Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética probablemente más conocida por su capacidad para ver a través de la piel de una persona y revelar imágenes de los huesos que hay debajo. Los avances tecnológicos han dado lugar a haces de rayos X más potentes y focalizados, así como a aplicaciones cada vez mayores de estas ondas luminosas, desde la obtención de imágenes de diminutas células biológicas y componentes estructurales de materiales como el cemento hasta la eliminación de células cancerosas.

Los rayos X se clasifican a grandes rasgos en rayos X blandos y rayos X duros. Los rayos X blandos tienen longitudes de onda relativamente cortas, de unos 10 nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro), por lo que se sitúan en el rango del espectro electromagnético (EM) entre la luz ultravioleta (UV) y los rayos gamma. Los rayos X duros tienen una longitud de onda de unos 100 picómetros (un picómetro es la trillonésima parte de un metro). Estas ondas electromagnéticas ocupan la misma región del espectro EM que los rayos gamma. La única diferencia entre ellas es su fuente: Los rayos X son producidos por la aceleración de electrones, mientras que los rayos gamma son producidos por núcleos atómicos en una de las cuatro reacciones nucleares.

Historia de los rayos X

Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Wilhelm Conrad Röentgen, profesor de la Universidad de Würzburg en Alemania. Según la «Historia de la Radiografía» del Centro de Recursos No Destructivos, Röentgen observó que los cristales cercanos a un tubo de rayos catódicos de alto voltaje mostraban un brillo fluorescente, incluso cuando los protegía con papel oscuro. El tubo producía algún tipo de energía que penetraba en el papel y hacía brillar los cristales. Röentgen llamó a esta energía desconocida «radiación X». Los experimentos demostraron que esta radiación podía penetrar en los tejidos blandos, pero no en los huesos, y que producía imágenes de sombras en las placas fotográficas.

Por este descubrimiento, Röentgen recibió el primer Premio Nobel de Física, en 1901.

Fuentes y efectos de los rayos X

Los rayos X pueden producirse en la Tierra enviando un haz de electrones de alta energía que se estrelle contra un átomo como el de cobre o el de galio, según Kelly Gaffney, director del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Cuando el haz choca con el átomo, los electrones de la capa interior, llamada capa s, son empujados y a veces expulsados de su órbita. Sin ese electrón, o electrones, el átomo se vuelve inestable, por lo que para que el átomo se «relaje» o vuelva al equilibrio, dijo Gaffney, un electrón de la llamada cáscara 1p cae para llenar el vacío. ¿El resultado? Se libera un rayo X.

«El problema con eso es que la fluorescencia va en todas las direcciones», dijo Gaffney a Live Science. «No son direccionales y no son enfocables. No es una forma muy fácil de hacer una fuente de rayos X brillante y de alta energía».

Entre un sincrotrón, un tipo de acelerador de partículas que acelera partículas cargadas como los electrones dentro de una trayectoria circular cerrada. La física básica sugiere que cada vez que se acelera una partícula cargada, ésta emite luz. El tipo de luz depende de la energía de los electrones (u otras partículas cargadas) y del campo magnético que los empuja alrededor del círculo, dijo Gaffney.

Como los electrones del sincrotrón son empujados hasta casi la velocidad de la luz, emiten enormes cantidades de energía, en particular energía de rayos X. Y no cualquier tipo de rayos X, sino un haz muy potente de luz de rayos X enfocada.

La radiación de sincrotrón se vio por primera vez en General Electric, en Estados Unidos, en 1947, según la European Synchrotron Radiation Facility. Esta radiación se consideraba una molestia porque hacía perder energía a las partículas, pero más tarde, en la década de 1960, se reconoció que era una luz con propiedades excepcionales que superaba las deficiencias de los tubos de rayos X. Una característica interesante de la radiación de sincrotrón es que está polarizada; es decir, los campos eléctricos y magnéticos de los fotones oscilan todos en la misma dirección, que puede ser lineal o circular.

«Debido a que los electrones son relativistas , cuando emiten luz, ésta acaba enfocándose en la dirección de avance», dijo Gaffney. «Esto significa que no sólo se obtiene el color adecuado de los rayos X de luz y no sólo una gran cantidad de ellos porque se tiene una gran cantidad de electrones almacenados, sino que también se emiten preferentemente en la dirección hacia adelante.»

Imágenes de rayos X

Debido a su capacidad para penetrar en ciertos materiales, los rayos X se utilizan para varias aplicaciones de evaluación y pruebas no destructivas, en particular para identificar defectos o grietas en componentes estructurales. Según el NDT Resource Center, «la radiación se dirige a través de una pieza y sobre una película u otro detector. El gráfico de sombras resultante muestra las características internas» y si la pieza está en buen estado. Es la misma técnica que se utiliza en las consultas de los médicos y los dentistas para crear imágenes de rayos X de los huesos y los dientes, respectivamente.

Los rayos X también son esenciales para las inspecciones de seguridad en el transporte de la carga, el equipaje y los pasajeros. Los detectores electrónicos de imágenes permiten visualizar en tiempo real el contenido de los paquetes y otros artículos de los pasajeros.

El uso original de los rayos X era para obtener imágenes de los huesos, que eran fácilmente distinguibles de los tejidos blandos en la película que estaba disponible en ese momento. Sin embargo, los sistemas de enfoque más precisos y los métodos de detección más sensibles, como las películas fotográficas mejoradas y los sensores electrónicos de imágenes, han permitido distinguir detalles cada vez más finos y diferencias sutiles en la densidad de los tejidos, al tiempo que se utilizan niveles de exposición mucho más bajos.

Además, la tomografía computarizada (TC) combina múltiples imágenes de rayos X en un modelo 3D de una región de interés.

De forma similar a la TC, la tomografía de sincrotrón puede revelar imágenes tridimensionales de las estructuras interiores de objetos como los componentes de ingeniería, según el Centro Helmholtz de Materiales y Energía.

Terapia de rayos X

La radioterapia utiliza radiación de alta energía para matar las células cancerosas dañando su ADN. Dado que el tratamiento también puede dañar las células normales, el Instituto Nacional del Cáncer recomienda que el tratamiento se planifique cuidadosamente para minimizar los efectos secundarios.

Según la Agencia de Protección Medioambiental de EE.UU., la llamada radiación ionizante de los rayos X se concentra en una zona con suficiente energía para despojar por completo a los electrones de los átomos y las moléculas, alterando así sus propiedades. En dosis suficientes, esto puede dañar o destruir las células. Aunque este daño celular puede causar cáncer, también puede utilizarse para combatirlo. Al dirigir los rayos X hacia los tumores cancerosos, puede demoler esas células anormales.

Astronomía de rayos X

Según Robert Patterson, profesor de astronomía de la Universidad Estatal de Missouri, las fuentes celestes de rayos X incluyen sistemas binarios cercanos que contienen agujeros negros o estrellas de neutrones. En estos sistemas, el remanente estelar más masivo y compacto puede despojar de material a su estrella compañera para formar un disco de gas extremadamente caliente que emite rayos X a medida que entra en espiral. Además, los agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias espirales pueden emitir rayos X al absorber estrellas y nubes de gas que caen dentro de su alcance gravitatorio.

Los telescopios de rayos X utilizan reflexiones de bajo ángulo para enfocar estos fotones de alta energía (luz) que, de otro modo, pasarían a través de los espejos de los telescopios normales. Debido a que la atmósfera de la Tierra bloquea la mayoría de los rayos X, las observaciones se realizan normalmente utilizando globos de gran altitud o telescopios en órbita.

Recursos adicionales