Rayos X: ¿Qué son? ¿Cómo se usan?

Rayos X – Una breve introducción:

Los Rayos X son radiaciones electromagnéticas de muy baja longitud de onda y altamente penetrables que poseen longitudes de onda del orden de 1 Å (que van desde 10-8-10-12 m del espectro electromagnético). La letra “X” literalmente significa la naturaleza misteriosa de estas ondas cuando fueron identificadas por primera vez en un laboratorio. Hoy en día, poseen una red ilimitada de aplicaciones distribuidas en campos médicos, industriales, astronómicos y varios otros campos técnicos.

¿Quién inventó los rayos X?

En lugar de inventarse en una instalación de trabajo de clase alta, los rayos X se descubrieron accidentalmente debido a la observación aguda de un físico investigador alemán, Wilhelm C. Roentgen (1895). Roentgen estaba realizando algunos experimentos en el Laboratorio de Física de la Universidad de Würzburg con los rayos catódicos recién descubiertos. Para sus experimentos, estaba usando un tubo de gas de Lenard evacuado que producía rayos catódicos desde una terminal negativa calentada. Los rayos catódicos (o simplemente electrones “e-“) golpearon el ánodo en el extremo opuesto y produjeron fluorescencia. Roentgen había cubierto el tubo con un cartón negro antes de aplicar un alto voltaje entre el cátodo calentado (-) y el ánodo (+). Durante todo este tiempo, la sala del laboratorio estuvo casi a oscuras ya que Roentgen estaba trabajando durante las horas de la tarde del día. ¡Hey, espera! ¿Dónde están los rayos X en esta historia hasta ahora?

Bueno, espera! Mientras tomaba sus observaciones, no pudo evitar notar las “líneas oscuras” que habían aparecido sobre la película de platinocianuro de bario colocada a pocos metros de distancia. Luchó para explicar el origen de esta actividad en el papel de bario. Finalmente, concluyó que debe estar relacionado con la actividad en curso dentro del tubo de descarga. Inicialmente, tenía dudas sobre su descubrimiento de radiaciones novedosas, pero una mayor experimentación demostró que había logrado un avance potencial.

Durante su trabajo anterior, Roentgen describió una serie de propiedades características de los rayos X. Observó que, a diferencia de la luz visible, sus rayos X podían penetrar a través del papel de cartón oscuro que cubría el tubo de Lenard e incluso pasar a través de gruesos libros. Sin embargo, no pudieron penetrar a través del plomo.

¿Cómo se producen los rayos x?

Cuando una partícula cargada, como un electrón, se desacelera por un ánodo cargado positivamente (como el tungsteno), libera un fotón de luz. Los núcleos atómicos del ánodo ejercen una fuerza nuclear sobre los electrones, lo que hace que se desvíen de su camino recto. La energía de la radiación fotónica generada es directamente proporcional al grado de desviación que obtiene un electrón. Sin embargo, solo una cantidad limitada de energía cinética de los electrones desacelerantes se libera como rayos X, mientras que la mayor parte se pierde en forma de calor. Estas radiaciones producen entonces fluorescencia en una película sensible a la luz. La producción de rayos X se demuestra en la figura 1.

Figura 1: Modelo conceptual para la producción de rayos X.

Interacción de los rayos X con la materia:

Se sabe que los rayos X interactúan con la materia de varias maneras. Los encuentros de ondas de materia más bien comprendidos incluyen:

1. Efecto de dispersión de Compton: esto ocurre debido a la colisión de un fotón de rayos X con un electrón, que no solo causa el desplazamiento del electrón (debido a la transmisión de energía) sino que también produce un aumento de la longitud de onda del fotón en colisión. Este fotón secundario puede repetir el mismo efecto de dispersión de Compton con otros electrones también.

2. Efecto fotoeléctrico: este fenómeno describe la inversión de lo que se ha interpretado en la Figura 1. Establece que cuando un fotón de alta velocidad colisiona con la materia, toda su energía se utiliza para expulsar un electrón de su órbita nuclear.

3. Efecto de producción de pares: muestra una interacción entre los rayos X y la materia (núcleo) que da como resultado la generación de un par de partículas, que consiste en un positrón y un electrón (o combinación de partículas y antipartículas).

Figura 2: Interacciones de rayos X con la materia: (a) Efecto Compton. (b) Efecto fotoeléctrico.

(c) Efecto de producción en pareja.

¿Para qué sirven los rayos X?

1. Medicina

Durante el siglo pasado, los rayos X se han utilizado ampliamente para tomar radiografías del cuerpo humano. Según algunas fuentes, el campo de la radiología ahora tiene más de 100 años, ya que los rayos X se estaban utilizando para el rastreo de balas en los heridos menos de un año después de su descubrimiento en el año 1895. Los rayos X ayudan a diagnosticar no solo defectos ortopédicos / Las lesiones en el cuerpo, pero son una herramienta de diagnóstico clave para detectar anomalías cardiopulmonares como en cardiomegalia, trastornos cardíacos valvulares, tuberculosis, trastornos pulmonares obstructivos crónicos, neumotórax, derrame pleural, etc. Tienen un papel muy extendido en traumatología, reumatología, neurología y lo que no! Además, su importancia terapéutica radica en la radioterapia necesaria para el tratamiento de las neoplasias invasivas.

2. Usos industriales

A escala industrial, los rayos X tienen aplicaciones prácticas muy variadas. Se utilizan en campos como la metalurgia, principalmente para la detección de fracturas diminutas o defectos en los productos metálicos de nuevo diseño.

También se utilizan como análisis químico de materiales, no como radiografía pero analizando el nivel de energía de la fluorescencia se puede obtener un resultado muy certero de la concentración de elementos en lo analizado.

3. Astronomía

La astronomía de rayos X comenzó a fines de la década de 1940, cuando los cohetes se usaron por primera vez para detectar rayos X solares débiles en la atmósfera superior de la tierra. Estos rayos X espaciales surgen de la atmósfera superior del sol a temperaturas extremadamente altas y de manera similar también de otras estrellas. Difícilmente pueden penetrar en la atmósfera de la tierra, por lo que los detectores de rayos X de un observatorio de la tierra no son útiles para captar rayos X cosmológicos. Sin embargo, se utiliza una cadena de satélites sustancialmente equipados con un aparato de detección de rayos X para este propósito. El primer satélite de este tipo “Uhuru” fue enviado al espacio en 1970. Hasta ahora, los datos de numerosos eventos astronómicos se han interpretado mediante el uso de rayos X. Las radiaciones de intensidad máxima se detectan a partir de eventos cósmicos como los que ocurren durante la muerte de una estrella; supernova, formación de agujeros negros, etc. Al igual que la medicina y la industria, este campo no conoce límites para las aplicaciones de rayos X.

4. Investigación molecular

Los estudios de difracción de rayos X han revolucionado el campo de la investigación molecular. Las macromoléculas de importancia biológica (ADN, proteínas, etc.) pueden analizarse estructuralmente mediante la ayuda de la cristalografía de rayos X.

5. Fines de seguridad

Los que viajan en avión pueden compartir un encuentro bastante común con los rayos X. Los escáneres de rayos X son la columna vertebral de la seguridad de los aeropuertos internacionales, así como de otros edificios de alta seguridad.