¿Qué sabemos sobre los rayos X?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

En el siglo XIX, la radiación invisible para el ojo humano, capaz de atravesar la carne y otros materiales, parecía algo completamente fantástico. Ahora, los rayos X se utilizan ampliamente para crear imágenes médicas, realizar radioterapia, analizar obras de arte y resolver problemas de energía nuclear.

Cómo se descubrió la radiación de rayos X y cómo ayuda a las personas, lo descubrimos junto con el físico Alexander Nikolaevich Dolgov.

El descubrimiento de los rayos X

Desde finales del siglo XIX, la ciencia comenzó a desempeñar un papel fundamentalmente nuevo en la configuración de la imagen del mundo. Hace un siglo, las actividades de los científicos eran de carácter amateur y privado. Sin embargo, a finales del siglo XVIII, fruto de la revolución científica y tecnológica, la ciencia se convirtió en una actividad sistemática en la que todo descubrimiento se hizo posible gracias al aporte de numerosos especialistas.

Comenzaron a aparecer institutos de investigación, revistas científicas periódicas, surgió la competencia y la lucha por el reconocimiento de los derechos de autor por logros científicos e innovaciones técnicas. Todos estos procesos tuvieron lugar en el Imperio Alemán, donde a fines del siglo XIX, el Kaiser fomentó logros científicos que aumentaron el prestigio del país en el escenario mundial.

Uno de los científicos que trabajó con entusiasmo durante este período fue el profesor de física, rector de la Universidad de Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. El 8 de noviembre de 1895 se quedó hasta tarde en el laboratorio, como sucedía a menudo, y decidió realizar un estudio experimental de la descarga eléctrica en tubos de vidrio al vacío. Oscureció la habitación y envolvió uno de los tubos en papel negro opaco para facilitar la observación de los fenómenos ópticos que acompañan a la descarga. Para mi sorpresa

Roentgen vio una banda de fluorescencia en una pantalla cercana cubierta con cristales de cianoplatinita de bario. Es poco probable que un científico pudiera imaginar entonces que estaba al borde de uno de los descubrimientos científicos más importantes de su tiempo. El año que viene se escribirán más de mil publicaciones sobre rayos X, los médicos pondrán inmediatamente en servicio el invento, gracias a él se descubrirá la radiactividad en el futuro y aparecerán nuevas direcciones de la ciencia.

Roentgen dedicó las siguientes semanas a investigar la naturaleza del incomprensible resplandor y descubrió que aparecía fluorescencia cada vez que aplicaba corriente al tubo. El tubo era la fuente de la radiación, no alguna otra parte del circuito eléctrico. Sin saber a qué se enfrentaba, Roentgen decidió designar este fenómeno como rayos X o rayos X. Además, Roentgen descubrió que esta radiación puede penetrar casi todos los objetos a diferentes profundidades, según el grosor del objeto y la densidad de la sustancia.

Así, un pequeño disco de plomo entre el tubo de descarga y la pantalla resultó ser impermeable a los rayos X, y los huesos de la mano proyectan una sombra más oscura en la pantalla, rodeada por una sombra más clara de los tejidos blandos. Pronto el científico descubrió que los rayos X provocan no solo el brillo de la pantalla cubierta con cianoplatinita de bario, sino también el oscurecimiento de las placas fotográficas (después del revelado) en aquellos lugares donde los rayos X cayeron sobre la emulsión fotográfica.

En el curso de sus experimentos, Roentgen estaba convencido de que había descubierto una radiación desconocida para la ciencia. El 28 de diciembre de 1895, informó sobre los resultados de la investigación en un artículo "Sobre un nuevo tipo de radiación" en la revista Annals of Physics and Chemistry. Al mismo tiempo, envió a los científicos las imágenes de la mano de su esposa, Anna Bertha Ludwig, que luego se hizo famosa.

Gracias al viejo amigo de Roentgen, el físico austriaco Franz Exner, los habitantes de Viena fueron los primeros en ver estas fotos el 5 de enero de 1896 en las páginas del periódico Die Presse. Al día siguiente, la información sobre la inauguración se transmitió al periódico London Chronicle. Entonces, el descubrimiento de Roentgen comenzó gradualmente a ingresar en la vida cotidiana de las personas. La aplicación práctica se encontró casi de inmediato: el 20 de enero de 1896, en New Hampshire, los médicos trataron a un hombre con un brazo roto utilizando un nuevo método de diagnóstico: una radiografía.

Uso temprano de rayos X

En el transcurso de varios años, las imágenes de rayos X han comenzado a usarse activamente para operaciones más precisas. Ya 14 días después de su apertura, Friedrich Otto Valkhoff tomó la primera radiografía dental. Y después de eso, junto con Fritz Giesel, fundaron el primer laboratorio de rayos X dentales del mundo.

En 1900, 5 años después de su descubrimiento, el uso de rayos X en el diagnóstico se consideraba una parte integral de la práctica médica.

Las estadísticas compiladas por el hospital más antiguo de Pensilvania pueden considerarse indicativas de la difusión de tecnologías basadas en la radiación de rayos X. Según ella, en 1900, solo alrededor del 1-2% de los pacientes recibieron ayuda con radiografías, mientras que en 1925 ya había un 25%.

Los rayos X se usaron de una manera muy inusual en ese momento. Por ejemplo, se utilizaron para proporcionar servicios de depilación. Durante mucho tiempo, este método se consideró preferible en comparación con los más dolorosos: fórceps o cera. Además, los rayos X se han utilizado en aparatos de ajuste de calzado: fluoroscopios de prueba (pedoscopios). Se trataba de máquinas de rayos X con una muesca especial para los pies, así como ventanas a través de las cuales el cliente y los vendedores podían evaluar cómo se sentaban los zapatos.

El uso temprano de imágenes de rayos X desde una perspectiva de seguridad moderna plantea muchas preguntas. El problema fue que en el momento del descubrimiento de los rayos X, prácticamente no se sabía nada sobre la radiación y sus consecuencias, razón por la cual los pioneros que utilizaron el nuevo invento enfrentaron sus efectos nocivos en su propia experiencia. Las consecuencias negativas del aumento de la exposición se convirtió en un fenómeno de masas a principios del siglo 19. Siglos XX, y la gente comenzó a darse cuenta gradualmente de los peligros del uso inconsciente de los rayos X.

La naturaleza de las radiografías

La radiación de rayos X es una radiación electromagnética con energías de fotones de ~ 100 eV a 250 keV, que se encuentra en la escala de ondas electromagnéticas entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma. Forma parte de la radiación natural que se produce en los radioisótopos cuando los átomos de los elementos son excitados por una corriente de electrones, partículas alfa o cuantos gamma, en los que se expulsan electrones de las capas de electrones del átomo. La radiación de rayos X se produce cuando las partículas cargadas se mueven con aceleración, en particular, cuando los electrones se desaceleran, en el campo eléctrico de los átomos de una sustancia.

Se distinguen los rayos X suaves y duros, el límite condicional entre los cuales en la escala de longitud de onda es de aproximadamente 0,2 nm, lo que corresponde a una energía de fotón de aproximadamente 6 keV. La radiación de rayos X es tanto penetrante, debido a su corta longitud de onda, como ionizante, ya que al atravesar una sustancia, interactúa con los electrones, sacándolos de los átomos, descomponiéndolos en iones y electrones y cambiando la estructura de la sustancia en que actúa.

Los rayos X hacen que brille un compuesto químico llamado fluorescencia. Irradiar los átomos de la muestra con fotones de alta energía provoca la emisión de electrones: salen del átomo. En uno o más orbitales de electrones, se forman "huecos" - vacantes, debido a lo cual los átomos entran en un estado excitado, es decir, se vuelven inestables. Millonésimas de segundo después, los átomos regresan a un estado estable, cuando las vacantes en los orbitales internos se llenan con electrones de los orbitales externos.

Esta transición va acompañada de la emisión de energía en forma de fotón secundario, por lo que surge la fluorescencia.

Astronomía de rayos x

En la Tierra, rara vez encontramos rayos X, pero con bastante frecuencia se encuentran en el espacio. Allí ocurre naturalmente debido a la actividad de muchos objetos espaciales. Esto hizo posible la astronomía de rayos X. La energía de los fotones de rayos X es mucho mayor que la de los ópticos, por lo tanto, en el rango de los rayos X emite una sustancia calentada a temperaturas extremadamente altas.

Estas fuentes cósmicas de radiación de rayos X no son una parte perceptible de la radiación de fondo natural para nosotros y, por lo tanto, no amenazan a las personas de ninguna manera. La única excepción puede ser una fuente de radiación electromagnética fuerte como una explosión de supernova, que ocurrió lo suficientemente cerca del sistema solar.

¿Cómo crear radiografías de forma artificial?

Los dispositivos de rayos X todavía se utilizan ampliamente para la introscopia no destructiva (imágenes de rayos X en la medicina, detección de fallas en la tecnología). Su componente principal es un tubo de rayos X, que consta de un cátodo y un ánodo. Los electrodos de tubo están conectados a una fuente de alto voltaje, generalmente decenas o incluso cientos de miles de voltios. Cuando se calienta, el cátodo emite electrones, que son acelerados por el campo eléctrico generado entre el cátodo y el ánodo.

Al chocar con el ánodo, los electrones se desaceleran y pierden la mayor parte de su energía. En este caso, aparece la radiación bremsstrahlung del rango de rayos X, pero la parte predominante de la energía del electrón se convierte en calor, por lo que el ánodo se enfría.

El tubo de rayos X de acción constante o pulsada sigue siendo la fuente más extendida de radiación de rayos X, pero está lejos de ser la única. Para obtener pulsos de radiación de alta intensidad, se utilizan descargas de alta corriente, en las que el canal de plasma de la corriente que fluye se comprime por su propio campo magnético de la corriente, el llamado pellizco.

Si la descarga tiene lugar en un medio de elementos ligeros, por ejemplo, en un medio de hidrógeno, entonces desempeña el papel de un acelerador eficaz de electrones por el campo eléctrico que surge en la propia descarga. Esta descarga puede exceder significativamente el campo generado por una fuente de corriente externa. De esta forma se obtienen pulsos de radiación de rayos X duros con alta energía de cuantos generados (cientos de kiloelectronvoltios), que tienen un alto poder de penetración.

Para obtener rayos X en un amplio rango espectral, se utilizan aceleradores de electrones - sincrotrones. En ellos, la radiación se forma dentro de una cámara de vacío anular, en la que un haz de electrones de alta energía dirigido estrechamente, acelerado casi a la velocidad de la luz, se mueve en una órbita circular. Durante la rotación, bajo la influencia de un campo magnético, los electrones voladores emiten haces de fotones tangencialmente a la órbita en un amplio espectro, el máximo de los cuales cae en el rango de rayos X.

Cómo se detectan los rayos X

Durante mucho tiempo, se utilizó una fina capa de fósforo o emulsión fotográfica aplicada a la superficie de una placa de vidrio o película de polímero transparente para detectar y medir la radiación de rayos X. El primero brillaba en el rango óptico del espectro bajo la acción de la radiación de rayos X, mientras que la transparencia óptica del recubrimiento cambiaba en la película bajo la acción de una reacción química.

En la actualidad, los detectores electrónicos se utilizan con mayor frecuencia para registrar la radiación de rayos X, dispositivos que generan un pulso eléctrico cuando se absorbe un cuanto de radiación en el volumen sensible del detector. Se diferencian por el principio de convertir la energía de la radiación absorbida en señales eléctricas.

Los detectores de rayos X con registro electrónico se pueden dividir en ionización, cuya acción se basa en la ionización de una sustancia, y radioluminiscentes, incluido el centelleo, utilizando la luminiscencia de una sustancia bajo la acción de radiación ionizante. Los detectores de ionización, a su vez, se dividen en llenos de gas y semiconductores, según el medio de detección.

Los principales tipos de detectores llenos de gas son las cámaras de ionización, los contadores Geiger (contadores Geiger-Muller) y los contadores proporcionales de descarga de gas. Los cuantos de radiación que entran en el entorno de trabajo del contador provocan la ionización del gas y el flujo de corriente, que se registra. En un detector de semiconductores, los pares de agujeros de electrones se forman bajo la acción de cuantos de radiación, que también hacen posible que una corriente eléctrica fluya a través del cuerpo del detector.

El componente principal de los contadores de centelleo en un dispositivo de vacío es un tubo fotomultiplicador (PMT), que utiliza el efecto fotoeléctrico para convertir la radiación en una corriente de partículas cargadas y el fenómeno de emisión de electrones secundarios para mejorar la corriente de las partículas cargadas generadas. El fotomultiplicador tiene un fotocátodo y un sistema de electrodos de aceleración secuenciales - dinodos, en el impacto sobre el cual se multiplican los electrones acelerados.

El multiplicador de electrones secundarios es un dispositivo de vacío abierto (funciona solo en condiciones de vacío), en el que la radiación de rayos X en la entrada se convierte en una corriente de electrones primarios y luego se amplifica debido a la emisión secundaria de electrones a medida que se propagan en el canal del multiplicador..

Las placas de microcanales, que son una gran cantidad de canales microscópicos separados que penetran en el detector de placas, funcionan según el mismo principio. Además, pueden proporcionar resolución espacial y la formación de una imagen óptica de la sección transversal del flujo incidente en el detector de radiación de rayos X bombardeando el flujo de electrones salientes de una pantalla semitransparente con un fósforo depositado sobre ella.

Rayos X en medicina

La capacidad de los rayos X para brillar a través de objetos materiales no solo brinda a las personas la capacidad de crear rayos X simples, sino que también abre posibilidades para herramientas de diagnóstico más avanzadas. Por ejemplo, está en el corazón de la tomografía computarizada (TC).

La fuente de rayos X y el receptor giran dentro del anillo en el que se encuentra el paciente. Los datos obtenidos sobre cómo los tejidos del cuerpo absorben los rayos X son reconstruidos por una computadora en una imagen en 3D. La TC es especialmente importante para diagnosticar un accidente cerebrovascular y, aunque es menos precisa que la resonancia magnética del cerebro, lleva mucho menos tiempo.

Una dirección relativamente nueva, que ahora se está desarrollando en microbiología y medicina, es el uso de radiación de rayos X suaves. Cuando un organismo vivo es translúcido, permite obtener una imagen de los vasos sanguíneos, estudiar en detalle la estructura de los tejidos blandos e incluso realizar estudios microbiológicos a nivel celular.

Un microscopio de rayos X que utiliza radiación de una descarga de tipo pellizco en el plasma de elementos pesados permite ver tales detalles de la estructura de una célula viva,que no se puede ver con un microscopio electrónico incluso en una estructura celular especialmente preparada.

Uno de los tipos de radioterapia que se utiliza para tratar los tumores malignos utiliza rayos X duros, lo que se hace posible debido a su efecto ionizante, que destruye el tejido de un objeto biológico. En este caso, se utiliza un acelerador de electrones como fuente de radiación.

Radiografía en tecnología

Los rayos X suaves se utilizan en investigaciones destinadas a resolver el problema de la fusión termonuclear controlada. Para comenzar el proceso, debe crear una onda de choque de retroceso irradiando un pequeño objetivo de deuterio y tritio con rayos X suaves de una descarga eléctrica y calentando instantáneamente el caparazón de este objetivo a un estado de plasma.

Esta onda comprime el material objetivo a una densidad miles de veces mayor que la densidad de un sólido y lo calienta hasta una temperatura termonuclear. La liberación de energía de fusión termonuclear se produce en poco tiempo, mientras que el plasma caliente se dispersa por inercia.

La capacidad de translúcido hace posible la radiografía, una técnica de imágenes que le permite mostrar la estructura interna de un objeto opaco hecho de metal, por ejemplo. Es imposible determinar a simple vista si las estructuras del puente se han soldado firmemente, si la costura en el gasoducto es hermética y si los rieles encajan firmemente entre sí.

Por lo tanto, en la industria, los rayos X se utilizan para la detección de fallas: monitoreando la confiabilidad de las principales propiedades y parámetros de trabajo de un objeto o sus elementos individuales, lo que no requiere sacar el objeto de servicio o desmantelarlo.

La espectrometría de fluorescencia de rayos X se basa en el efecto de la fluorescencia, un método de análisis utilizado para determinar las concentraciones de elementos desde el berilio al uranio en el rango de 0,0001 a 100% en sustancias de diversos orígenes.

Cuando una muestra se irradia con un potente flujo de radiación procedente de un tubo de rayos X, aparece una radiación fluorescente característica de los átomos, que es proporcional a su concentración en la muestra. En la actualidad, prácticamente todos los microscopios electrónicos permiten determinar, sin ninguna dificultad, la composición elemental detallada de los microobjetos estudiados mediante el método de análisis de fluorescencia de rayos X.

Los rayos X en la historia del arte

La capacidad de los rayos X para brillar y crear un efecto de fluorescencia también se utiliza para estudiar pinturas. Lo que se esconde debajo de la capa superior de pintura puede decir mucho sobre la historia de la creación del lienzo. Por ejemplo, es en el hábil trabajo con varias capas de pintura donde se puede encontrar que una imagen es única en la obra de un artista. También es importante tener en cuenta la estructura de las capas del cuadro a la hora de elegir las condiciones de almacenamiento más adecuadas para el lienzo.

Por todo esto, la radiación de rayos X es indispensable, lo que le permite mirar debajo de las capas superiores de la imagen sin dañarla.

Los avances importantes en esta dirección son los nuevos métodos especializados para trabajar con obras de arte. La fluorescencia macroscópica es una variante del análisis de fluorescencia de rayos X que es muy adecuada para visualizar la estructura de distribución de elementos clave, principalmente metales, presentes en áreas de aproximadamente 0,5 a 1 metro cuadrado o más.

Por otro lado, la laminografía de rayos X, una variante de la tomografía computarizada de rayos X, que es más adecuada para estudiar superficies planas, parece prometedora para obtener imágenes de capas individuales de una imagen. Estos métodos también se pueden utilizar para estudiar la composición química de la capa de pintura. Esto permite fechar el lienzo, incluso para identificar una falsificación.

Los rayos X le permiten conocer la estructura de una sustancia

La cristalografía de rayos X es una dirección científica asociada con la identificación de la estructura de la materia a nivel atómico y molecular. Una característica distintiva de los cuerpos cristalinos es una repetición ordenada múltiple en la estructura espacial de los mismos elementos (células), que consta de un determinado conjunto de átomos, moléculas o iones.

El principal método de investigación consiste en exponer una muestra cristalina a un haz estrecho de rayos X utilizando una cámara de rayos X. La fotografía resultante muestra una imagen de rayos X difractados que pasan a través del cristal, desde donde los científicos pueden mostrar visualmente su estructura espacial, llamada red cristalina. Varias formas de implementar este método se denominan análisis estructural de rayos X.

El análisis estructural por rayos X de sustancias cristalinas consta de dos etapas:

1. Determinación del tamaño de la celda unitaria del cristal, el número de partículas (átomos, moléculas) en la celda unitaria y la simetría de la disposición de las partículas. Estos datos se obtienen analizando la geometría de la ubicación de los máximos de difracción.
2. Cálculo de la densidad de electrones dentro de la celda unitaria y determinación de las coordenadas atómicas, que se identifican con la posición de los máximos de densidad de electrones. Estos datos se obtienen analizando la intensidad de los máximos de difracción.

Algunos biólogos moleculares predicen que al obtener imágenes de las moléculas más grandes y complejas, la cristalografía de rayos X puede ser reemplazada por una nueva técnica llamada microscopía electrónica criogénica.

Una de las herramientas más nuevas en el análisis químico fue el escáner de película de Henderson, que utilizó en su trabajo pionero en microscopía electrónica criogénica. Sin embargo, este método sigue siendo bastante caro y, por lo tanto, es poco probable que reemplace por completo la cristalografía de rayos X en un futuro próximo.

Un área relativamente nueva de investigación y aplicaciones técnicas asociadas con el uso de rayos X es la microscopía de rayos X. Está diseñado para obtener una imagen ampliada del objeto en estudio en el espacio real en dos o tres dimensiones utilizando ópticas de enfoque.

El límite de difracción de la resolución espacial en microscopía de rayos X debido a la pequeña longitud de onda de la radiación utilizada es aproximadamente 1000 veces mejor que el valor correspondiente para un microscopio óptico. Además, el poder de penetración de la radiación de rayos X permite estudiar la estructura interna de muestras completamente opacas a la luz visible.

Y aunque la microscopía electrónica tiene la ventaja de una resolución espacial ligeramente superior, no es un método de investigación no destructivo, ya que requiere un vacío y muestras con superficies metálicas o metalizadas, lo que es completamente destructivo, por ejemplo, para los objetos biológicos.