Rayos X
Discusión
introducción
Ondas electromagnéticas
Efecto fotoeléctrico inverso
historia
Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm Röntgen (también escrito Roentgen). Recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901 «en reconocimiento a los extraordinarios servicios prestados por el descubrimiento de los notables rayos que posteriormente llevan su nombre.» El presidente de la Sociedad Físico-Médica de Wurzberg, Albert von Kolliker, cuya mano sirvió para producir esta imagen, propuso que esta nueva forma de radiación se llamara «rayos de Röntgen». Röntgen tenía una idea diferente.
Se ve, pues, que algún agente es capaz de penetrar el cartón negro que es bastante opaco a la luz ultravioleta, a la luz solar o a la luz de arco. Por lo tanto, es interesante investigar hasta qué punto otros cuerpos pueden ser penetrados por el mismo agente. Se demuestra fácilmente que todos los cuerpos poseen esta misma transparencia, pero en grados muy diversos. Por ejemplo, el papel es muy transparente; la pantalla fluorescente se ilumina cuando se coloca detrás de un libro de mil páginas; la tinta de imprenta no ofrece una resistencia marcada…. Un trozo de chapa de aluminio, de 15 mm. de espesor, seguía permitiendo el paso de los rayos X (como llamaré a los rayos, en aras de la brevedad), pero reducía mucho la fluorescencia. Las placas de vidrio de espesor similar se comportan de manera similar; el vidrio de plomo es, sin embargo, mucho más opaco que el vidrio libre de plomo…. Si se sostiene la mano ante la pantalla fluorescente, la sombra muestra los huesos de forma oscura, con sólo tenues contornos de los tejidos circundantes.
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgen parece haber puesto siempre la x en mayúsculas. No lo intentes en ningún sitio.
La retina del ojo es bastante insensible a estos rayos: el ojo situado cerca del aparato no ve nada. De los experimentos se desprende que esto no se debe a la falta de permeabilidad de las estructuras del ojo.
Wilhelm Röntgen, 1895
1912: Walter Friedrich y Paul Knipping difractan los rayos X en la blenda de zinc
1912: Max von Laue sugiere el uso de sólidos reticulares para la difracción de rayos X
1913: William Bragg y Lawrence Bragg elaboran la condición de Bragg para una fuerte reflexión de los rayos X
1922: Arthur Compton estudia la dispersión de fotones de rayos X por los electrones
Tubos de Roentgen/llenados de gas
Los primeros tubos de rayos X estaban llenos de aire a baja presión (o un vacío parcial, si se prefiere)… cátodo, ánodo y anticátodo.
 Fuente: bulbcollector.com a.k.a. kilocat |
 Fuente: foto del autor a.k.a. el autor |
Tubos de refrigeración/vacío
La mayoría de los tubos de rayos X que se utilizan hoy en día están «llenos» de vacío. Esta «variedad totalmente nueva» de tubo de rayos X fue inventada en 1913 por el ingeniero eléctrico estadounidense William Coolidge (1873-1975). Ese mismo año, Coolidge desarrolló la técnica para fabricar alambre fino de tungsteno (un metal notoriamente no dúctil). Casi todas las bombillas incandescentes fabricadas a partir de 1913 contienen un filamento de tungsteno hecho con el proceso de Coolidge. Cuando terminó de trabajar en las bombillas, centró su atención en los tubos de rayos X. ¿Adivina qué? Casi todos los tubos de rayos X fabricados después de 1913 contienen un filamento de tungsteno fabricado mediante el proceso utilizado en las bombillas.
En un típico tubo de rayos X de vacío, los electrones se aceleran desde un cátodo calentado hacia un ánodo metálico mediante una gran diferencia de potencial. El cambio de la temperatura del filamento modifica la corriente de electrones: un cátodo más caliente libera más electrones que uno frío. Esto determina la intensidad o el «brillo» del haz de rayos X. Dado que un electrón produce un fotón de rayos X cuando choca con el ánodo, un mayor número de electrones volando a través del tubo significa más fotones de rayos X emitidos por el tubo. El voltaje a través del tubo determina la energía cinética de los electrones cuando chocan con el ánodo, lo que a su vez determina el poder de penetración de los fotones de rayos X: más energía por electrón significa más energía por fotón de rayos X y, por tanto, mayor capacidad para atravesar la materia.
El cátodo es un filamento de alambre enrollado (normalmente de tungsteno) calentado a unos 2000 °C (calor blanco). Emite electrones por emisión termoiónica. En cierto sentido, los electrones «hierven» de la superficie del metal, pero es un tipo de ebullición extraño, ya que los electrones que salen son siempre reemplazados por otros nuevos. Si pongo una olla de agua al fuego en casa, la pongo a hervir y luego salgo de la cocina durante una o dos horas, cuando vuelvo es muy probable que la olla esté vacía (e incluso chisporroteando al rojo vivo). Esto no ocurre con los electrones en un cátodo. Los que se van son siempre sustituidos por otros nuevos. Si no lo hicieran, acabaríamos con una colección de iones cargados positivamente (y eventualmente núcleos desnudos) que seguramente saldrían volando debido a su repulsión mutua. Un tubo de rayos X es un elemento de circuito. La corriente entra por un extremo y sale por el otro y da vueltas y vueltas al circuito.
El ánodo es un disipador de calor de cobre comparativamente masivo cuya cara de destino se corta en diagonal y se recubre con algún otro metal (normalmente platino). Más del 99% de la energía cinética impartida a los electrones se convierte en calor en el ánodo. El 1% restante se emite como radiación de frenado (es decir, rayos X útiles). Este calor debe ser transferido o el blanco se fundiría. La solución de Coolidge fue hacer girar el blanco con un pequeño motor. Así se aseguraba que el punto caliente nunca permaneciera en un lugar lo suficientemente largo como para causar un daño duradero al ánodo. (Algunos tubos de rayos X se refrigeran con agua.) El blanco se corta en diagonal para que los rayos X emitidos salgan despedidos de la superficie en un ángulo diferente al de los electrones incidentes. Un corte de 45º hace que los rayos X salgan perpendiculares al eje del tubo. Todas las fotografías de tubos de rayos X de esta página tienen sus objetivos alineados en este ángulo. (La foto de un tubo de rayos X dental que se muestra abajo a la izquierda está un poco distorsionada, por lo que la geometría no es evidente.)
 Diagrama esquemático de «una variedad completamente nueva» de tubo de rayos X de la solicitud de patente de William Coolidge de 1913. Casi todos los tubos de rayos X contemporáneos son variaciones del tubo Coolidge. Fuente: US Patent & Trademark Office |
 Un tubo de rayos X al vacío del tipo utilizado en odontología. Fuente: bulbcollector.com |
Espectro característico frente a espectro de bremsstrahlung (frenado).
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bremas (frenado/desaceleración) + strahlung (radiación)
- En un metal puro frío (a), todos los electrones están por debajo del nivel de energía de Fermi. La energía térmica permite que los electrones formen una nube espacial en el vacío (b), y la aplicación de un campo eléctrico permite que los electrones se recojan en un ánodo; de lo contrario, se establece un equilibrio entre los electrones dentro y fuera del metal. En la mayoría de los tubos de rayos X, microscopios electrónicos y microsondas electrónicas se utiliza un hilo de tungsteno para aprovechar la alta temperatura de fusión (3680 K) y evaporación. En un tubo de rayos X convencional, el hilo es una bobina de aproximadamente 1 cm por 1 mm, y la temperatura se ajusta para minimizar la evaporación de los átomos de W que contaminan lentamente el blanco. A menos que se aplique una tensión de aceleración, no hay corriente emitida desde un filamento caliente debido a la formación de una carga espacial de electrones cerca de la superficie del metal. La corriente de saturación se mide utilizando el metal como cátodo de un tubo de vacío y recogiendo los electrones en un ánodo suficientemente positivo para disipar la carga espacial. En un tubo de rayos X convencional, la estabilidad suficiente se obtiene regulando la tensión del filamento (para el calentamiento) y la tensión de aceleración entre el cátodo y el ánodo.
- Hay dos (¿tres?) mecanismos principales por los que se producen los rayos X. El primer mecanismo implica la rápida desaceleración de un electrón de alta velocidad cuando entra en el campo eléctrico de un núcleo. Durante este proceso, el electrón se desvía y emite un fotón de radiación X. Este tipo de rayos X suele denominarse bremsstrahlung o «radiación de frenado». Para una fuente dada de electrones, se producirá un espectro continuo de bremsstrahlung hasta la energía máxima de los electrones.
Los rayos X se producen siempre que los electrones en movimiento rápido se desaceleran, no sólo en los tubos de rayos X. Casi todas las fuentes naturales de rayos X son extraterrestres. (No, eso no significa que sean producidos por criaturas alienígenas del espacio exterior. Sólo significa «más allá de la Tierra»). Los rayos X se producen cuando el viento solar es atrapado por el campo magnético de la Tierra en los Cinturones de Radiación de Van Allen. Los agujeros negros son fuentes importantes de rayos X en el universo. La materia que cae en un agujero negro experimenta una aceleración extrema causada por el intenso campo del agujero negro. Una sola partícula aislada caería en el interior sin liberar ninguna radiación, pero una corriente de partículas sí lo haría, ya que éstas acabarían chocando entre sí en su camino hacia el agujero. Cada colisión inelástica experimentada por una partícula cargada daría lugar a la emisión de un fotón. Como estas colisiones tienen lugar a grandes velocidades, las energías de los fotones emitidos son del orden de las que se encuentran en la región de los rayos X del espectro electromagnético. Las colisiones inelásticas a energías aún mayores (superiores al millón de electronvoltios) generarían rayos gamma.
- El segundo mecanismo por el que se producen los rayos X es a través de las transiciones de los electrones entre las órbitas atómicas. Estas transiciones implican el movimiento de los electrones desde las órbitas exteriores a las vacantes de las órbitas interiores. Al realizar dichas transiciones, los electrones emiten fotones de radiación X con energías discretas dadas por las diferencias de estados energéticos al principio y al final de la transición. Debido a que tales rayos X son distintivos para el elemento y la transición en particular, se denominan rayos X característicos.
El tercer mecanismo es a través de la emisión de sincrotrón.
- Predicho inicialmente en 1944 por Ivanenko y Pomeranschuk en Rusia, fue, tres años más tarde, observado accidentalmente en un acelerador de anillo cerrado del tipo de un sincrotrón. Durante mucho tiempo se consideró un «producto de desecho», ya que la radiación de sincrotrón se produce en los aceleradores como bremsstrahlung magnético y limita de forma indeseable la energía final requerida de los aceleradores. Sólo varios años más tarde, en 1956, la radiación de sincrotrón fue utilizada específicamente en investigaciones científicas por Tomboulian y Hartmann.
La radiación de sincrotrón es emitida por partículas cargadas que viajan en una trayectoria curva (como ocurriría al moverse a través de un campo magnético). Dado que la fuente de toda radiación electromagnética es la aceleración de la carga, la radiación de sincrotrón es un ejemplo de radiación electromagnética producida por la aceleración centrípeta (a diferencia del bremsstrahlung, que se produce por la aceleración tangencial). La longitud de onda de esta radiación es una función de la energía de las partículas cargadas y de la fuerza del campo magnético que las inclina. El espectro de la radiación es continuo y se caracteriza por su longitud de onda crítica, que divide el espectro en dos partes con igual potencia (la mitad de la potencia radiada por encima de la longitud de onda crítica y la otra mitad por debajo).
La longitud de onda crítica se puede encontrar mediante la siguiente ecuación
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
que se reduce a la siguiente ecuación cuando las partículas cargadas son electrones
| λc = | 1.86453 |
| BE2 |
Fuentes de radiación de sincrotrón: anillos, onduladores, wigglers, National Synchrotron Light Source no produce luz como forma primaria de radiación electromagnética. La mayor parte de la investigación realizada en esta instalación utiliza los rayos X y el ultravioleta de vacío producidos por el haz de electrones.
- En 1945, el sincrotrón se propuso como el último acelerador para la física de alta energía, diseñado para empujar las partículas, en este caso los electrones, a energías más altas de lo que podría un ciclotrón, el acelerador de partículas de la época. Un acelerador toma partículas cargadas estacionarias, como los electrones, y las lleva a velocidades cercanas a la de la luz. Al ser forzadas por los imanes a viajar alrededor de un anillo circular de almacenamiento, las partículas cargadas emiten tangencialmente radiación electromagnética y, en consecuencia, pierden energía. Esta energía se emite en forma de luz y se conoce como radiación de sincrotrón.
La radiación de sincrotrón es una molestia en un acelerador de partículas, ya que absorbe la energía de las partículas que se aceleran, pero constituye una fuente ideal de radiación electromagnética de alta energía. El haz producido se compone de rayos casi paralelos (colimados) y es bastante intenso.
- La radiación de sincrotrón puede producirse durante horas, tal vez incluso días, si se estuviera dispuesto a pagar las facturas de electricidad y se tuviera alguna razón para trabajar las veinticuatro horas del día. los tubos de rayos X sólo pueden funcionar durante unos segundos o tal vez minutos. Si funcionan demasiado tiempo, se quemarán como una bombilla.
- La radiación del sincrotrón está «organizada»: el haz está muy polarizado (la mayoría de las ondas oscilan en el mismo plano) y colimado (la mayoría de las ondas están en la misma dirección). los tubos de rayos X producen una radiación «desordenada» que no está en absoluto polarizada y que sólo puede enfocarse con gran dificultad. Una fuente de sincrotrón es como un «láser de rayos X», mientras que un tubo de rayos X es como un «foco de rayos X».
- La radiación de sincrotrón puede ser «compartida». Un gran sincrotrón puede tener más de 50 líneas de rayos y realizar cientos o miles de experimentos en un año. Las instalaciones de sincrotrón son caras de construir, pero se amortizan con el volumen de investigación.
- Los onduladores (también conocidos como dispositivos de inserción) producen una radiación de sincrotrón considerablemente más brillante que la de un imán de flexión. El dispositivo hace que los electrones sigan una trayectoria sinusoidal en lugar de una curva estableciendo una serie de campos magnéticos que alternan su polaridad y son perpendiculares a la dirección de desplazamiento de los electrones. Un wiggler aumenta el brillo de la radiación producida por un determinado haz de electrones en un factor aproximadamente igual al doble del número de oscilaciones completas que sufre el haz. Las desviaciones del haz son menores en un ondulador que en un ondulador, y el brillo de la radiación puede, en teoría, aumentar en un factor aproximadamente igual al cuadrado del número de oscilaciones, pero sólo a energías discretas de los fotones.
momento de los fotones
Max Planck descubrió que los fotones tienen energía.
E = hf
Albert Einstein descubrió que la energía y el momento están relacionados.
E2 = p2c2 + m2c4
Los fotones no tienen masa, por lo que esta ecuación se reduce a…
E = pc
Combina a Planck y a Einstein (sus ecuaciones, no los hombres mismos)…
hf = pc
Resuelve el momento…
| p = | hf |
| c |
Recuerda que…
| λ = | c |
| f |
Por tanto…
| p = | h |
| λ |
Si Planck y Einstein tienen razón, entonces los fotones también tienen momento. Lo que necesitamos ahora son pruebas experimentales que apoyen o refuten esto. (No te preocupes, nadie va a refutar esto.)
efecto Compton
Arthur Compton (1892-1962) Estados Unidos
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| mec | 2 |
tecnología
sombras gráficas
tomografía axial computarizada (TAC)
x-dispersión de rayos
difracción de rayos X
fluorescencia de rayos X