Rayos x Fisica Moderna

8/18/2019 Rayos x Fisica Moderna

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La noción de rayos X, en este sentido, se refiere a las ondas de tipoelectromagnético que son emitidas por los electrones internos de un átomo. Por sus características, los rayos X están en condiciones de atravesar diferentescuerpos y de lograr una impresión fotográfica.El término concreto de rayos X se atribuye como creación al físico alemán il!em"onrad #ontgen $%&'( ) %*+-. Este se considera que descubrió cómo ciertosrayos eran capaces, dentro de los tubos de vacío, de atravesar ciertas barrerassólidas y, ante el desconocimiento que sobre los mismos tenía acerca de sunaturalea o la manera en la que se producían, tomó la determinación de llamarlosrayos X.

Los rayos X cuentan con una energía capa de ionizar los átomos de la materia,algo que permite que sean utiliados con diferentes fines. El uso más !abitual seencuentra en el campo de la medicina para obtener imágenes internas delcuerpo humano."uando un !a de electrones de gran energía impacta contra un blanco metálico,la radiación electromagnética de la carga genera los rayos X. E/isten, de todosmodos, diversos métodos para obtener rayos X a partir de diferentes tiposde radiación.0radicionalmente se emplearon películas fotográficas para captar y registrar los rayos X. En la actualidad, sin embargo, la tecnología permite que la imagengenerada por los rayos X pueda visualiarse de manera directa en unacomputadora, generando información digital.

1demás de todo lo e/puesto, merece la pena conocer otros datos de interésacerca de los rayos X, tales como estos234u descubridor, que realió entre sus primeras radiografías la mano de su esposacon el anillo nupcial, recibió por su traba5o el Premio 6obel de 7ísica en el a8o%*9%.3Los rayos X son absolutamente invisibles a los o5os del ser !umano.31ctualmente se emplean no sólo dentro del ámbito de la medicina sino tambiénen otros campos como en el arte. 1sí, por e5emplo, cada ve más se usan parapoder detectar fallos en determinados materiales e incluso para analiar a fondociertas pinturas o esculturas.3Entre los científicos que los desarrollaron, me5oraron e internacionaliaron se

encuentran :a/ von Laue $%&;* ) %*. ?ragg $%&


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atraviesan los te5idos blandos pero no los !uesos, “dibujan” una imagen quepermite apreciar los elementos óseos por las diferentes densidades.

El efecto fotoeléctrico y el efecto Compton

En el primer tercio del siglo XX, empezaron a conocerse algunas particularidadesdel electrón en fenómenos que asentaron las nacientes teorías de la relatividad y la mecánica cuántica Entre ellas destacan las manifestaciones conocidas comoefecto fotoel!ctrico y efecto "ompton, dos formas de interacción entre loselectrones y la radiación electromagn!tica

El efecto fotoeléctrico

En %&&;, el físico alemán >einric! >ert $%&(;3%&*'- descubrió accidentalmente

que la lu ultravioleta modificaba el volta5e al que se producían c!ispas entre loselectrodos metálicos. El alemán P!ilipp Lenard $%&


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la radiación y la materia sólo sería posible en valores m@ltiplos de un cuantoelemental, como el traspaso de un n@mero entero de fotones. Entonces2• 1l incidir la onda sobre la superficie metalica, un electrón en reposo

absorbe un fotón de energía Ef B !n, siendo n la frecuencia de la onda y !la constante de Planck.

•

4i es la energía necesaria para e/traer al electrón de la superficiemetálica, este escaparia de la misma con una energía cinética Ec B !n 3 .Ae esta forma se e/plican satisfactoriamente las propiedades del efectofotoeléctrico2

• La energía cinética má/ima obtenida depende solo de la frecuencia de laradiación incidente, pero no de su intensidad. En cambio, el numero deelectrones emitidos es función de la cantidad de fotones incidentes $esdecir, de la intensidad de la radiación-.

• La emisión de electrones es instantánea, como la transferencia deenergía fotón3electrón.

1demás, Einstein estableció que para que se produca el efecto fotoeléctrico esnecesario superar un valor umbral de frecuencia de la radiación, sea cual sea suintensidad2

El efecto Compton

El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiaciónelectromagnética que incide sobre ciertas superficies sale con una longitud deonda mayor que la de entrada.

Este fenómeno, observado en %*+ por el físico estadounidense 1rt!ur >olly"ompton $%&*+3%*


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El efecto "ompton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por PlancC y Einstein acerca de la energía electromagnética. "onsiderando que lamasa de los cuantos de esta radiación $fotones- es Ef B !n, que también sepuede escribir como Ef ! ", siendo ! h # $p, el momento lineal de cada fotónviene definido por2

:ediante las leyes de conservación del momento lineal y de la energía se obtieneque la diferencia entre las longitudes de onda de entrada y salida del fotón en lainteracción viene dada por2

siendo % el ángulo de desviación de la trayectoria del fotón y lc una constantellamada longitud de onda de Compton del electrón, cuyo valor viene dado por2

DDDDP#FGE 0HE6E6 PE6E0#1"H6 E6 "GE#P4?L16A4III

#adiación electromagnética penetrante, con una longitud de onda menor que lalu visible, producida bombardeando un blanco Jgeneralmente de volframioJcon electrones de alta velocidad.

Los rayos X fueron descubiertos de forma accidental en %&*( por el físico alemán

il!elm "onrad #oentgen mientras estudiaba los rayos catódicos en un tubo dedescarga gaseosa de alto volta5e. 1 pesar de que el tubo estaba dentro de unaca5a de cartón negro, #oentgen vio que una pantalla de platinocianuro de bario,que casualmente estaba cerca, emitía lu fluorescente siempre que funcionaba eltubo.

0ras realiar e/perimentos adicionales, determinó que la fluorescencia se debía auna radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta. #oentgenllamó a los rayos invisibles Krayos X por su naturalea desconocida.Posteriormente, los rayos X fueron también denominados rayos #oentgen en su!onor.

610G#1LEM1 AE L4 #1N4 X.Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desdeunos %9 nm !asta 9,99% nm $% nm o nanómetro equivale a %93* m-. "uanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder depenetración.

Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta delespectro electromagnético, se conocen como rayos X blandosO los de menor


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longitud de onda, que están más pró/imos a la ona de rayos gamma o incluso sesolapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por unamecla de muc!as longitudes de onda diferentes se conocen como rayos XblancosQ, para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una@nica longitud de onda.

0anto la lu visible como los rayos X se producen a raí de las transiciones de loselectrones atómicos de una órbita a otra. La lu visible corresponde a transicionesde electrones e/ternos y los rayos X a transiciones de electrones internos.

En el caso de la radiación de frenado o bremsstra!lung, los rayos X se producenpor el frenado o defle/ión de electrones libres que atraviesan un campo eléctricointenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, seproducen por transiciones de energía en el interior de n@cleos e/citados.

Los rayos X se producen siempre que se bombardea un ob5eto material conelectrones de alta velocidad. Rran parte de la energía de los electrones se pierdeen forma de calorO el resto produce rayos X al provocar cambios en los átomos del

blanco como resultado del impacto.Los rayos X emitidos no pueden tener una energía mayor que la energía cinéticade los electrones que los producen. La radiación emitida no es monocromática,sino que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con un marcadolímite inferior que corresponde a la energía má/ima de los electrones empleadospara el bombardeo.Este espectro continuo se denomina a veces con el términoalemán bremsstra!lung, que significa radiación de frenadoQ, y es independientede la naturalea del blanco.

4i se analian los rayos X emitidos con un espectrómetro de rayos X, seencuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro continuoO estas

líneas, conocidas como rayos X característicos, corresponden a longitudes deonda que dependen e/clusivamente de la estructura de los átomos del blanco.

En otras palabras, un electrón de alta velocidad que c!oca contra el blanco puede!acer dos cosas2 inducir la emisión de rayos X de cualquier energía menor que suenergía cinética o provocar la emisión de rayos X de energías determinadas, quedependen de la naturalea de los átomos del blanco.

P#AG""HS6 AE #1N4 X

El primer tubo de rayos X fue el tubo de "rooCes, llamado así en !onor a suinventor, el químico y físico británico illiam "rooCesO se trata de una ampolla de

vidrio ba5o vacío parcial con dos electrodos. "uando una corriente eléctrica pasapor un tubo de "rooCes, el gas residual que contiene se ionia, y los ionespositivos golpean el cátodo y e/pulsan electrones del mismo. Estos electrones,que forman un !a de rayos catódicos, bombardean las paredes de vidrio del tuboy producen rayos X. Estos tubos sólo generan rayos X blandos, de ba5a energía.

Gn primer perfeccionamiento del tubo de rayos X fue la introducción de un cátodocurvo para concentrar el !a de electrones sobre un blanco de metal pesado,llamado anticátodo o ánodo. Este tipo de tubos genera rayos más duros, con


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menor longitud de onda y mayor energía que los del tubo de "rooCes originalO sinembargo, su funcionamiento es errático porque la producción de rayos X dependede la presión del gas en el tubo.

La siguiente gran me5ora la llevó a cabo en %*% el físico estadounidense illiamAavid "oolidge. El tubo de "oolidge tiene un vacío muy alto y contiene un

filamento calentado y un blanco. Esencialmente, es un tubo de vacío termoiónicoen el que el cátodo emite electrones al ser calentado por una corriente au/iliar, yno al ser golpeado por iones, como ocurría en los anteriores tipos de tubos.

Los electrones emitidos por el cátodo calentado se aceleran mediante la aplicaciónde una alta tensión entre los dos electrodos del tubo. 1l aumentar la tensióndisminuye la longitud de onda mínima de la radiación.

La mayoría de los tubos de rayos X que se emplean en la actualidad son tubos de"oolidge modificados. Los tubos más grandes y potentes tienen anticátodosrefrigerados por agua para impedir que se fundan por el bombardeo de electrones.

El tubo antic!oque, muy utiliado, es una modificación del tubo de "oolidge, conun me5or aislamiento de la carcasa $mediante aceite- y cables de alimentaciónconectados a tierra. Los aparatos como el betatrón se emplean para producir rayos X muy duros, de longitud de onda menor que la de los rayos gammaemitidos por elementos naturalmente radiactivos.

P#PHEA1AE4 AE L4 #1N4 X.

Los rayos X afectan a una emulsión fotográfica del mismo modo que lo !ace la lu.La absorción de rayos X por una sustancia depende de su densidad y masaatómica. "uanto menor sea la masa atómica del material, más transparente será alos rayos X de una longitud de onda determinada.

"uando se irradia el cuerpo !umano con rayos X, los !uesos Jcompuestos deelementos con mayor masa atómica que los te5idos circundantesJ absorben laradiación con más eficacia, por lo que producen sombras más oscuras sobre unaplaca fotográfica.

En la actualidad se utilia radiación de neutrones para algunos tipos deradiografía, y los resultados son casi los inversos. Los ob5etos que producensombras oscuras en una imagen de rayos X aparecen casi siempre claros en unaradiografía de neutrones.

7LG#E4"E6"H1.

Los rayos X también producen fluorescencia en determinados materiales, como elplatinocianuro de bario o el sulfuro de cinc. 4i se sustituye la película fotográficapor uno de estos materiales fluorescentes, puede observarse directamente laestructura interna de ob5etos opacos. Esta técnica se conoce como fluoroscopia.

H6HM1"HS6.

tra característica importante de los rayos X es su poder de ioniación, quedepende de su longitud de onda. La capacidad de ioniación de los rayos X


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monocromáticos es directamente proporcional a su energía. Esta propiedadproporciona un método para medir la energía de los rayos X.

"uando se !acen pasar rayos X por una cámara de ioniación se produce unacorriente eléctrica proporcional a la energía del !a incidente. 1demás de lacámara de ioniación, otros aparatos más sensibles como el contador Reiger o el

contador de centelleo también miden la energía de los rayos X a partir de laioniación que provocan.

Por otra parte, la capacidad ioniante de los rayos X !ace que su trayectoriapueda visualiarse en una cámara de niebla o de burbu5as.

AH7#1""HS6 AE #1N4 X.

Los rayos X pueden difractarse al atravesar un cristal, o ser dispersados por él, yaque el cristal está formado por redes de átomos regulares que act@an como redesde difracción muy finas.

Los diagramas de interferencia resultantes pueden fotografiarse y analiarse para

determinar la longitud de onda de los rayos X incidentes o la distancia entre losátomos del cristal, seg@n cuál de ambos datos se desconoca.

Los rayos X también pueden difractarse mediante redes de difracción rayadas sisu espaciado es apro/imadamente igual a la longitud de onda de los rayos X.

H60E#1""HS6 "6 L1 :10E#H1.

En la interacción entre la materia y los rayos X e/isten tres mecanismos por losque éstos son absorbidosO los tres demuestran la naturalea cuántica de losrayos X.

E7E"0 70ELT"0#H".

"uando un cuanto de radiación o fotón correspondiente a la ona de rayos X delespectro electromagnético c!oca contra un átomo, puede golpear un electrón deuna capa interna y e/pulsarlo del átomo.

4i el fotón tiene más energía que la necesaria para e/pulsar el electrón, letransferirá esta energía adicional en forma de energía cinética. Este fenómeno,denominado efecto fotoeléctrico, tiene lugar principalmente en la absorción derayos X de ba5a energía.

E7E"0 ":P06

El efecto "ompton, descubierto en %*+ por el físico y educador estadounidense 1rt!ur >olly "ompton, es una manifestación importante de la absorción de rayos Xde menor longitud de onda. "uando un fotón de alta energía c!oca con unelectrón, ambas partículas pueden ser desviadas formando un ángulo con latrayectoria de la radiación incidente de rayos X.

El fotón incidente cede parte de su energía al electrón y sale del material con unalongitud de onda más larga. Estas desviaciones acompa8adas por un cambio en lalongitud de onda se conocen como dispersión "ompton.


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P#AG""HS6 AE P1#E4.

En el tercer tipo de absorción, que se observa especialmente cuando se irradianelementos de masa atómica elevada con rayos X de muy alta energía, se produceel fenómeno de producción de pares. "uando un fotón de alta energía penetra enla capa electrónica cercana al n@cleo, puede crear un par de electrones, uno con

carga negativa y otro con carga positivaO los electrones con carga positiva seconocen también como positrones.

La producción de pares es un e5emplo de la conversión de energía en masa. Elfotón necesita una energía de al menos %,+ :eU para proporcionar la masa delpar. 4i el fotón incidente posee más energía de la necesaria para la producción delpar, el e/ceso de energía se cede al par de electrones en forma de energíacinética. Las trayectorias de las dos partículas son divergentes.

1PLH"1"H6E4 AE L4 #1N4 X.

Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la

industria y la medicina.H6UE40HR1"HS6

El estudio de los rayos X !a desempe8ado un papel primordial en la física teórica,sobre todo en el desarrollo de la mecánica cuántica. "omo !erramienta deinvestigación, los rayos X !an permitido confirmar e/perimentalmente las teoríascristalográficas.

Gtiliando métodos de difracción de rayos X es posible identificar las sustanciascristalinas y determinar su estructura. "asi todos los conocimientos actuales eneste campo se !an obtenido o verificado mediante análisis con rayos X.

Los métodos de difracción de rayos X también pueden aplicarse a sustanciaspulveriadas que, sin ser cristalinas, presentan alguna regularidad en su estructuramolecular. :ediante estos métodos es posible identificar sustancias químicas ydeterminar el tama8o de partículas ultramicroscópicas.

Los elementos químicos y sus isótopos pueden identificarse medianteespectroscopia de rayos X, que determina las longitudes de onda de susespectros de líneas característicos. Uarios elementos fueron descubiertosmediante el análisis de espectros de rayos X.

1lgunas aplicaciones recientes de los rayos X en la investigación van adquiriendocada ve más importancia. La microrradiografía, por e5emplo, produce imágenes

de alta resolución que pueden ampliarse considerablemente.Aos radiografías pueden combinarse en un proyector para producir una imagentridimensional llamada estereorradiograma. La radiografía en color también seemplea para me5orar el detalleO en este proceso, las diferencias en la absorción derayos X por una muestra se representan como colores distintos. La microsonda deelectrones, que utilia un !a de electrones muy preciso para generar rayos Xsobre una muestra en una superficie de sólo una micra cuadrada, proporcionatambién una información muy detallada.


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H6AG40#H1.

1demás de las aplicaciones de los rayos X para la investigación en física, química,mineralogía, metalurgia y biología, los rayos X también se emplean en la industriacomo !erramienta de investigación y para realiar numerosos procesos de prueba.

4on muy @tiles para e/aminar ob5etos, por e5emplo pieas metálicas, sindestruirlos. Las imágenes de rayos X en placas fotográficas muestran la e/istenciade fallos, pero la desventa5a de este sistema es que el equipo de rayos X de altapotencia que se necesita es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos seemplean radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en ve deequipos de rayos X.

Estas fuentes de isótopos pueden albergarse en contenedores relativamenteligeros, compactos y blindados. Para la radiografía industrial se suelen utiliar elcobalto


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Estos compuestos pueden tener efectos secundarios graves, por lo que sólodeben ser empleados después de una consulta cuidadosa. Ae !ec!o, el usorutinario de los rayos X se !a desaconse5ado en los @ltimos a8os, ya que suutilidad es cuestionable.

Gn aparato de rayos X de invención reciente, y que se emplea sin compuestos de

contraste, proporciona visiones claras de cualquier parte de la anatomía, incluidoslos te5idos blandos. 4e conoce como escáner $scanner- o aparato de tomografíaa/ial computeriadaO gira %&9V en torno al cuerpo del paciente emitiendo un !a derayos X del grosor de un lápi en %

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