FUNDAMENTOS DE FÍSICA MODERNARAYOS X

Andrés Camilo Suárez Leaño

18/06/2015

RAYOS XCONTENIDO

Definición Historia Imágenes de rayos x Equipos para la producción de rayos x Diferencia entre rayos x Produccion de rayos x a gran escala Estaciones de prueba Busque videos buenos y referencia los URLs. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

DEFINICIÓN La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible para el

ojo humano, capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30000 PHz (de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible).

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).

HISTORIA Históricamente hablando, pasaron muchos años desde el

descubrimiento de los rayos X en 1895, hasta que la aplicación de esta radiación revolucionó los campos de la Física, la Química y la Biología. La potencialidad de su aplicación en estos campos vino indirectamente de la mano de Max von Laue (1879-1960), profesor sucesivamente en las Universidades Munich, Zurich, Frankfurt, Würzburg y Berlín, quien en 1912 pretendiendo demostrar la naturaleza ondulatoria de esta nueva radiación colocó cristales de sulfatos de cobre y de blenda frente a los rayos X, obteniendo la confirmación de su hipótesis y demostrando al mismo tiempo la naturaleza periódica de los cristales. 

Von Laue recibió por ello el Premio Nobel de Física de 1914. El experimento de Laue estuvo muy mediatizado por las ideas previas que le inculcó Paul Peter Ewald (1888-1985).

Pero quienes realmente sacaron provecho del descubrimiento de los alemanes fueron los británicos Bragg (padre e hijo), William H. Bragg (1862-1942) y William L. Bragg (1890-1971), quienes en 1915 recibieron el Premio Nobel de Física al demostrar la utilidad del fenómeno que había descubierto von Laue para obtener la estructura interna de los cristales. Pero todo esto será objeto de apartados posteriores.

IMÁGENES RAYOS X

EQUIPOS PARA LA PRODUCCIÓN DE RAYOS X Los equipos que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía para producir estos

rayos X son relativamente sencillos. Disponen de un generador de alta tensión (unos 50.000 voltios), que se suministra al llamado tubo de rayos X, que es realmente donde se produce la radiación. Resulta muy interesante echar un vistazo a la historia y la colección de tubos (lámparas) de rayos X, que ha puesto a nuestra disposición Grzegorz Jezierski desde Polonia.

Esos 50 kV se suministran como diferencia de potencial (alto voltaje) entre un filamento incandescente (por el que se hace pasar una corriente i de bajo voltaje, unos 5 A a unos 12 V)  y un metal puro (normalmente cobre o molibdeno), estableciéndose entre ambos una corriente de unos 30 mA de electrones libres. Desde el filamento incandescente (cargado negativamente) saltan electrones hacia el ánodo (cargado positivamente) provocando, en los átomos de este último, una reorganización electrónica en sus niveles de energía.

Este es un proceso en el que se genera mucho calor, por lo que los tubos de rayos X deben estar muy refrigerados. Una alternativa a los tubos convencionales son los llamados generadores de ánodo rotatorio, en los cuales el ánodo, en forma de cilindro, se mantiene con un giro continuo, consiguiendo con ello que la incidencia de los electrones se reparta por la superficie del cilindro y así se puedan obtener potencias mayores de rayos X.

DIFERENCIAS ENTRE RAYOS X

Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un electrón del filamento

Estado energético de los electrones  en un átomo del ánodo después del impacto con un electrón del filamento

Electrones que vuelven a su estado inicial, emitiendo esta energía en forma de rayos X   llamados característicos

PRODUCCIÓN DE RAYOS X A GRAN ESCALA

En las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía. Y es en ese momento, en el cambio de dirección, cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un contínuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X duros.

El aspecto de los sincrotrones es muy parecido al representado en los siguientes esquemas:

ESTACION DE PRUEBA

En la siguiente imágen se muestra un esquema de una de las estaciones experimentales, formada por tres partes: a) la cabina óptica, en donde se focalizan y filtran los rayos X mediante espejos y monocromadores, b) la cabina experimiental, en donde se sitúa el equipo de medida con la muestra y se realiza el experimento de difracción, y c) la cabina de control, en donde se supervisa y, en su caso, se evalúa el experimento.

VIDEOS RELACIONADOS https://www.youtube.com/watch?v=L1tq2ztr25c https://www.youtube.com/watch?v=PL1JzLl6Uys https://www.youtube.com/watch?v=12nYLb-qCMs

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.html http://

www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/xrays.html https://www.youtube.com/watch?v=L1tq2ztr25c https://www.youtube.com/watch?v=12nYLb-qCMs