¿Qué son los rayos X?

Los rayos X son tipos de radiación electromagnética probablemente más conocidos por su capacidad para ver a través de la piel de una persona y revelar imágenes de los huesos debajo de ella. Los avances en la tecnología han dado lugar a haces de rayos X más potentes y enfocados, así como a aplicaciones cada vez mayores de estas ondas de luz, desde obtener imágenes de células biológicas diminutas y componentes estructurales de materiales como el cemento hasta matar células cancerosas..  

Los rayos X se clasifican aproximadamente en rayos X suaves y rayos X duros. Los rayos X suaves tienen longitudes de onda relativamente cortas de aproximadamente 10 nanómetros (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro), por lo que se encuentran en el rango del espectro electromagnético (EM) entre la luz ultravioleta (UV) y los rayos gamma. Los rayos X duros tienen longitudes de onda de aproximadamente 100 picómetros (un picómetro es una billonésima parte de un metro). Estas ondas electromagnéticas ocupan la misma región del espectro EM que los rayos gamma. La única diferencia entre ellos es su fuente: los rayos X son producidos por electrones acelerados, mientras que los rayos gamma son producidos por núcleos atómicos en una de cuatro reacciones nucleares.. 

Historia de las radiografías

Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Wilhelm Conrad Röentgen, profesor de la Universidad de Würzburg en Alemania. Según la "Historia de la radiografía" del Nondestructive Resource Center, Röentgen notó cristales cerca de un tubo de rayos catódicos de alto voltaje que exhibían un brillo fluorescente, incluso cuando los protegió con papel oscuro. El tubo estaba produciendo alguna forma de energía que penetraba en el papel y hacía que los cristales brillaran. Röentgen llamó a la energía desconocida "radiación X". Los experimentos mostraron que esta radiación podría penetrar los tejidos blandos pero no los huesos, y produciría imágenes de sombras en las placas fotográficas.. 

Por este descubrimiento, Röentgen fue galardonado con el primer premio Nobel de física, en 1901..

Fuentes y efectos de rayos X

Los rayos X se pueden producir en la Tierra enviando un haz de electrones de alta energía que se estrella contra un átomo como el cobre o el galio, según Kelly Gaffney, director de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Cuando el rayo golpea el átomo, los electrones de la capa interna, llamada capa s, se empujan y, a veces, se arrojan fuera de su órbita. Sin ese electrón, o electrones, el átomo se vuelve inestable, por lo que para que el átomo se "relaje" o vuelva al equilibrio, dijo Gaffney, un electrón en la llamada capa 1p cae para llenar el vacío. ¿El resultado? Se lanza una radiografía.

"El problema con eso es que la fluorescencia [o la luz de rayos X emitida] va en todas direcciones", dijo Gaffney. "No son direccionales ni enfocables. No es una manera muy fácil de crear una fuente de rayos X de alta energía y brillante".

Ingrese un sincrotrón, un tipo de acelerador de partículas que acelera partículas cargadas como electrones dentro de un camino circular cerrado. La física básica sugiere que cada vez que acelera una partícula cargada, emite luz. El tipo de luz depende de la energía de los electrones (u otras partículas cargadas) y del campo magnético que las empuja alrededor del círculo, dijo Gaffney..

Dado que los electrones del sincrotrón son empujados a una velocidad cercana a la de la luz, emiten enormes cantidades de energía, particularmente energía de rayos X. Y no solo rayos X, sino un rayo muy potente de luz de rayos X enfocada.

La radiación de sincrotrón se observó por primera vez en General Electric en los Estados Unidos en 1947, según la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón. Esta radiación se consideró una molestia porque hacía que las partículas perdieran energía, pero más tarde se reconoció en la década de 1960 como una luz con propiedades excepcionales que superaron las deficiencias de los tubos de rayos X. Una característica interesante de la radiación de sincrotrón es que está polarizada; es decir, los campos eléctricos y magnéticos de los fotones oscilan todos en la misma dirección, que puede ser lineal o circular. 

"Debido a que los electrones son relativistas [o se mueven casi a la velocidad de la luz], cuando emiten luz, terminan enfocándose en la dirección de avance", dijo Gaffney. "Esto significa que no solo obtienes el color correcto de rayos X de luz y no solo muchos de ellos porque tienes muchos electrones almacenados, sino que también se emiten preferentemente en la dirección de avance".

Imágenes de rayos X

Debido a su capacidad para penetrar ciertos materiales, los rayos X se utilizan para varias aplicaciones de evaluación y prueba no destructivas, particularmente para identificar fallas o grietas en componentes estructurales. Según el NDT Resource Center, "la radiación se dirige a través de una pieza y sobre [una] película u otro detector. El gráfico de sombras resultante muestra las características internas" y si la pieza es sólida. Esta es la misma técnica que se usa en los consultorios de los médicos y los dentistas para crear imágenes de rayos X de huesos y dientes, respectivamente. [Imágenes: Impresionantes rayos X de peces]

Los rayos X también son esenciales para las inspecciones de seguridad del transporte de carga, equipaje y pasajeros. Los detectores de imágenes electrónicos permiten la visualización en tiempo real del contenido de los paquetes y otros artículos de los pasajeros.. 

El uso original de los rayos X fue para obtener imágenes de huesos, que se distinguían fácilmente de los tejidos blandos en la película que estaba disponible en ese momento. Sin embargo, los sistemas de enfoque más precisos y los métodos de detección más sensibles, como las películas fotográficas mejoradas y los sensores de imágenes electrónicos, han hecho posible distinguir detalles cada vez más finos y diferencias sutiles en la densidad del tejido, utilizando niveles de exposición mucho más bajos..

Además, la tomografía computarizada (TC) combina múltiples imágenes de rayos X en un modelo 3D de una región de interés.

Similar a la TC, la tomografía sincrotrón puede revelar imágenes tridimensionales de estructuras interiores de objetos como componentes de ingeniería, según el Centro Helmholtz de Materiales y Energía..

Terapia de rayos X

La radioterapia utiliza radiación de alta energía para destruir las células cancerosas al dañar su ADN. Dado que el tratamiento también puede dañar las células normales, el Instituto Nacional del Cáncer recomienda que el tratamiento se planifique cuidadosamente para minimizar los efectos secundarios.. 

Según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., La llamada radiación ionizante de los rayos X golpea un área enfocada con suficiente energía para quitar completamente los electrones de los átomos y moléculas, alterando así sus propiedades. En dosis suficientes, esto puede dañar o destruir las células. Si bien este daño celular puede causar cáncer, también se puede usar para combatirlo. Al dirigir los rayos X a los tumores cancerosos, puede destruir esas células anormales.. 

Astronomía de rayos x

Según Robert Patterson, profesor de astronomía en la Universidad Estatal de Missouri, las fuentes celestes de rayos X incluyen sistemas binarios cercanos que contienen agujeros negros o estrellas de neutrones. En estos sistemas, el remanente estelar más masivo y compacto puede arrancar material de su estrella compañera para formar un disco de gas emisor de rayos X extremadamente caliente a medida que gira en espiral hacia adentro. Además, los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias espirales pueden emitir rayos X a medida que absorben estrellas y nubes de gas que caen dentro de su alcance gravitacional.. 

Los telescopios de rayos X utilizan reflejos de ángulo bajo para enfocar estos fotones de alta energía (luz) que de otro modo pasarían a través de los espejos de los telescopios normales. Debido a que la atmósfera de la Tierra bloquea la mayoría de los rayos X, las observaciones generalmente se realizan utilizando globos de gran altitud o telescopios en órbita.. 

Recursos adicionales

• Para obtener más información, descargue este PDF de SLAC titulado "Historia temprana de los rayos X".
• El Centro de recursos NDE / NDT proporciona información sobre evaluación no destructiva / pruebas no destructivas. 
• La página de la misión de la NASA sobre el espectro electromagnético explica cómo los astrónomos usan los rayos X.

Esta página fue actualizada el 5 de octubre de 2018 por la editora gerente, Jeanna Bryner.