FOTOS INTERNAS: LOS RAYOS X Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Diego Mauricio Ramos Remolina Código 244687 Mayo de 2010 RESUMEN La posibilidad de obtener imágenes a través de objetos no-transparentes ha sido no sólo uno de los mayores sueños de la humanidad sino también uno de los grandes retos con los que se ha encontrado a través del tiempo, pues esta capacidad de ver a través de los objetos permitiría, por ejemplo, explorar al interior de nuestro cuerpo y así diagnosticar más precisamente alguna enfermedad o lesión en el mismo con el fin de curarla. Sin embargo hacia finales del siglo XIX la posibilidad de obtener estas imágenes dejó de ser un imposible y pasó a ser una realidad, gracias a un “accidente” ocurrido en el laboratorio del físico alemán William Conrad Röntgen que permitió el descubrimiento de unos rayos capaces de atravesar la materia y de velar placas fotográficas, rayos que bautizó con el nombre de rayos X. Los rayos X tienen una serie de particularidades que les confieren sus propiedades especiales y desde su descubrimiento han sido ampliamente utilizados en el campo de la medicina como herramienta de diagnóstico. I. INTRODUCCIÓN Hacia finales del siglo XIX, en el año de 1895, el físico William Conrad Röntgen se encontraba experimentando con tubos de descarga gaseosa de alto voltaje que emitían rayos catódicos (tubos de rayos catódicos) y observó que cuando trabajaba con estos tubos, unas placas de platinocianuro de bario que se encontraban cerca emitían una fluorescencia extraña. Atribuyó la emisión de esta fluorescencia a unos rayos “invisibles” que, por considerárseles de naturaleza desconocida, denominó rayos X; Descubrimiento que lo llevó a ganar el Nóbel de física de 1901. Inicialmente Röntgen creía que los rayos X no tenían nada que ver con la luz puesto que eran invisibles para el ojo humano, pero luego se demostró que al igual que los rayos gamma, los

ultravioleta, que las ondas de radio y que la luz visible, los rayos X eran otro tipo de onda electromagnética y por tanto hacían parte del espectro electromagnético de la luz. Röntgen continuó experimentando con rayos X y notó que no sólo eran capaces de atravesar ciertos objetos, sino que también eran capaces de dejar imágenes impresas en placas fotográficas, conclusión a la que llegó luego de interponer su mano sosteniendo objetos entre la fuente de rayos X y una placa fotográfica. Gracias a las observaciones hechas por Röntgen, fue que los rayos X empezaron a ser utilizados en el campo de la medicina para ayudar con el diagnóstico de enfermedades o traumas (fracturas, lesiones, etc.). Especialmente durante la I Guerra Mundial se usaron los rayos X como herramienta de diagnóstico para

traumas y detección de objetos extraños en el cuerpo como balas. Posteriormente, cuando la tuberculosis se convirtió en una epidemia en Europa, gracias a los rayos X se pudieron observar los nódulos que la enfermedad producía en los pulmones y así diagnosticarla a tiempo. Además permitió detectar casos de silicosis en trabajadores de minería, haciendo observaciones similares a las de la tuberculosis. Los anteriores hechos llevaron al desarrollo de diversos equipos relacionados con los rayos X, pues se crearon dispositivos móviles y ya no era necesario ir hasta un laboratorio de física para poder realizar un diagnóstico adecuado. Inicialmente existieron 2 maneras de diagnosticar diferentes: las radioscopias y las radiografías. En las radioscopias había una fuente de rayos X que generaba una proyección (“en vivo”) del cuerpo –en específico de los huesos y algunos órganos –del paciente en una pantalla que era observada por el médico. Por su parte en las radiografías también había una fuente de rayos X, pero en vez de obtenerse una imagen (“en vivo”) en una pantalla, se obtenía una impresión de los huesos y de algunos órganos del paciente sobre una placa fotográfica. Para hacer un diagnóstico por medio de rayos X se tiene en cuenta la densidad de los órganos del cuerpo. Para el caso de los huesos y tumores, que son los tejidos más densos, se espera que no pase gran cantidad de rayos X, por lo que en la placa se deberían observar impresiones blancas. En el caso de los órganos internos menos densos se espera obtener una impresión grisácea. Mientras que para el caso de la piel que es mucho menos densa, se espera que la cantidad de rayos X que la atraviese sea bastante grande y por tanto no se observe impresión alguna en la placa fotográfica. En el caso de una fractura

se observará el hueso (blanco) y un espacio hueco (negro) en el lugar del trauma. II. MARCO TEÓRICO Propiedades de los Rayos X Los rayos X son una radiación electromagnética (hacen parte del espectro electromagnético) y se encuentran a la derecha de los rayos ultravioleta, lo que hace que sean ondas de baja longitud de onda, de alta frecuencia y por tanto de un alto contenido energético. A los rayos X se les atribuye una longitud de onda de alrededor de 1amstrong, confiriéndoles entonces un contenido energético de unos 12375eV aproximadamente, con una frecuencia de 3x1018Hz. La capacidad de los rayos X de atravesar objetos no sólo depende de los rayos en sí –de su alto contenido energético –sino también de la densidad y grosor del material que están atravesando. Principalmente influye la densidad del material, pues a través de un objeto delgado hecho de un material muy denso, la probabilidad de que los rayos X pasen es muy baja. Si el material fuera menos denso, la probabilidad de que pasen rayos X a través de éste es mucho mayor. Sin embargo se puede tener un objeto muy grueso, hecho de un material poco denso y la cantidad de rayos X que lograrán atravesarlo será muy poca. Emisión de Rayos X Los átomos se componen, en escencia, de tres partículas: electrones (partículas cargadas negativamente), protones (partículas cargadas positivamente) y neutrones (partículas sin carga). Y en general el átomo se pueden dividir en dos partes: el núcleo, que es la parte interna del átomo, de mayor densidad y con carga neta positiva, debido a que

allí se encuentran los protones y neutrones; y la periferia, que es la parte externa del átomo, de menor densidad que el núcleo y es donde están los electrones (figura 1).

Figura 1. Esquema de las partes de un átomo y de la distribución de las partículas en el mismo. En la figura es un átomo de helio. En la periferia los electrones tienen unos “trayectos” definidos que recorren cuando orbitan al átomo, dichos trayectos se conocen con el nombre de orbitales. Para que un electrón pueda estar en un orbital, debe tener una determinada cantidad de energía que le permita permanecer en éste; si el electrón “salta” de su orbital a uno más externo, es porque ha ganado energía, si ocurre el caso contrario, entonces es porque ha perdido energía. La energía que necesita un electrón para poder saltar a un orbital más externo la obtiene absorbiendo luz; la energía que pierde un electrón cuando pasa a un orbital más interno, la pierde en forma de luz. En ambos casos la luz es absorbida/emitida en forma de paquetes discretos denominados fotones (figuras 2.a y 2.b) y la cantidad de energía ganada o perdida por el electrón depende de la longitud de onda del fotón (ecuación 1).

E = hc/λ Ecuación 1. Relación entre la longitud de onda (λ) de un fotón y la cantidad de energía (E) que posee. “h” es la constante de Planck, cuyo valor corresponde a 6,6x10-34J·s.

Figura 2.a. Electrón que ha absorbido un fotón.

Figura 2.b. Electrón que ha emitido un fotón. Por ley de Coulomb se sabe que entre dos partículas cargadas existe cierta interacción eléctrica que genera bien sea una atracción (signos contrarios de carga) o una repulsión (mismo signo de carga) entre las partículas. Se sabe también que una partícula con cierta velocidad posee energía cinética y que cuando reduce su velocidad, “pierde” una parte de la energía cinética inicial que tenía, pero por la ley de la conservación de la energía es bien sabido que esta energía cinética “perdida” no se pierde realmente sino que se transforma en otro tipo de energía, que puede ser calor, energía potencial o incluso en forma de fotones. Para lograr la emisión de rayos X es necesario bombardear un material – conocido como blanco de bombardeo y

que usualmente es wolframio –con electrones a alta velocidad, para que tanto los átomos que lo componen como los electrones que lo están bombardeando sufran cambios energéticos que lleven a la emisión de ondas electromagnéticas. Cuando los electrones (carga negativa) que están bombardeando al material pasan cerca de los núcleos (carga positiva) de los átomos del material, experimentan una fuerza de atracción que hace que disminuyan su velocidad, es decir que “pierdan” energía cinética en forma de calor y de fotones; fotones cuya longitud de onda corresponde a la de los rayos X. Fuentes de Rayos X La primera fuente de rayos X que existió es la que se conoce con el nombre de tubo de Crookes, que consistía en una ampolla de vidrio con un gas a presión de vacío parcial con 2 electrodos, por la cual se hacía pasar una corriente eléctrica que ionizaba al gas. Los iones positivos generados interactuaban con el cátodo y producían un desprendimiento de electrones, formando así un haz de rayos catódicos (corriente de electrones) que bombardeaba el vidrio y generaba la emisión de rayos X. Valga aclarar que el tubo de Crookes era realmente un tubo de rayos catódicos, pero como también emitía rayos X, terminó sirviendo como modelo para elaborar aparatos que generaran este tipo de rayos. Posteriormente Coolidge mejoro el aparato, logrando una presión de vacío en la ampolla de vidrio y añadiendo un filamento (para calentar) y un blanco de bombardeo. El filamento se calentaba hasta un punto tal que los electrones que poseía tuvieran la energía cinética suficiente para liberarse de éste (efecto termoiónico) y posteriormente ser acelerados por una diferencia de

potencial entre ambos electrodos, bombardeando así el blanco a alta velocidad y haciendo que éste emitiera los rayos X. Actualmente las fuentes de rayos X funcionan con el mismo principio que el de los tubos de Coolidge, de hecho son tubos de Coolidge mejorados. Los equipos poseen una carcasa protectora que usualmente tiene plomo para evitar la fuga de radiación y canalizar los rayos X y una envoltura de cristal que permite mantener las condiciones de vacío óptimas para la generación de los rayos X. En el cátodo del tubo emisor de los rayos X se encuentra el filamento, usualmente de tungsteno, que se va a calentar para liberar los electrones. El incremento de temperatura necesario para que los electrones se desprendan del filamento se logra suministrando una corriente de entre 4 A y 5 A. El incremento de temperatura se puede explicar porque el hecho de suministrar una corriente, generará en el filamento una resistencia (ley de Ohm, ver ecuación 2) que evitará el libre flujo de cargas, haciendo que éstas “tropiecen” contra las paredes del material y exciten los átomos que lo componen, generando un aumento en su energía cinética, que se traduce en el aumento de la temperatura del material. R = V/I Ecuación 2. Ley de Ohm. “R” es la resitencia que opone el conductor a la corriente (I) generada por una diferencia de potencial (V). El ánodo no es sólo el lugar donde llegan los electrones luego de desprenderse del cátodo sino que también es el soporte del blanco, que generalmente se fabrica de cobre ya que es un buen material conductor tanto eléctrico como térmico. Esta última característica es importante ya que gran

cantidad de la energía cinética que trae el electrón se pierde en forma de calor y si no es buen conductor térmico (el ánodo) entonces terminaría por fundirse. Actualmente los blancos de bombardeo se hacen de tungsteno. III. CONCLUSIONES 1. Los avances en el campo de la física no sólo se quedan en el aspecto teórico sino que también han beneficiado a la humanidad y le han permitido avanzar en áreas aplicables a la vida real, como lo es el caso del diagnóstico radiológico en la medicina. 2. Los rayos X finalmente son producto de la interacción entre cargas propuesta por Coulomb, pues es esta interacción la que hace posible que cuando el electrón pasa cerca de un núcleo, se vea atraído y por ende pierda energía en forma de fotones que generan los rayos X. 3. Gracias a la relación que propuso Planck entre energía de una onda y su frecuencia y la relación entre campo eléctrico y potencial es que es posible manipular las tensiones a las que se deben someter los electrones para obtener una cierta onda electromagnética y usarla a beneficio propio, como lo es el caso de los rayos X para lograr imágenes de diagnóstico.

IV. BIBLIOGRAFÍA 1. http://www.dailymotion.com/vide o/x6z4p5_rayos-x-eldescubrimiento_school 2. http://www.dailymotion.com/vide o/x6zpil_rayos-x-aplicacionesclinicas_school 3. http://cas.sdss.org/dr7/sp/proj/ad vanced/spectraltypes/energyleve ls.asp 4. http://www.misrespuestas.com/q ue-son-los-rayos-x.html 5. http://www.healthsystem.virginia. edu/UVAHealth/adult_radiology_ sp/general.cfm 6. http://www.spanishminerals.com/ articlelosrayosxysudifraccionporl oscristales.htm 7. http://www.emory.edu/XRAYS/century_05.htm 8. http://www.monografias.com/trab ajos14/quimica-dalton/quimicadalton.shtml?monosearch#RAY X 9. http://www.monografias.com/trab ajos11/gamma/gamma.shtml 10. http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristal ografia/parte_02.html