Los rayos X

Los rayos X son un tipo especial de radiación, de la misma naturaleza que la de la luz visible, pero con mucha mayor energía. Desde que fueron descubiertos a finales del siglo XIX, se han venido usando para escudriñar el interior del cuerpo humano, ya que se han convertido en una herramienta invaluable para diagnosticar enfermedades y observar fracturas.

En los aeropuertos, los viajeros también están familiarizados con las máquinas de rayos X que se usan para chequear el equipaje, pero algunos ignoran que esta útil radiación también sirve para buscar diminutas fisuras en las partes metálicas del avión en el que viajan.

Casi todo el mundo se ha tomado una radiografía, pero la física detrás de estas sencillas imágenes es realmente extraordinaria. Fuente: Piqsels.

Los rayos X revelan muchas cosas que no están a la vista, sin necesidad de abrir o dañar los objetos. Son invisibles e imperceptibles a simple vista, pero traen consigo una gran energía que portan, que los hace capaces de atravesar la materia y dejar la huella de su paso sobre un elemento sensible. De esta manera se forma una radiografía, como la que se muestra aquí:

Radiografía del abdomen de una niña de 1 año, mostrando el alfiler alojado en su interior. Fuente: NASA.

Esta es la  imagen del abdomen de una bebé de apenas un año de edad. La pequeña se tragó un alfiler, el cual se puede ver claramente alojado en su interior. Esta sencilla imagen salvará la vida de la bebé, pues con su ayuda, el cirujano podrá llegar hasta el alfiler y extraerlo.

¿Cuál es la naturaleza de los rayos X?

La naturaleza de los rayos X es la misma que la luz visible, pues ambas radiaciones forman parte del llamado espectro electromagnético. Las ondas de radio, la luz ultravioleta y las microondas que se utilizan para cocinar y en telecomunicaciones, también pertenecen al espectro electromagnético.

Los rayos X pertenecen a la categoría de radiaciones ionizantes, debido a la capacidad que tienen para ionizar la materia, es decir, extraer electrones de los átomos.

Una onda electromagnética consiste en dos campos oscilantes, uno eléctrico E y otro magnético B. Ambos campos oscilan en direcciones perpendiculares entre sí.

La radiación electromagnética consiste en un campo eléctrico y un campo magnético oscilantes y perpendiculares entre sí. Fuente: Pixabay.

Energía

Como toda onda, la radiación electromagnética se caracteriza por tener una longitud de onda y una frecuencia. 

La frecuencia de la onda es el número de oscilaciones que esta realiza, por unidad de tiempo.Está relacionada estrechamente con la energía de la onda, ya que cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía.

Por su parte, la longitud de onda λ es la distancia entre cada cima de la onda, o bien entre cada valle de la misma.

La energía de la onda es directamente proporcional a su frecuencia, es decir, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía que porta la onda. Una sencilla ecuación cuantifica este vínculo entre energía y frecuencia:

E = h𝞶

Donde E representa la energía, 𝞶 es la frecuencia y h es la constante de Planck, una constante presente en la naturaleza de la luz.

Descubrimiento

Los rayos X se producen de manera natural en el universo, pues algunos objetos celestes los emiten, incluyendo al mismo Sol y otras estrellas.

Las fuentes más intensas de rayos X suelen ser  los restos de lo que alguna vez fueron estrellas, cuyas emisiones son detectadas mediante observatorios de rayos X puestos en órbita a través de satélites artificiales. Pero aquí en la Tierra, los rayos X se producen mediante aparatos como el tubo de rayos catódicos. 

Así fue como el científico alemán Wilhelm Roentgen los descubrió en 1895.

Wilhelm Conrad Röntgen. Fuente: Wikimedia Commons.

Como muchos científicos de su tiempo, Roentgen se había interesado por los rayos catódicos, una radiación cuya naturaleza era bastante desconocida.

En su laboratorio, Roentgen tenía un tubo de rayos catódicos, que consiste en un par de electrodos dentro de un bulbo de cristal. Al calentarse uno de los electrodos, llamado cátodo, se emitía un haz de rayos catódicos que iban a impactar directamente al otro electrodo, llamado ánodo. 

Algunos creían que los rayos catódicos eran semejantes a los de la luz, pero pronto se dieron cuenta de que no era así, cuando descubrieron que eran desviados por campos magnéticos. La luz no puede ser desviada por campos magnéticos.

Roentgen guardaba una placa fluorescente en su laboratorio, y un día, habiéndola dejado cerca del tubo de rayos catódicos, descubrió con sorpresa que la placa emitía un leve resplandor. Conocedor de que los rayos catódicos no podían atravesar el cristal del tubo, dedujo que se trataba de otra clase de radiación desconocida.

Modestamente, Roentgen  llamó a esta radiación  “rayos X”, porque no se imaginaba sus propiedades. E inmediatamente, como todo buen investigador, Roentgen se apresuró a experimentar con su nuevo descubrimiento. 

La primera radiografía del mundo es la de la mano izquierda de Anna Bertha Ludwig, la esposa del científico. Cuando ella vio la imagen, en la que se distinguen claramente los huesos de la mano y el anillo, su asombro fue tal, que afirmó sentirse extrañamente cercana a la muerte. Hoy en día, la mano de Anna Bertha Ludwig forma parte de la historia de la ciencia.

Radiografía de la mano de Anna Bertha Ludwig, esposa de Roentgen. Fuente: Wikimedia Commons.

Aunque en ese momento Roentgen no lo sabía, resulta que los  rayos X están relacionados con los rayos catódicos, pues estos no son otra cosa que haces de electrones en movimiento, gracias a los cuales se producen los rayos X.

Y debido a que poseen tanta energía, los rayos X pueden interactuar con el cristal del tubo, escapar de éste y propagarse por el espacio. Al tropezar con un obstáculo como la placa fluorescente, dejan en esta la huella de los objetos con los que han interactuado, por ejemplo, la mano de la elegante señora Roentgen.

Como es natural, a todo el mundo le fascinó la posibilidad de ver el interior de las personas. Un curioso aparato estuvo durante mucho tiempo en las zapaterías de Europa y Estados Unidos, y se llamaba el podoscopio de rayos X o fluoroscopio de zapatería. 

Con el podoscopio las personas podían comprobar que tan bien les quedaban los zapatos. Los niños eran los que más se divertían, viendo los huesos de sus dedos en movimiento por el visor del fluoroscopio.

Como es natural, los dueños de las zapaterías estaban convencidos de que el podoscopio aumentaba sus ventas. Hasta que tomaron conciencia de los peligros de la radiación, y finalmente se prohibió su uso en 1960 en los Estados Unidos, y en 1970 en Gran Bretaña.

Producción

Actualmente, los rayos X se producen en un tubo especial, que consiste en un cámara al vacío, dentro de la cual se encuentran los dos electrodos: el cátodo y el ánodo. Entre ambos, se establece una elevada diferencia de potencial, de entre 25.000 a 250.000 voltios.

Diagrama básico de un tubo de rayos X. Fuente: Andriessen, Michael. Physics Course HSC. 3rd. Ed.

La corriente así producida pasa por el cátodo, en forma de filamento de alambre. De esta forma, el filamento se calienta y emite electrones, gracias al llamado efecto termoiónico. Los electrones conforman un haz,dirigiéndose aceleradamente hacia el otro electrodo, el ánodo.

Como el ánodo también debe soportar elevadas temperaturas, se fabrica de un metal lo suficientemente resistente, como el tungsteno. La temperatura a la que funde el tungsteno es de 3400 ºC, una propiedad que lo convierte en un excelente material para ser el blanco del haz de electrones.

Física de la producción de rayos X

Una vez que los electrones impactan el ánodo, interactúan con sus átomos, y es entonces que se producen los rayos X, a través de dos mecanismos diferentes, que ocurren al mismo tiempo.

Bremsstrahlung o radiación de frenado

El primero mecanismo es el Bremsstrahlung, en alemán, que se traduce por radiación de frenado. Los electrones del haz frenan al impactar con el blanco, ya los electrones de este los repelen.

En el proceso, los electrones pierden parte de su energía cinética, la cual se transforma en energía de rayos X, cuya energía depende de la desaceleración del haz incidente.

Transiciones electrónicas y rayos X característicos

El segundo mecanismo tiene lugar si algunos electrones incidentes consiguen golpear a los electrones más internos de los átomos del blanco. 

Gracias al impacto, alguno de estos electrones sale de su lugar habitual, ionizando al átomo. La vacante es llenada de inmediato por algún electrón de las capas externas, que se deshace de su exceso de energía liberando rayos X.

La frecuencia de los rayos X que se produce de este modo, difiere según el tipo de átomo, por eso se llaman rayos X característicos.

El resultado conjunto de estos dos mecanismos es la producción de rayos X de muchas longitudes de onda distintas, o frecuencias, si se prefiere.

La siguiente gráfica representa la intensidad relativa de los rayos X emitidos por un blanco de molibdeno, versus la longitud de onda, sometido a una diferencia de potencial de 35 kilovoltios, o lo que es igual, 35.000 voltios.

Además del tungsteno, el molibdeno también es un elemento muy apropiado para hacer de blanco en un tubo de rayos X.

Gráfica de la distribución de energía de los rayos X en función de su longitud de onda. Los picos en la gráfica corresponden a los rayos X característicos. Fuente: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

La gráfica tiene dos regiones importantes: una que es continua y la otra discreta, en forma de picos de alta intensidad que superponen a la parte continua. Estos picos corresponden a los rayos X característicos del molibdeno, mientras que el resto son los rayos X producidos por la radiación de frenado, que siguen una curva suave y continua.

Cada uno de los picos mostrados representa dos transiciones distintas en el átomo del molibdeno, las que ocurren cuando algún electrón interno es removido de su posición gracias a un impacto.

Los picos difieren en intensidad, ya que la energía de los rayos X asociados, depende de la diferencia de energía entre el electrón que deja la vacante y el que desciende de nivel para ocupar el lugar vacante.

Con la finalidad de dirigir correctamente a los rayos X, el blanco se coloca según un determinado ángulo.

El proceso en sí no es muy eficiente, pues la mayor parte de la energía que lleva el haz de electrones, casi un 99 %, se transforma en calor. Este puede llegar a ser tan intenso, que es capaz de hacer hervir el agua en un recipiente en cuestión de instantes, por eso, el tubo de rayos X tiene un sistema de enfriamiento, que dispersa toda esta energía.

Alternativamente, el blanco puede hacerse girar con una rapidez cercana a 3600 revoluciones por minuto. De esta manera, el calor se reparte en un área mucho más grande.

Rayos X blandos y duros

A los rayos X de baja frecuencia se les conoce como rayos X blandos, mientras que a los de frecuencias elevadas, se les llama rayos X duros.

Estos últimos son los más energéticos y por ende producen las imágenes de mejor calidad. Por eso los diseñadores de tubos de rayos X buscan maneras de absorber los rayos X blandos, normalmente empleando una lámina de aluminio a modo de filtro para los rayos X que salen del tubo.

Es también una excelente idea para disminuir la cantidad de radiación cuando se trata de radiografiar a un ser vivo.

La calidad de la imagen mejora también cuando el haz de rayos X es estrecho y concentrado, lo cual se logra mediante un colimador.

Tomando una radiografía

Tal como hizo Roentgen con la mano de su esposa, la persona o el objeto que se va a radiografiar debe iluminarse con el haz de rayos X. La imagen se forma debido a que cada tejido o material, atenúa los rayos X en mayor o menor medida, según su composición.

Como los huesos tienen un elevado contenido mineral y sus átomos son más pesados, atenúan mucho más la radiación que los tejidos blandos, cuyos componentes son ligeros. Esto se traduce en una diferencia de matiz. Los huesos destacan en color claro en la radiografía, mientras que los tejidos blandos lucen mucho más oscuros, lo cual  ayuda a que destaquen ciertas estructuras, como el alfiler metálico alojado en el interior de la bebé en la imagen al comienzo.

Toda la información que compone la imagen, debe recogerse en un soporte adecuado, que durante mucho tiempo ha sido la película radiográfica. Esta se compone de un material sensible a los rayos X.

Pero también puede guardarse en un archivo de computación, para verla en una pantalla de monitor, lo cual tiene varias ventajas. Una es que la imagen puede mejorarse con software, modificando el contraste y el brillo de la misma, sin tener que repetir la radiografía, y la otra es que requiere menos espacio para almacenarse.

Por F. Zapata.