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de
nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró más lejos la
solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se seguía produciendo,
así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante,
pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas de papel e
incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran
rigor las características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos.
Pensó en fotografíar este fenómeno y
entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que
tenía en su caja estaban veladas.[cita requerida]
Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a
comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa
fotográfica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e
impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos
con objetos como una brújula y el cañón de una escopeta. Para comprobar la
distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta
y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la
puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Un año después ninguna de sus investigaciones ha
sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a
realizar la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo
tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y exponer su propia mano a
los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la placa
durante quince minutos. Al revelar la
placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia. Los huesos de la
mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen
radiográfica del cuerpo humano. Así nace una rama de la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también
la idea del nombre. Los llamó "rayos incógnita", o lo que es lo
mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran provocados.
Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que
muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del
fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos
"X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de
múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedió 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 Física 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. Röntgen, 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 se pueden observar cuando un haz de
electrones muy energéticos (del orden de 1 keV) se desaceleran al chocar con un
blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite radiación
electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos
X a partir de cierta longitud de onda mínima dependiente de la energía de los
electrones. Este tipo de radiación se denomina Bremsstrahlung, o ‘radiación de
frenado’. Además, los átomos del material metálico emiten también rayos X
monocromáticos, lo que se conoce como línea de emisión
característica del material. Otra fuente de rayos X es la radiación sincrotrón emitida en aceleradores de partículas.
Para la producción de rayos X en laboratorios,
hospitales, etc. se usan los tubos de rayos X, que pueden ser de dos
clases: tubos con filamento o tubos con gas.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío
en el cual se encuentran dos electrodos en sus extremos. El cátodo es un
filamento de tungsteno y el ánodo es un bloque de metal con un línea
característica de emisión de la energía deseada. Los electrones generados en el
cátodo son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una
inclinación de 45°) y los rayos X son generados como producto de la colisión.
El total de la radiación que se consigue equivale al 1% de la energía emitida;
el resto son electrones y energía térmica, por lo cual el ánodo debe
estar refrigerado para evitar el sobrecalentamiento de la estructura. A veces,
el ánodo se monta sobre un motor rotatorio; al girar continuamente el
calentamiento se reparte por toda la superficie del ánodo y se puede operar a
mayor potencia. En este caso el dispositivo se conoce como «ánodo rotatorio».1 Finalmente,el
tubo de rayos X posee una ventana transparente a los rayos X, elaborada en
berilio, aluminio o mica.
Esquema
de un tubo de rayos catódicos y rayos X
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.
Detectores de rayos X
Existen varios sistemas de detección para rayos X.
EL primer detector usado para este propósito fue la película fotográfica,
preparadas con una emulsión apropiada para la longitud de onda de los rayos X.
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 un margen dinámico muy limitado y el
largo tiempo y manipulaciones que se necesitan para revelarlas, por lo que han
caído en desuso.
En las últimas décadas del siglo XX se empezaron a
desarrollar nuevos detectores bidimensionales capaces de generar directamente
una imagen digitalizada. Entre estos se cuentan las «placas de imagen» (image
plates), recubiertas de un material fosforescente, donde los
electrones incrementan su energía al absorber los rayos X difractados y son
atrapados en este nivel en centros de color. Los electrones
liberan la energía al iluminarse la placa con luz láser, emitiendo luz
con intensidad proporcional a la de los rayos X incidentes en la placa. Estos
detectores son un orden de magnitud más sensibles que la película fotográfica y
poseen un margen dinámico superior en varios órdenes de magnitud. Otro tipo de
dector bidimensional digital muy utilizado consiste en una placa fosforescente
acoplada a una cámara CCD.2 En los años 2000
se empezaron a utilizar fotodiodos alineados formando una placa, denominados PAD (Pixel
Array Detectors). Estos detectores se caracterizan por un gran margen
dinámico y un tiempo muerto entre imágenes muy bajo, del orden de milisegundos.3
Otros detectores comúnmente usados para la
detección de rayos X son los dispositivos de ionización, que miden la cantidad
de ionización producto de la interacción con rayos X con las moléculas de un
gas. En una cámara de ionización, los iones negativos son atraídos hacia el
ánodo y los iones positivos hacia el cátodo, generando corriente en un circuito
externo. La relación entre la cantidad de corriente producida y la intensidad
de la radiación son proporcionales, así que se puede realizar una estimación 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 detector de
centelleo. Estos detectores se diferencian entre ellos por
el modo de amplificación de la señal y la sensibilidad del detector.
Espectros
Riesgos para la salud
La manera en la que la radiación afecta a la salud
depende del tamaño de la dosis de esta. La exposición a las dosis bajas de
rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no son perjudiciales. En
cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir daños
graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante que
la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede
producir efectos tales como quemaduras en la piel, caída
del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retraso 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 en el diagnóstico médico, en la práctica,
el uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la
detección de enfermedades del esqueleto, aunque también
se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X tiene más
limitaciones, como por ejemplo en la observación del cerebro o los músculos. Las alternativas
en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética nuclear 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 difracción de rayos X por
ser su longitud de onda similar a la distancia entre
los átomos de la red
cristalina. La difracción de rayos X es una de las
herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
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, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el
coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del
material a examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener
transmisión.
