Rayos X FÍS.

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Física

Introducción.Losr. X fueron descubiertos en1895 por el físico alemán Roentgen (v.). Se producen cuando un haz de rayos catódicos (V. ELECTRÓN) chocan contra un obstáculo sólido. Sus propiedades fundamentales son las de ionizar los gases, impresionar las placas fotográficas, excitar la fluorescencia de algunos cuerpos y penetrar profundamente en la materia.

Su naturaleza íntima permaneció desconocida hasta 1912. Cupo al físico alemán Laue el honor de descubrir, en aquella fecha, que los r. X tienen naturaleza undulatoria. El hecho de que no fuera influida su trayectoria rectilínea ni por los campos eléctricos ni por los magnéticos inducía a rechazar su posible estructura corpuscular. Ahora bien, la prueba definitiva de su naturaleza ondulatoria exigía poder realizar con ellos un fenómeno de difracción (v.). Fracasaron los experimentos muy cuidadosos que se llevaron a cabo haciendo pasar r. X a travésde las mejores redes de difracción que existían en los laboratorios de óptica. Laue, muy influido por Ewald, intuyó que aquellas redes, aptas para conseguir un fenómeno de difracción con la luz visible, eran demasiado groseras para los r. X. En efecto, para que se produzca el fenómeno que estamos tratando, es decir, para que la luz a la salida de la red sólo llegue a unos ciertos lugares, llamados regiones de máximo, es necesario que la distancia d que separa cada dos trazos sucesivos de la red sea comparable a la longitud de onda X de la luz utilizada. Ahora bien, ¿qué ocurriría si la longitud de onda de los r. X fuera mucho menor, mil veces menor, p. ej, que la de la luz visible? Pues que al haber una gran diferencia entre d y X no se produciría el fenómeno de la difracción. Laue pensó entonces que un cristal natural es una red de difracción, cuya constante d, distancia que separa cada dos átomos sucesivos en cada dirección, es del orden de unas cien billonésimas de centímetro: es decir, algunos miles de veces menor que la constante de las mejores redes artificiales que se utilizan en óptica. Para confirmar su hipótesis, colocó, como se indica en la fig. 1, un cristal de sulfuro de cinc en el camino de los r. X. La placa fotográfica, dispuesta detrás del cristal, no se veló uniformemente, sino que se distribuyó de manera regular en regiones de máximos y de mínimos. El experimento permitió medir la longitud de onda de los r. X que, de acuerdo con las predicciones de Laue, resultó ser del orden de la cienmillonésima de cm.; es decir, del orden del angstrom (A). La de la luz visible, la del amarillo, p. ej., es del orden de los 5.890 A, es decir, unas cinco mil veces mayor. Así, pues, los r. X son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz o las ondas de la radio, diferenciándose solamente de unas y otras en que su longitud de onda es miles de veces menor que las de las primeras y millones de veces menor que la de las segundas.

Con el descubrimiento de Laue se abrió un vasto horizonte al conocimiento humano. La cristalografía (v.), que hasta 1912 era una ciencia a escala macroscópica, que se limitaba a estudiar la morfología de los cristales, comenzó a desarrollarse a escala atómica. La estructura íntima de los cristales (V. ESTADOS DE LA MATERIA II) apenas tiene ahora secretos para el físico y el químico. Por otro lado, la estructura de las moléculas puede conocerse utilizando la difracción de los r. X, así como también la de los electrones y neutrones (V. ÓPTICA I, 3). Es así como ha sido posible el avance gigantesco de la Química estructural, fundamentalmente de la Química orgánica y, por consiguiente, de los fármacos. Para los químicos, sintetizar un compuesto no representa un problema difícil, siempre y cuando se conozca íntimamente la estructura de la molécula que quiere sintetizarse. La estructura puede conocerse gracias a la ayuda que para la Química ha supuesto poder utilizar métodos físicos en sus investigaciones. La difracción de los r. X ocupa un destacadísimo lugar en ellos. Un ejemplo bien patente es el de la penicilina (v.), cuya estructura fue determinada por el prof. Bragg y sus colaboradores. Su modelo, a escala apropiada, preside el vestíbulo del Cavendish Institute de Cambridge. En España existen magníficas escuelas de investigación en esta rama del saber. Los nombres de Palacios, Garrido, Brú, Amorós, Pérez Rodríguez, García Blanco, etc., son un buen exponente de lo que decimos.

Producción de rayos X. Los tubos para producir r. X pueden ser de dos clases: de cátodo frío o de iones y de cátodo caliente o de electrones. Los primeros, ya en desuso, contienen un cátodo C, generalmente de aluminio, un ánodo A y un anticátodo T. Dispuestos en el interior de un tubo de vidrio, tal como se indica en la fig. 2, en el que reina un vacío del orden de 10-3 mercurio. Entre el cátodo C y el ánodo A se establece una diferencia de potencial elevada (algunos miles de voltios). Los pesados iones (v. IONnZACióN), siempre presentes en el gas que contiene el tubo, son lanzados violentamente contra el cátodo. La gran energía cinética que llevan es suficiente como para arrancar electrones de él que, al encontrarse sometidos a la acción del elevado campo eléctrico (v. CAMPOS, TEORÍA DE LOS) que existe entre C y A, se mueven velozmente hacia A. En su camino encuentran el anticátodo T, donde se generan los r. X. Esta clase de tubos presenta muchos inconvenientes.

Los tubos de cátodo caliente (tubos Coolidge) utilizan los electrones emitidos por un filamento de wolframio que se pone al rojo al ser recorrido por una corriente eléctrica auxiliar. El ánodo sirve a la vez como anticátodo. El haz de rayos catódicos puede regularse a voluntad y conseguir que su impacto en el anticátodo tenga una superficie muy pequeña. La región del impacto, llamado foco, puede reducirse casi a un punto. Los r. X se comportan entonces como lo hace un foco luminoso de dimensiones muy reducidas. En esta clase de tubos puede variarse a voluntad la intensidad de la corriente que lo atraviesa (la carga), siempre del orden de magnitud de algunos miliamperios, y la tensión que acelere los electrones (la calidad de los rayos), de la que depende el poder de penetración de los r. X. Estos tubos requieren un vacío elevado, superior a 10-3 Torr (v. VACíO, TÉCNICA DEL). Cuando quiere obtenerse la ficha radiológica de una cierta comunidad, que ha de hacerse en serie, se utilizan tubos de ánodo giratorio (tubos rotalix). El foco es muy fino y, como la posición del impacto del haz cambia continuamente, la elevación de temperatura que experimenta el anticátodo es muy pequeña, con lo que puede estar funcionando algunas horas incluso con carga elevada.

Análisis de la radiación X. El análisis de la radiación X, al igual que la de la luz, se hace utilizando un espectrógrafo apropiado. Consiste en un cristal, generalmente de calcita, dispuesto en el centro de una cámara circular de algunos centímetros de diámetro. El cristal puede girar alrededor de un eje y los r. X, después de atravesarlo, caen sobre una placa fotográfica, convenientemente situada. La placa, una vez impresionada y revelada, muestra un cierto ennegrecimiento de fondo y una serie de rayas netas, mucho más oscuras, cuya posición e intensidad son diferentes según la naturaleza de la sustancia que se utiliza como anticátodo. El velo continuo de la placa está producido por la llamada radiación de enfrenamiento, recibe el nombre de espectro continuo, y es siempre el mismo cualquiera que sea el anticátodo utilizado.

El conjunto de rayas se denomina espectro característico y tal como indica su nombre es característico de la naturaleza del anticátodo utilizado. Su mecanismo de producción es análogo al de los espectros (v.) ópticos. La diferencia fundamental entre unos y otros es que en la producción de los espectros ópticos sólo juegan papel los electrones periféricos, los situados en las capas más exteriores del átomo. En los espectros de r. X, por el contrario, son los electrones profundos, los situados en las capas más interiores próximas al núcleo. Los rayos catódicos, al incidir sobre el anticátodo, penetran en él, debido a la gran energía cinética que transportan, y son capaces de arrancar electrones de las capas K, L, etc. (v. ÁTOMO). Los huecos que dejan los electrones expulsados son ocupados por otros electrones situados en capas más externas. La energía potencial que pierden los electrones en esta "caída" se emite en forma de radiación X. La serie K, p. ej., de cada elemento químico está formada por rayas K,, K~, Ky, originadas por la "caída" de un electrón desde cada uno de los niveles L, M, N, etc., al nivel K. Ahora bien, debido a la multiplicidad de estos niveles, las rayas son dobles. Se las designa con la notación K.K,, KaKR-, etc. Análogamente se originan las series L.

Así, pues, el espectro característico de rayas X de un elemento químico se compone de varios grupos de rayas netamente separados. Las series de los diferentes elementos gozan de una notable propiedad, descubierta por el físico inglés Moseley: a medida que se avanza en el sistema periódico, disminuye la longitud de onda de las rayas que integran la serie. Analíticamente, esta circunstancia responde a la expresiónN/,-R (Z-b).tl)

La raíz cuadrada de la frecuencia v de la raya que encabeza cada serie es una función lineal del número ordinal Z del elemento que la produce. En (1) R y b son dos constantes. Sucede entonces, de acuerdo con (1), que para obtener r. X de longitud de onda corta (rayos penetrantes) es necesario utilizar como anticátodo sustancias de número ordinal elevado. Por eso en la industria y en medicina se trabaja con anticátodos de wolframio y molibdeno.

El espectro continuo tiene un origen netamente electromagnético. En efecto, los electrones que salen del cátodo con una gran velocidad son bruscamente frenados al chocar contra el anticátodo. La intensidad de la corriente eléctrica es equivalente al movimiento de aquellos electrones libres y crece con la velocidad de los mismos. La rápida variación de la velocidad de los electrones es equivalente a un cambio de la correspondiente intensidad de la corriente eléctrica. El inevitable campo magnético que la acompaña sufre una variación, lo que da origen a la generación de una onda electromagnética. El estudio detallado del ennegrecimiento de la placa demuestra que la radiación de enfrenamiento comienza bruscamente en una cierta longitud de onda, cuyo valor depende de la tensión eléctrica aplicada al tubo, extendiéndose hacia las grandes longitudes de onda. El cálculo de la longitud de onda umbral es sencillo. Sea V la tensión aplicada al tubo, como la carga del electrón vale e=1.602 X 10-19 culombios, la máxima energía que el electrón puede alcanzar es:W=eV=1.602 V x 10-19 juliosSi toda esta energía se invierte en un solo fotón (v. MECÁNICA Iv) de frecuencia v, se obtiene:W =hv=eV(2) siendo h la constante de Planck (6.625X10-14 jul.. seg.). Como la frecuencia y la longitud de onda x están ligadas por la relaciónx= cl v,siendo c la velocidad de propagación de la onda, la expresión (2) toma la forma:W=hclxEl valor de c es el mismo para todas las ondas electromagnéticas cuando se propagan en el vacío (o en el aire):3 X 108 m/seg. Así, pues,3 x 108 x 6.625 x 10-3412.3001.602 x 10-9V mVAque es la mínima longitud de onda a que nos referíamos. Así, p. ej., si el potencial aplicado al tubo es de 30.000 voltios, la longitud de onda mínima de la radiación emitida vale:12.300 x=-=0,41 A. 30.000Absorción de rayos X. Cuando un haz de r. X atraviesa una lámina de espesor l, la intensidad de los rayos experimenta una disminución que depende del espesor atravesado y de un coeficiente w característico de la sustancia, llamado coeficiente de absorción. Entre las intensidades Io e I de los rayos que llegan y que salen de una lámina de espesor 1 y coeficiente de absorción g, existe la relación:I=Ioe-vt e es la base de los logaritmos neperianos. El coeficiente w es tanto mayor cuanto más se avanza en la tabla periódica de los elementos químicos. Gracias a esta circunstancia es posible obtener radiografías y radioscopias, pues los r. X son mucho más absorbidos por los elementos pesados que por los ligeros (v. RADIOLOGÍA). Los huesos muy ricos en calcio (número ordinal o atómico Z=20) destacan fácilmente en las radiografías frente a los núcleos y tejidos blandos, en cuya constitución entran fundamentalmente el hidrógeno (Z=1), el carbono (Z=6), y el nitrógeno (Z=7). Es por esta circunstancia por la que para explorar radiológicamente ciertas vísceras, como el hígado o el estómago, es preciso ingerir ciertos preparados que absorben los bario(Z=56) es la base fundamental de la papilla que lleva su nombre.

Tomografía. Para poder diagnosticar en medicina la profundidad a que se encuentra una lesión o bien en metalografía el lugar exacto en que una pieza de fundición tiene un fallo, se utiliza la técnica de la tornografía. En efecto, las radiografías ordinarias no suministran ningún dato sobre aquella cuestión, pero el tomógrafo permite resolver el problema con cierta sencillez. Su fundamento es hacer girar el conjunto placa fotográficatubo de r. X alrededor de un eje que pasa justamente por la región cuya profundidad quiere determinarse. El tubo A y la placa P se desplazan en sentidos contrarios (fig. 3). Entonces si el eje de giro pasa por el punto B, situado a la misma altura que D, la sombra que produce D cae siempre en el mismo sitio de la placa, por lo que el ennegrecimiento será grande. La sombra, en cambio, producida por C situado encima de B cambia de lugar, por lo que aparecerá poco definida. Basta variar la altura de B para poder explorar toda la muestra en profundidad. En una lesión de pulmón, p. ej., suelen hacerse diez radiografías que equivalen a haber practicado diez cortes del tejido enfermo.

Microscopio de rayos X. Un microscopio, en el sentido general de la palabra, que "ilumina" los preparados con r. X en vez de con luz, permitiría observar detalles del objeto que pasarían inadvertidos para el mejor microscopio óptico que pudiera concebirse. La razón es que como la longitud de onda de los r. X es mucho menor que la de la luz visible, el poder separador (v. ÓPTICA I, 4) del microscopio de r. X es algunos miles de veces mayor que el del microscopio óptico (v. MICROSCOPíA). Desgraciadamente no puede disponerse de aquellos microscopios, porque no pueden construirse lentes capaces de refractar los r. X. A pesar de ello, Cosslett y otros investigadores han constituido lo que se ha dado en llamar el microscopio de r. X. Su fundamento es conseguir un tubo de r. X de foco tan fino que prácticamente se comporta como un punto geométrico. Los r. X que salen de él atraviesan el objeto que quiere observarse. La sombra que proyecta sobre una placa fotográfica es tan contrastada que pueden observarse en ella detalles muy ampliados del objeto. En la figura reproducimos una microrradiografía de Drosophila melagonaster, que nos ha sido cedida por el prof. Cosslett de la Univ. De Cambridge. Ladificultad de preparación de los objetos a observar y la finura de la técnica hacen que el microscopio de r. X sea un instrumento que, hasta el momento, no pueda salir de los confines de un laboratorio muy especializado.

V. t.: ÁTOMO; ESPECTROS; ESPECTROSCOPIA.

L. BRÚ VILLASECA.

BIBL.: J. GARRIDO-J. ORLAND, Los rayos X y la estructura fina de la materia, Madrid 1946; L. BRÚ, Física, 11 ed. Madrid 1967; P. P. EWALD, Fifty years of X-Ray Diffraction, Utrecht 1962.