Rayos X, historia y aplicaciones

Lidia Martínez Herraiz, vicepresidenta de NUSGREM, nos trae este artículo sobre los rayos X, su historia y sus aplicaciones. 

En matemáticas solemos designar con x al valor de la variable de la que desconocemos su cuantía. Por ello los rayos X acuñaron este nombre, principalmente porque no se habían detectado hasta que Rӧntgen, fue más allá que otros compañeros tales como;  Varley, Pucker,  Hittorf, Hertz, Goldstein… . En 1892 construyó un tubo de rayos catódicos, pero esta vez dirigidos hacia una delgada lámina de aluminio. Hemos dicho que estos rayos eran desconocidos debido a que poseen una longitud de onda del orden de  angstroms  Å (10−2 ≤ λ ≤10) nm y el ser humano solo es capaz de observar fenómenos que tienen lugar en la franja del visible correspondiente a 400-700nm (motivo por el cual no somos capaces de vislumbrar los rayos X directamente). Rӧntgen fue capaz de vislumbrar esta nueva radiación desconocida gracias a que la lámina de aluminio que utilizó estaba recubierta con cartón pintado con platinucianuro de bario, de modo que  al incidir los rayos X sobre está pantalla generaban fluorescencia en un valor de un 1%.  El resto generaba calor.

Rӧntgen ansiaba entender la naturaleza de estos rayos X para así poder desvelar la incógnita que envolvía a la nueva radiación. Por ello, trabajando día y noche, observó la capacidad de los diferentes materiales de ser atravesados por los rayos X. En un intento de búsqueda de nuevas formas de mejorar la fluorescencia en la pantalla, logró uno de sus grandes éxitos, que fue el empleo de una placa fotográfica. De esta forma la luminiscencia quedaba grabada para la posteridad. A causa de esta idea llego de la mano la primera imagen de rayos X de la mano de su esposa Bertha, el 22 de diciembre de 1895, dando paso a la radiología como una de las técnicas de diagnóstico médico. Posteriormente en la primera década del siglo XX se emplearon los rayos X para tratamiento contra el cáncer y enfermedades en la piel. El descubrimiento de los rayos X, así como sus posibles aplicaciones, fueron tan extraordinarios  que le galardonaron en 1901 con el primer premio nobel de física.

Figura 1. Imagen conocida como “mano con anillos”, es la mano izquierda de Bertha, la esposa de Rӧntgen y que fue presentada como la primera radiografía médica de la historia. Imagen extraida de Wikimedia Commons, archivo: First medical X-ray by Wilhelm Röntgen of his wife Anna Bertha Ludwig’s hand – 18951222.gif.

Ahora vamos a ver unas cuantas aplicaciones de esta radiación tan misteriosa que mereció el primer nobel de la física.

Medicina

En medicina se emplean los rayos X con el fin de obtener imágenes anatómicas de diferentes partes del cuerpo, como por ejemplo huesos, articulaciones, tórax y abdomen, de manera que se pueda proporcionar un diagnóstico más claro al paciente. Su uso abarca disciplinas de la medicina muy diversas desde cardiología, neurorradiología, traumatología hasta gastroenterología.

Los equipos operativos que emplean rayos X para la obtención de radiodiagnóstico que podemos ver cotidianamente en los hospitales de hoy en día son:

  • Equipo de rayos X convencional: se emplea para el estudio de huesos, dientes, articulaciones, tórax y abdomen, gracias a Marie Curie y su hija Irene Curie que la inventaron para atender a los enfermos de la Primera Guerra Mundial en 1914. También podemos encontrar esta unidad en formato móvil.
  • TAC (tomografía axial computarizada): proporciona una imagen más completa que la de la radiografía convencional, sobre una sección o corte no transversal de algún objeto anatómico. Tanto la fuente de rayos X (tubo de rayos X) como el detector (situado en el lado opuesto) van obteniendo imágenes midiendo el espectro en 360º, generando una imagen promedio (suma de las imágenes en cada dirección) lo que confiere gran precisión y resolución a la imagen final. Esta está compuesta por una escala de grises, negros y blancos en función de la absorción de los diferentes tejidos. En general, los huesos se ven blancos, los tejidos blandos en gris y el aire en negro.

Figura 2. Muestra el equipo TAC que se encuentra localizado en el Hospital Universitario de Getafe, se puede apreciar la forma circular del aparato que permite un giro de 360º y la escala de color de la imagen en el monitor. Fotografía tomada por Alex Castellano, Periodista. Corresponsal de Europa Press en Getafe, editor de El Periódico de Getafe y El Periódico de Leganés.

  • Mamografía: consiste en la toma de imágenes mediante rayos X blandos, de un seno comprimido desde el costado hasta arriba del seno, con el objetivo de conseguir la mayor resolución posible en la visualización de las estructuras fibroepiteliales internas de la glándula mamaria. (En este caso la fuente de rayos X procede de un tubo de rayos X).
    Figura 3. Imagen de una mamografía de ambos senos. Imagen publicada por R. IBARRA
    @abc_salud el 05/06/2015.

     

  • Angiografía: Permite el estudio de los vasos sanguíneos. El proceso empelado, se basa en la administración por vía intravascular, de un contraste radiopaco. Los rayos X no pueden atravesar el compuesto por lo que revelan en la placa radiográfica la morfología del árbol arterial así como sus distintos accidentes vasculares, émbolos, trombosis, aneurismas, estenosis…

    Figura 4. Imagen del angiógrafo del Hospital puerta de Hierro de Madrid. Imagen extraída del material del curso de radiaciones ionizantes aplicaciones y seguridad (5ª Edición) (2017).

Los estudios de radiodiagnóstico con energías ionizantes (rayos X) expuestos, son metodologías que se emplean para poder observar sin cirugía los distintos elementos que componen nuestro cuerpo, pero también se utilizan conjuntamente para la detención de diversas patologías y tumores. Se pueden erradicar los tumores con la conocida radioterapia externa, la cual estriba en la irradiación con una potente energía ionizante, de valores, desde KeV (energía de rayos X) hasta MeV (energía correspondiente a la radiación gamma, descubierta por Villard). Los de menor energía tienen menor poder penetrante, mientras que a mayor energía mayor capacidad de penetración en los tejidos, para  alcanzar tumores más internos. En estos casos para poder llegar a tan altas energías es necesario emplear un acelerador lineal como fuente de radiación.

Hasta ahora  solo hemos visto las aplicaciones de física biomédica de los rayos X, pero la caracterización por rayos X, es uno de los procedimientos más fructíferos y usuales en la ciencia de materiales.

Cristalografía y caracterización de materiales

El estudio de la difracción de rayos X a través de cristales para una mejor determinación de su estructura cristalina se conoce como cristalografía de rayos X. Los inicios en esta técnica llevaron a Von Laue a recibir el premio nobel en 1914 y un año más tarde fueron galardonados los Bragg (padre e hijo) igualmente con el premio nobel por determinación de la estructura cristalina del NaCl, el ZnS y el diamante. Pero la sucesión de premios nobeles no acaba aquí, debido a que en 1937 George Paget Thomson compartió premio nobel con  Clinton Davisson por su trabajo relativo a la difracción de electrones en cristales y la demostración de sus propiedades ondulatorias.

Las técnicas de difracción de rayos X sirven para determinar la estructura microscópica detallada del material, es decir, el conocimiento de las posiciones que ocupan en el espacio los átomos, iones o moléculas que lo forman. Este ordenamiento, junto con las periodicidades y simetrías que implican, son las que determinan las propiedades físicas y químicas que presentan los materiales. La difracción de rayos X es idónea y adecuada para obtener información sobre la estructura cristalina de los materiales debido a que la longitud de onda de los rayos X  utilizados en los experimentos de difracción es del orden de angstrom (1Å = 10-10 m), que coincide con el orden de magnitud de la distancia característica entre átomos dentro de un sólido.

Figura 5. Muestra de las diferentes longitudes que componen el espectro electromagnético. Imagen extraída de https://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico.

La difracción por rayos X es la técnica de caracterización más usada no solo de la estructura cristalina (es la técnica más económica y que más información proporciona), sino también de otros aspectos como la rugosidad de las intercaras, la homogeneidad y regularidad de las capas nanométricas. Todo ello se puede deducir a partir del análisis de la llamada reflectividad de rayos X. Otros parámetros que se pueden estudiar mediante la reflectividad y difracción son la morfología, el análisis químico,  la estequiometría y la estructura electrónica y de bandas del material sujeto al estudio.

A continuación vamos a ver una serie de técnicas que se emplean en la caracterización de materiales, de la misma manera que realizamos en el caso anterior con la radiofísica médica. Entre estas técnicas encontramos:

  • Difracción de rayos X: mediante la conocida ley de Bragg (ecuación 1),  siendo d, el espaciado entre planos de las redes cristalinas, estando íntimamente relacionado con los ángulos de difracción. Para que exista un máximo de difracción tiene que cumplirse que la diferencia entre las trayectorias de las ondas difractadas sea un número entero de veces la longitud de onda (nλ). A partir de un difractograma de la muestra, se pueden estudiar parámetros cristalográficos como el tamaño de cristal y el parámetro de red.

                                                                                    𝑛𝜆 = 2𝑑𝑠𝑒n𝜃 (1)

Figura 6. Difractograma para un monocristal de GaAs, que muestra los planos cristalográficos de los ángulos que cumplen la condición de Bragg (1).
  • Microscopia electrónica de barrido (SEM) y microscopia electrónica de trasmisión (TEM): ambas emplean electrones, que atendiendo a la dualidad onda-partícula pueden ser considerados como ondas de rayos X. La diferencia entre ambos microscopios es que el SEM obtiene la imagen mediante electrones secundarios y el TEM por electrones trasmitidos.
  • Análisis de energía dispersiva (EDX): esta técnica utiliza la emisión secundaria o fluorescente de radiación X que se genera al excitar una muestra con un haz de electrones muy energéticos, capaces de excitar los átomos de la muestra. El exceso energético resultante de esta transición se disipa en forma de fotones, la llamada radiación X fluorescente o secundaria, volviendo los átomos a su estado fundamental, Al ser las energías de los distintos niveles electrónicos características para cada tipo de átomo, la radiación X emitida (en forma de fotones) será por tanto, característica para cada elemento. La ordenación de los elementos en la tabla periódica según las longitudes de onda característica, le otorgaron el nobel a Manne Siegbah en 1924.
  • Espectroscopia de fotoemisión a ángulo resuelto (ARPES): estudia la fotoemisión de electrones de un sólido usando como fuente de excitación rayos X de tal forma que permite conocer la estructura de bandas de un sólido en el espacio recíproco, conociendo el ángulo de emisión y la energía del electrón emitido.
  • Espectroscopía de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS): Los espectros XPS son obtenidos cuando una muestra es irradiada por rayos X (habitualmente el ánodo puede ser de Al o Mg) al tiempo que se mide la energía cinética y el número de electrones que escapan de la superficie del material analizado. Esta técnica permite determinar la estequiometría, el estado químico y la estructura electrónica del material.
  • Emisión de rayos X inducida por partículas o la emisión de rayos X inducida por protones (PIXE): Cuando un material se expone a un haz de iones se producen interacciones atómicas que emiten radiación electromagnética de longitudes de onda en la zona de rayos X del espectro electromagnético, específica para cada elemento. Estas energías de los rayos X, que se emiten cuando las vacantes creadas se vuelven a llenar, son características únicas de los elementos de los que se originan. El número de rayos X emitidos es proporcional a la masa de ese elemento correspondiente en la muestra. Por todo ello, esta técnica se suele emplear en datación.
  • Durante todo el artículo hemos hablado de fuentes de rayos X pero no hemos entendido su mecanismo de producción. Vamos a ponernos con ello para completar nuestro estudio.

    Mecanismos de producción de rayos X

    Los rayos X se producen cuando una partícula cargada eléctricamente y con suficiente energía cinética es decelerada bruscamente. Las dos formas de provocar esta deceleración son: una por frenado contra un electrodo metálico (este es el método utilizado por el tubo de rayos X) utilizando electrones como partículas de bombardeo, y otra mediante un cambio brusco de dirección de las partículas (método utilizado por una instalación de radiación sincrotrón) acelerando las partículas con campos eléctricos y curvando su trayectoria con campos magnéticos.

    Espero que las líneas del presente artículo os hayan servido para ampliar vuestros conocimientos sobre el descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones. En el mundo de la física hemos visto que han sido bastante relevantes debido a que cuentan con 7 premios nobeles de física, teniendo en cuenta aparte de los expuestos el de 2002 de Giacconi por el descubrimiento de fuentes de rayos X cósmicos y el de 1905 de Lenard por su trabajo con rayos catódicos. Pero el descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones, no solo es preeminente en el ámbito de la física, sino que también dio lugar a otros premios nobeles de química tan importantes como la determinación de la doble hélice característica de las estructura del ADN. Hoy en día se emplea los conocimientos de esta área para combatir y detectar la enfermedad del siglo XXI: “el cáncer”. Con todo ello, podemos ver que la física es aplicable a todo lo que nos rodea y de carácter multidisciplinar.

     

    APENDICE TEMÁTICO

    Tubo de rayos catódicos: Paso de corriente eléctrica a través de un gas enrarecido dentro de varios tubos de vacío.

    Fluorescencia: Propiedad que tienen algunas sustancias de reflejar luz con mayor longitud de onda que la recibida, cuando están expuestas a ciertos rayos del espectro.

    Contraste radiopaco: Es aquel que absorbe los rayos X.

    Parámetro de red: hace referencia a la distancia constante de las celdas unitarias o “dimensión de cada celda” con respecto a su estructura cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente tienen tres parámetros de red, a, b y c. Sin embargo, en el caso especial de redes cúbicas simples, todos los parámetros son iguales a=b=c, con lo cual nos referimos a ellos como a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros a y b son iguales, por lo que únicamente consideraremos a y c.

    Distancia interplanar: es la distancia entre dos planos de átomos paralelos adyacentes con los mismo índices de Miller.

    Electrones secundarios: son los electrones arrancados de las capas más externas de los átomos.

     

    REFERENCIAS

    Panchbhai, A. S. (2015). Wilhelm Conrad Röntgen and the discovery of X-rays: Revisited after centennial. Journal of Indian Academy of Oral Medicine and Radiology27(1), 90.

    https://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=abdominct.

    https://es.wikipedia.org/wiki/Angiograf%C3%ADa#Técnica.

    Hill, R., Healy, B., Holloway, L., Kuncic, Z., Thwaites, D., & Baldock, C. (2014). Advances in kilovoltage x-ray beam dosimetry. Physics in Medicine & Biology59(6), R183.

    http://www.elementalanalysis.com/pixe.html.

    The Nobel Prize in Physics.

     

    COLABORACIONES

    Ricardo Olivas Gonzalez, estudiante del grado en física de la UAM

    Gabriel López Peña, estudiante del Master de Materiales Avanzados en Nanociencia y fotónica de la UAM.

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