Historia de rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 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).
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William Crookes, que investigó en el S. XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el físico Wilhelm Conrad Röntgen, realizó experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró más lejos la solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se seguía produciendo, así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que tenía en su caja estaban veladas. Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotográfica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula y el cañón de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Cien años después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y exponer su propia mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiográfica del cuerpo humano. Así nace una de las ramas más poderosas y excitantes de la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre. Los llamó "rayos incógnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Roentgen fue objeto de múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.
Bibliografia
B. D. Cullity. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X
lunes, 21 de diciembre de 2009
Radiación ultravioleta
Se denomina radiación ultravioleta o radiación UV a la radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente entre los 400 nm (4x10-7 m) y los 15 nm (1,5x10-8 m). Su nombre proviene de longitudes de ondas más cortas de lo que los humanos identificamos como el color violeta. Esta radiación puede ser producida por los rayos solares y produce varios efectos en la salud.
Descubrimiento
El descubrimiento de la radiación ultravioleta está asociado a la experimentación del oscurecimiento de las sales de plata al ser expuestas a la luz solar. En 1801 el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió que los rayos invisibles situados justo detrás del extremo violeta del espectro visible eran especialmente efectivos oscureciendo el papel impregnado con cloruro de plata. Denominó a estos rayos "rayos desoxidantes" para enfatizar su reactividad química y para distinguirlos de los "rayos calóricos" (descubiertos por William Herschel) que se encontraban al otro lado del espectro visible. Poco después se adoptó el término "rayos químicos". Estos dos términos, "rayos calóricos" y "rayos químicos" permanecieron siendo bastante populares a lo largo del siglo XIX. Finalmente estos términos fueron dando paso a los más modernos de radiación infrarroja y ultravioleta respectivamente.
Subtipos
Según su longitud de onda, se distinguen varios subtipos de rayos ultravioleta:
Nombre Abreviación Longitud de onda (nm) Energía por fotón (eV)
Ultravioleta cercano NUV 400 – 200 3,10 – 6,30
Onda larga UVA 400 – 320 3,10 – 3,87
Onda media UVB 320 – 280 3,87 – 4,43
Onda corta UVC 280 - 200 4,43 – 6,20
Ultravioleta lejano FUV, VUV 200 – 10 6,20 - 124
Ultravioleta extremo EUV, XUV 91,2 – 1 13,6 – 1240
Usos
La luz ultravioleta tiene diversas aplicaciones.
Una de las aplicaciones de los rayos ultravioleta es como forma de esterilización, junto con los rayos infrarrojos (pueden eliminar toda clase de bacterias y virus sin dejar residuos, a diferencia de los productos químicos).
Está en estudio la esterilización UV de la leche como alternativa a la pasteurización.
Lámparas fluorescentes
Luminaria fluorescente Producen radiación UV a través de la ionización de gas de mercurio a baja presión. Un recubrimiento fosforescente en el interior de los tubos absorbe la radiación UV y la convierte en luz visible.
Parte de las longitudes de onda emitidas por el gas de mercurio están en el rango UVC. La exposición sin protección de la piel y ojos a lámparas de mercurio que no tienen un fósforo de conversión es sumamente peligrosa.
La luz obtenida de una lámpara de mercurio se encuentra principalmente en longitudes de onda discretas. Otras fuentes de radiación UV prácticas de espectro más continuo incluyen las lámparas de xenón, las lámparas de deuterio, las lámparas de mercurio-xenón, las lámparas de haluro metálico y la lámpara halógena.
Luz ultravioleta
La luz ultravioleta también es conocida coloquialmente como luz negra. Para generar este tipo de luz se usan unas lámparas fluorescentes especiales. En estas lámparas se usa sólo un tipo de fósforo en lugar de los varios usados en las lámparas fluorescentes normales. También se reemplaza el vidrio claro por uno de color azul-violeta, llamado cristal de Wood.
El vidrio de Wood contiene óxido de níquel, y bloquea casi toda la luz visible que supere los 400 nanómetros. El fósforo normalmente usado para un espectro de emisión de 368nm a 371nm puede ser tanto una mezcla de europio y fluoroborato de estroncio (SrB4O7F:Eu2+), o una mezcla de europio y borato de estroncio (SrB4O7:Eu2+), mientras que el fósforo usado para el rango de 350nm a 353nm es plomo asociado con silicato de bario (BaSi2O5:Pb+).
La radiación ultravioleta, al iluminar ciertos materiales, se hace visible debido al fenómeno denominado fluorescencia. Éste método es usado comúnmente para autenticar antigüedades y billetes, pues es un método de examinación no invasivo y no destructivo. En estructuras metálicas, se suele aplicar líquidos fluorescentes para después iluminarla con una luz negra, y así detectar grietas y otros defectos .
En ciencia forense, la luz negra se usa para detectar rastros de sangre, orina, semen y saliva (entre otros), causando que estos líquidos adquieran fluorescencia. Usando esta misma técnica, algunos reporteros han revelado la falta de higiene en las habitaciones de los hoteles, o manchas en ropa que de otra manera serían más difíciles de detectar.
Control de plagas
Las trampas de moscas ultravioleta se usan para eliminar pequeños insectos voladores. Dichas criaturas son atraídas a la luz UV para luego ser eliminadas por una descarga eléctrica o atrapada después de tocar la trampa.
Espectrofotometría
La espectrometría UV/VIS (de luz ultravioleta y visible) es ampliamente usada en química analítica. Láseres como los excímeros y el de nitrógeno (TEA) radian a longitudes de onda cortas, con suficiente energía como para atomizar las muestras y obtener espectros de emisión atómica.
Efectos en la salud
La mayor parte de la radiación ultravioleta que llega a la Tierra lo hace en las formas UV-C, UV-B y UV-A; principalmente en esta última, a causa de la absorción por parte de la atmósfera terrestre. Estos rangos están relacionados con el daño que producen en el ser humano: la radiación UV-C (la más perjudicial para la vida) no llega a la tierra al ser absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera; la radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y sólo llega a la superficie de la tierra en un porcentaje mínimo, pese a lo que puede producir daños en la piel.
Entre los daños que los rayos ultravioleta pueden provocar se incluyen el cáncer de piel, envejecimiento de ésta, irritación, arrugas, manchas o pérdida de elasticidad. También pueden desencadenar lupus eritematoso sistémico.
La radiación UV es altamente mutagénica,es decir, que induce a mutaciones. En el ADN provoca daño al formar dímeros de pirimidinas (generalmente dímeros de timina) que acortan la distancia normal del enlace, generando una deformación de la cadena.
Índice UV
El índice UV es un indicador de la intensidad de radiación UV proveniente del Sol en la superficie terrestre. El índice UV también señala la capacidad de la radiación UV solar de producir lesiones en la piel. Ya que el índice y su representación variaban dependiendo del lugar, la Organización Mundial de la Salud junto con la Organización Meteorológica Mundial, el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Comisión Internacional de Protección contra la Radiación no Ionizante publican un sistema estándar de medición del índice UV y una forma de presentarlo al público incluyendo un código de colores asociado. El código se puede ver en la siguiente tabla:
Color Riesgo Índice UV
█ Verde Bajo < 2
█ Amarillo Moderado 3-5
█ Naranja Alto 6-7
█ Rojo Muy Alto 8-10
█ Morado Extremadamente alto > 11
Visión ultravioleta
Los humanos al igual que la mayoría de los mamíferos somos incapaces de identificar el color ultravioleta. Ello se debe a la razón de que nuestros primeros ancestros mamíferos del Cretácico eran principalmente nocturnos con el objeto de pasar inadvertidos y huir del gran poder de depredación de los dinosaurios. Ese patrón hizo perder a nuestros antepasados los fotoreceptores ultravioleta y rojo. Antiguamente habían poseído los cuatro fotorreceptores distintos, como es propio de peces, anfibios y reptiles e incluso aves. Con el transcurso de la evolución y la masiva extinción de los dinosaurios, los mamíferos empezaron a colonizar el planeta y lógicamente modificaron sus patrones de conducta. Se volvieron diurnos, y algunos órdenes, como los primates, recuperaron el fotorreceptor rojo, muy importante si un animal debe comer frutos maduros. Otros órdenes, como el orden carnivora, recuperaron el el fotorreceptor ultravioleta, de vital importancia para marcar el territorio pues la orina y las heces son una importante fuente de radiación ultravioleta.
En el caso de peces la comunicación ultravioleta, sobre todo en el caso de osteictios, resulta de vital importancia para huir del depredador que no puede visionarla.
Referencias
• Hockberger, P. E. (2002). «A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms». Photochem. Photobiol. 76. 561-579. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?cmd=Retrieve%5C&db=pubmed%5C&dopt=Abstract%5C&list_uids=12511035.
• Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). «Ayuda: Radiación Ultravioleta (UVI)» (html). Consultado el 27 de septiembre de 2009.
• Organización Mundial de la Salud (2003). «Índice UV solar mundial. Guía práctica.» (pdf). Consultado el 27 de septiembre de 2009.
• http://es.wikipedia.org
Descubrimiento
El descubrimiento de la radiación ultravioleta está asociado a la experimentación del oscurecimiento de las sales de plata al ser expuestas a la luz solar. En 1801 el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió que los rayos invisibles situados justo detrás del extremo violeta del espectro visible eran especialmente efectivos oscureciendo el papel impregnado con cloruro de plata. Denominó a estos rayos "rayos desoxidantes" para enfatizar su reactividad química y para distinguirlos de los "rayos calóricos" (descubiertos por William Herschel) que se encontraban al otro lado del espectro visible. Poco después se adoptó el término "rayos químicos". Estos dos términos, "rayos calóricos" y "rayos químicos" permanecieron siendo bastante populares a lo largo del siglo XIX. Finalmente estos términos fueron dando paso a los más modernos de radiación infrarroja y ultravioleta respectivamente.
Subtipos
Según su longitud de onda, se distinguen varios subtipos de rayos ultravioleta:
Nombre Abreviación Longitud de onda (nm) Energía por fotón (eV)
Ultravioleta cercano NUV 400 – 200 3,10 – 6,30
Onda larga UVA 400 – 320 3,10 – 3,87
Onda media UVB 320 – 280 3,87 – 4,43
Onda corta UVC 280 - 200 4,43 – 6,20
Ultravioleta lejano FUV, VUV 200 – 10 6,20 - 124
Ultravioleta extremo EUV, XUV 91,2 – 1 13,6 – 1240
Usos
La luz ultravioleta tiene diversas aplicaciones.
Una de las aplicaciones de los rayos ultravioleta es como forma de esterilización, junto con los rayos infrarrojos (pueden eliminar toda clase de bacterias y virus sin dejar residuos, a diferencia de los productos químicos).
Está en estudio la esterilización UV de la leche como alternativa a la pasteurización.
Lámparas fluorescentes
Luminaria fluorescente Producen radiación UV a través de la ionización de gas de mercurio a baja presión. Un recubrimiento fosforescente en el interior de los tubos absorbe la radiación UV y la convierte en luz visible.
Parte de las longitudes de onda emitidas por el gas de mercurio están en el rango UVC. La exposición sin protección de la piel y ojos a lámparas de mercurio que no tienen un fósforo de conversión es sumamente peligrosa.
La luz obtenida de una lámpara de mercurio se encuentra principalmente en longitudes de onda discretas. Otras fuentes de radiación UV prácticas de espectro más continuo incluyen las lámparas de xenón, las lámparas de deuterio, las lámparas de mercurio-xenón, las lámparas de haluro metálico y la lámpara halógena.
Luz ultravioleta
La luz ultravioleta también es conocida coloquialmente como luz negra. Para generar este tipo de luz se usan unas lámparas fluorescentes especiales. En estas lámparas se usa sólo un tipo de fósforo en lugar de los varios usados en las lámparas fluorescentes normales. También se reemplaza el vidrio claro por uno de color azul-violeta, llamado cristal de Wood.
El vidrio de Wood contiene óxido de níquel, y bloquea casi toda la luz visible que supere los 400 nanómetros. El fósforo normalmente usado para un espectro de emisión de 368nm a 371nm puede ser tanto una mezcla de europio y fluoroborato de estroncio (SrB4O7F:Eu2+), o una mezcla de europio y borato de estroncio (SrB4O7:Eu2+), mientras que el fósforo usado para el rango de 350nm a 353nm es plomo asociado con silicato de bario (BaSi2O5:Pb+).
La radiación ultravioleta, al iluminar ciertos materiales, se hace visible debido al fenómeno denominado fluorescencia. Éste método es usado comúnmente para autenticar antigüedades y billetes, pues es un método de examinación no invasivo y no destructivo. En estructuras metálicas, se suele aplicar líquidos fluorescentes para después iluminarla con una luz negra, y así detectar grietas y otros defectos .
En ciencia forense, la luz negra se usa para detectar rastros de sangre, orina, semen y saliva (entre otros), causando que estos líquidos adquieran fluorescencia. Usando esta misma técnica, algunos reporteros han revelado la falta de higiene en las habitaciones de los hoteles, o manchas en ropa que de otra manera serían más difíciles de detectar.
Control de plagas
Las trampas de moscas ultravioleta se usan para eliminar pequeños insectos voladores. Dichas criaturas son atraídas a la luz UV para luego ser eliminadas por una descarga eléctrica o atrapada después de tocar la trampa.
Espectrofotometría
La espectrometría UV/VIS (de luz ultravioleta y visible) es ampliamente usada en química analítica. Láseres como los excímeros y el de nitrógeno (TEA) radian a longitudes de onda cortas, con suficiente energía como para atomizar las muestras y obtener espectros de emisión atómica.
Efectos en la salud
La mayor parte de la radiación ultravioleta que llega a la Tierra lo hace en las formas UV-C, UV-B y UV-A; principalmente en esta última, a causa de la absorción por parte de la atmósfera terrestre. Estos rangos están relacionados con el daño que producen en el ser humano: la radiación UV-C (la más perjudicial para la vida) no llega a la tierra al ser absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera; la radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y sólo llega a la superficie de la tierra en un porcentaje mínimo, pese a lo que puede producir daños en la piel.
Entre los daños que los rayos ultravioleta pueden provocar se incluyen el cáncer de piel, envejecimiento de ésta, irritación, arrugas, manchas o pérdida de elasticidad. También pueden desencadenar lupus eritematoso sistémico.
La radiación UV es altamente mutagénica,es decir, que induce a mutaciones. En el ADN provoca daño al formar dímeros de pirimidinas (generalmente dímeros de timina) que acortan la distancia normal del enlace, generando una deformación de la cadena.
Índice UV
El índice UV es un indicador de la intensidad de radiación UV proveniente del Sol en la superficie terrestre. El índice UV también señala la capacidad de la radiación UV solar de producir lesiones en la piel. Ya que el índice y su representación variaban dependiendo del lugar, la Organización Mundial de la Salud junto con la Organización Meteorológica Mundial, el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Comisión Internacional de Protección contra la Radiación no Ionizante publican un sistema estándar de medición del índice UV y una forma de presentarlo al público incluyendo un código de colores asociado. El código se puede ver en la siguiente tabla:
Color Riesgo Índice UV
█ Verde Bajo < 2
█ Amarillo Moderado 3-5
█ Naranja Alto 6-7
█ Rojo Muy Alto 8-10
█ Morado Extremadamente alto > 11
Visión ultravioleta
Los humanos al igual que la mayoría de los mamíferos somos incapaces de identificar el color ultravioleta. Ello se debe a la razón de que nuestros primeros ancestros mamíferos del Cretácico eran principalmente nocturnos con el objeto de pasar inadvertidos y huir del gran poder de depredación de los dinosaurios. Ese patrón hizo perder a nuestros antepasados los fotoreceptores ultravioleta y rojo. Antiguamente habían poseído los cuatro fotorreceptores distintos, como es propio de peces, anfibios y reptiles e incluso aves. Con el transcurso de la evolución y la masiva extinción de los dinosaurios, los mamíferos empezaron a colonizar el planeta y lógicamente modificaron sus patrones de conducta. Se volvieron diurnos, y algunos órdenes, como los primates, recuperaron el fotorreceptor rojo, muy importante si un animal debe comer frutos maduros. Otros órdenes, como el orden carnivora, recuperaron el el fotorreceptor ultravioleta, de vital importancia para marcar el territorio pues la orina y las heces son una importante fuente de radiación ultravioleta.
En el caso de peces la comunicación ultravioleta, sobre todo en el caso de osteictios, resulta de vital importancia para huir del depredador que no puede visionarla.
Referencias
• Hockberger, P. E. (2002). «A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms». Photochem. Photobiol. 76. 561-579. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?cmd=Retrieve%5C&db=pubmed%5C&dopt=Abstract%5C&list_uids=12511035.
• Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). «Ayuda: Radiación Ultravioleta (UVI)» (html). Consultado el 27 de septiembre de 2009.
• Organización Mundial de la Salud (2003). «Índice UV solar mundial. Guía práctica.» (pdf). Consultado el 27 de septiembre de 2009.
• http://es.wikipedia.org
Rayos Gamma
La radiación gamma y/o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un Mev corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 − 11 m o frecuencias superiores a 1019 Hz.
Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural.
En general, los rayos gamma producidos en el espacio no llegan a la superficie de la Tierra, pues son absorbidos en la alta atmósfera. Para observar el universo en estas frecuencias, es necesario utilizar globos de gran altitud u observatorios espaciales. En ambos casos se utiliza el efecto Compton para detectar los rayos gamma. Estos rayos gamma se producen en fenómenos astrofísicos de alta energía como explosiones de supernovas o núcleos de galaxias activas. En astrofísica se denominan GRB (Gamma Ray Bursts) a fuentes de rayos gamma que duran unos segundos o unas pocas horas siendo sucedidos por un brillo decreciente de la fuente en rayos X durante algunos días. Ocurren en posiciones aleatorias del cielo y su origen permanece todavía bajo discusión científica. En todo caso parecen constituir los fenómenos más energéticos del Universo.
La excepción son los rayos gamma de energía por encima de unos miles de MeV (o sea, gigaelectronvoltios o GeV), que, al incidir en la atmósfera, producen miles de partículas (cascada atmosférica extensa) que, como viajan a velocidades más elevadas que la luz en el aire, generan radiación de Cherenkov. Esta radiación es detectada en la superficie de la Tierra mediante un tipo de telescopio llamado telescopio Cherenkov.
Protección
Para protegerse de los rayos gamma se requiere gran cantidad de masa. Los materiales de alto número atómico y alta densidad protegen mejor contra los rayos gamma. A mayor energía de los mismos el espesor de la protección debe ser mayor. Los materiales para protegerse de los rayos gamma son caracterizados con el espesor necesario para reducir la intensidad de los rayos gamma a la mitad (capa de valor medio o HVL por sus siglas en ingles). Por ejemplo, los rayos gamma que requieren 1 cm (0.4 pulgadas) de plomo para reducir su intensidad en un 50% también verán reducida su intensidad a la mitad por 6 cm (2½ pulgadas) de hormigón o 9 cm (3½ pulgadas) de tierra compacta.
Interacción con la materia
Cuando un rayo gamma pasa a través de la materia, la probabilidad de absorción en una capa fina es proporcional a la delgadez de dicha capa, lo que lleva a un decrecimiento exponencial de la intensidad.
Aquí, μ = n×σ es el coeficiente de absorción, medido en cm–1, n el número de átomos por cm3 en el material, σ el espectro de absorción en cm2 y d la delgadez del material en cm.Pasando a través de la materia, la radiación gamma principalmente ioniza de tres formas: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la creación de pares.
• Efecto Fotoeléctrico:
Se describe cuando un fotón gamma interactúa con un electrón atómico y le transfiere su energía, expulsando a dicho electrón del átomo. La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico es el mecanismo de transferencia de energía dominante para rayos x y fotones de rayos gamma con energías por debajo de 50 keV (miles de electronvoltios), pero es menos importante a energías más elevadas.• Efecto Compton: Se refiere a la interacción donde un fotón gamma incidente hace ganar suficiente energía a un electrón atómico como para provocar su expulsión. Con la energía restante del fotón original se emite un nuevo fotón gamma de baja energía con una dirección de emisión diferente a la del fotón gamma incidente. La probabilidad del Efecto Compton decrece según la energía del fotón se incrementa. El Efecto Compton se considera que es el principal mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de energía intermedio entre 100 keV a 10 MeV (Megaelectronvoltio), un rango de energía que incluye la mayor parte de la radiación gamma presente en una explosión nuclear. El efecto Compton es relativamente independiente de número atómico del material absorbente.
• Creación de pares: Debido a la interacción de la fuerza de Coulomb, en la vecindad del núcleo, la energía del fotón incidente se convierte espontáneamente en la masa de un par electrón-positrón. Un positrón es la antipartícula equivalente a un electrón; tiene la misma masa de un electrón, pero tiene una carga positiva de igual fuerza que la carga negativa de un electrón. La energía excedente del equivalente a la masa en reposo de las dos partículas (1,02 MeV) aparece como energía cinética del par y del núcleo. El positrón tiene una vida muy corta (sobre 10–8 segundos). Al final de su periodo, se combina con un electrón libre. Toda la masa de estas dos partículas se convierte entonces en dos fotones gamma de 0,51 MeV de energía cada uno.
Los electrones secundarios (o positrones) producidos en cualquier de estos tres procesos, frecuentemente tienen energía suficiente para producir muchas ionizaciones hasta el final del proceso.
La absorción exponencial descrita arriba se mantiene, estrictamente hablando, solo para un rayo estrecho de rayos gamma. Si un rayo más ancho de rayos gamma pasa a través de un fino bloque de hormigón, la dispersión en los lados reduce la absorción.
A menudo, los rayos gamma se presentan entre otras formas de radiación, como la alfa o la beta. Cuando un núcleo emite una partícula α o β, a veces el Producto de desintegración queda excitado pudiendo saltar a un nivel de energía inferior emitiendo un rayo gamma, de igual manera que un electrón atómico puede saltar a un nivel de energía inferior emitiendo luz visible o radiación ultravioleta.
Las posibles formas de radiación electromagnética son los rayos gamma, los rayos X, la luz visible y los rayos UV (UVA y UVB, siendo éstos últimos más energéticos).
La única diferencia entre ellos es la frecuencia y por lo tanto, la energía de los fotones, siendo los rayos gamma los más energéticos. A continuación se muestra un ejemplo de producción de rayos gamma.Primero 60Co se descompone en 60Ni excitado:
Entonces el 60Ni cae a su estado fundamental emitiendo dos rayos gamma seguidos uno del otro.
Los rayos gamma son de 1,17 MeV y 1,33 MeV respectivamente.Otro ejemplo es la descomposición alfa de 241Am para producir 237Np. Esta descomposición alfa esta acompañada por una emisión gamma. En algunos casos, esta emisión gamma es bastante simple (por ejemplo, 60Co/60Ni), mientras que en otros casos como con (241Am/237Np y 192Ir/192Pt), la emisión gamma es compleja, revelando que una serie de distintos niveles de energía nuclear pueden existir. El hecho de que un el espectro alfa puede tener una serie de diferentes picos con diferentes energías, refuerza la idea de que muchos niveles de energía nuclear son posibles.
Debido a que una descomposición beta esta acompañada de la emisión de un neutrino que a su vez, resta energía, el espectro beta no posee líneas definidas, sino que es un pico ancho. Por lo tanto, de una única descomposición beta no es posible determinar los diferentes niveles energéticos encontrados en el núcleo.
En óptica espectrópica, es bien conocido que una entidad que emite luz, también puede absorber luz de la misma longitud de onda (energía del fotón). Por ejemplo, un llama de sodio puede emitir luz amarilla y además, puede absorber luz amarilla de una lámpara de vapor de sodio. En el caso de los rayos gamma, se puede observar en la espectroscopia Mössbauer, donde se puede obtener una corrección para la energía perdida por el retroceso del núcleo y las condiciones exactas para la absorción de los rayos gamma a través de la resonancia.Esto es similar a efecto Frank Condon visto en óptica espectroscópica.
Utilización
La potencia de los rayos gamma los hace útiles en la esterilización de equipamiento médico. Se suelen utilizar para matar bacterias e insectos en productos alimentarios tales como carne, setas, huevos y vegetales, con el fin de mantener su frescura.
Debido a la capacidad de penetrar en los tejidos, los rayos gamma o los rayos X tienen un amplio espectro de usos médicos, como la realización de tomografías y radioterapias. Sin embargo, como forma de radiación ionizante, tienen la habilidad de provocar cambios moleculares, pudiendo tener efectos cancerígenos si el ADN es afectado.
A pesar de las propiedades cancerígenas, los rayos gamma también se utilizan para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer. En el procedimiento llamado cirugía gamma-knife, múltiples rayos concentrados de rayos gamma son dirigidos hacia células cancerosas. Los rayos son emitidos desde distintos ángulos para focalizar la radiación en el tumor a la vez que se minimiza el daño a los tejidos de alrededor.
Los rayos gamma también se utilizan en la medicina nuclear para realizar diagnósticos. Se utilizan muchos radioisótopos que emiten rayos gamma. Uno de ellos es el tecnecio-99m. Cuando se le administra a un paciente, una cámara gamma puede utilizar la radiación gamma emitida para obtener una imagen de la distribución del radioisótopo. Esta técnica se emplea en la diagnosis de un amplio espectro de enfermedades, por ejemplo, en la detección del cáncer de huesos.
Los detectores de rayos gamma se están empezando a utilizar en Pakistan como parte del Container Security Initiative (CSI). Estas máquinas, que cuestan unos 5 millones de dólares americanos, pueden escanear unos 30 contenedores por hora. El objetivo de esta técnica es el escaneo de los contenedores de mercancía que llegan vía marítima antes de que entren a los puertos de EE.UU.
Bisturí de rayos gamma (Gamma Knife)
El bisturí de rayos gamma y el programa computarizado asociado de planificación de tratamiento les permite a los médicos localizar e irradiar zonas relativamente pequeñas de la cabeza (principalmente dentro del cerebro) con gran precisión. De esta forma se puede administrar dosis intensivas de radiación en la(s) zona(s) a tratar con poco efecto en los tejidos circundantes.
El bisturí de rayos gamma se puede usar para muchos tipos de problemas, por ejemplo, para tratar ciertos tumores malignos que aparecen en el cerebro o llegan a este órgano (tumores cerebrales primarios o metastásicos), tumores cerebrales benignos (meningiomas, adenomas de la pituitaria, neuromas acústicas), defectos de los vasos sanguíneos (malformaciones arteriovenosas) y problemas funcionales (neuralgia del trigémino). Se están estudiando posibles usos futuros para la epilepsia y el mal de Parkinson. El bisturí de rayos gamma por lo general no es útil en zonas que miden más de tres o cuatro centímetros.
Funcionamiento del equipo
El bisturí de rayos gamma utiliza una técnica llamada radiocirugía estereotáctica que emplea múltiples haces de radiación que convergen en tres dimensiones para enfocarse de forma precisa en un volumen pequeño, como un tumor; esto permite administrar dosis intensivas de radiación a ese volumen sin peligro. Los modelos actuales del bisturí de rayos gamma utilizan tecnología avanzada de robótica para mover al paciente en incrementos submilimétricos durante el tratamiento con el fin de focalizar la radiación en forma exitosa en todas las zonas a tratar. Los tratamientos con bisturí de rayos gamma se dan en una sola sesión.
Bajo anestesia local, se acopla a la cabeza del paciente, con cuatro tornillos, un rígido marco de cabeza especial que tiene incorporado un sistema de coordenadas tridimensionales. Luego se obtienen estudios por imágenes tal como examen de resonancia magnética nuclear (RMN), tomografía computada (TC), o angiografía y los resultados se envían al sistema computarizado de planificación del bisturí de rayos gamma.
Juntos, los médicos (radioncólogos y neurocirujanos) y radiofísicos médicos delinean las zonas a tratar y las estructuras anatómicas normales y usan la computadora de planificación para determinar la relación exacta entre éstas y el marco de cabeza, y calculan los parámetros para el tratamiento con bisturí de rayos gamma. Las zonas objetivo a menudo se tratan mejor durante la sesión de tratamiento con una combinación de varias tomas sucesivas, conocidas comúnmente como "disparos." Los médicos y físicos rutinariamente consideran varios ajustes finos de los parámetros de tratamiento hasta determinar el plan y la dosis óptimos.
Con las coordenadas tridimensionales determinadas en el proceso de planificación, el marco luego se acopla de forma muy precisa a la unidad del bisturí de rayos gamma para garantizar que cuando se active la unidad, la zona objetivo quede justo al centro de los aproximadamente 200 haces convergentes de radiación gama dirigidos con precisión (generados por cobalto 60). El tratamiento puede tomar entre varios minutos y algunas horas para finalizarse, según la forma y tamaño del objetivo y la dosis requerida. El paciente no siente la radiación. El marco se quita de la cabeza después de terminar el tratamiento y es posible que el paciente pueda retomar sus actividades normales.
Por quien es operado el equipo
La mayor seguridad para el paciente se logra con el abordaje de un equipo multidisciplinario. El equipo por lo general está compuesto por un radioncólogo, un radiofísico médico y un neurocirujano, quienes han recibido capacitación especializada en el uso del bisturí de rayos gamma; cuentan con el apoyo de personal de enfermería, anestesiólogos (para pacientes que no pueden cooperar, como los niños) y radioterapeutas, que trabajan juntos para darles a los pacientes el cuidado de alta calidad que merecen.
seguridad
Debido a que la exactitud de los haces es fundamental para la localización de la radiación (con una precisión de una fracción de milímetro), todo lo que afecte la precisión es inaceptable. Un acoplamiento rígido del marco de la cabeza, la exactitud geográfica de la zona a tratar de los estudios por imágenes, la forma de volumen del tejido que se va a tratar (selección de la cantidad, tamaño e intensidad relativa de los haces) y la precisión del acoplamiento del marco a la unidad del bisturí de rayos gamma, son todos críticos.
Al igual que con toda radioterapia, la selección y el cálculo correcto de la cantidad de radiación a entregar son esenciales. Un radiofísico médico calificado garantiza que las computadoras que dan las imágenes y la planificación de tratamiento y su software sean correctas y aceptables. El funcionamiento mecánico de la máquina se prueba de forma regular para garantizar la seguridad de los pacientes y del personal médico.
Bibliografia
http://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=gamma_knife
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_gamma
http://www.eluniversal.com.mx/graficos/animados/videos/videoya.html
Radiación
Se llama radiación electromagnética al producto de la variación periódica de los campos magnético y eléctrico.
Un campo es una región del espacio en la que la materia está sometida a algún tipo de fuerza. En el caso de la radiación electromagnética, los campos son producidos por las partículas cargadas en movimiento.
La luz visible es un tipo de radiación electromagnética. A veces se comporta como una onda que se propaga en el espacio, y otras veces se comporta como un conjunto de fotones. A este fenómeno se le denomina dualidad de la radiación.
C=E/B
Los módulos de los vectores de E y de B cumplen la ecuación anterior en una posición y en un tiempo determinados, donde “c” es la velocidad de la onda.
Si la onda se propaga en el vacío, su velocidad = 300.000 km/seg, la velocidad de la luz.
Las ondas electromagnéticas son transversales y se propagan, a través del vacío o no, por medio de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, como se puede ver en la ilustración.
PARAMETROS DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La longitud de onda: l
Es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. Se mide en metros (m) pero también es muy común el uso del Ángstrom (1 Å = 10-10 m)
La frecuencia: u
Es el número de máximos que pasan por un punto en un tiempo determinado. Se mide en hercios (Hz). Un Hz es 1 ciclo / segundo. También se puede representar mediante la letra “f”, y es importante saber que su inverso es el período (T = 1 / f)
La amplitud: A
Es la distancia que hay entre el punto de inflexión de la onda y el máximo.
Debido a que la velocidad de la luz - a la que antes nos hemos referido- es constante, existe una relación directa entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que dada una longitud de onda determinada, si sabemos que la onda se desplaza a velocidad c, para saber el número de veces que pasa un máximo por un punto, sólo hace falta dividir la velocidad de la luz entre la longitud de onda. Por lo tanto:
La energía de una onda electromagnética tiene relación directa con su frecuencia:
h = constante de Planck = 6,63x10-34J.seg.
De esto deducimos que las ondas con una frecuencia alta serán muy energéticas, mientras que aquellas cuyas frecuencias sean bajas (y, por tanto, su longitud de onda grande) transportarán menos energía.
EL ESPECTRO
El espectro electromagnético es el conjunto de la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda.
La luz no es más que radiación electromagnética en un rango de frecuencias a las que el ojo humano es sensible. Es curioso saber que el hecho de que estemos dotados para la visión en el rango visible, nos permite aprovechar el máximo de emisión del Sol que se produce en este rango, pero que muy probablemente, si nuestro Sol tuviese su máximo en el infrarrojo, nuestros ojos estarían dotados para ese tipo de visión.
Sin embargo el espectro electromagnético no tiene frecuencia máxima o mínima. Se extiende indefinidamente, por encima y por debajo de los estrechos límites de sensibilidad de nuestro ojo.
El espectro electromagnético está formado, en orden de menor a mayor longitud de onda, por Rayos Gamma (g), Rayos X, Rayos Ultravioleta (UV), la franja visible, Rayos Infrarrojos (IR), las Microondas, las ondas de radio cortas, las ondas de TV y radio FM, las ondas de radio AM, y las ondas de radio largas.
Estos nombres distinguen distintas frecuencias de un mismo fenómeno: la radiación electromagnética. Todas ellas tienen en común su naturaleza, pero cada una está caracterizada por un intervalo determinado de longitudes de onda y frecuencias, y tiene su propia forma de producción, y unas aplicaciones prácticas específicas.
Evidentemente, cuanto mayor es la longitud de onda de un tipo de radiación electromagnética, menor es su frecuencia.
Los límites entre distintas regiones del espectro son difusos y, en muchas ocasiones, dependen de las técnicas empleadas para detectar o producir la radiación.
EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X
Los rayos X fueron descubiertos accidentalmente por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen, en 1895.
Roentgen, profesor de Física de la Universidad de Wurzburgo, Baviera, estaba realizando experimentos, estudiando los rayos catódicos, con un tubo de Crookes (descarga eléctrica en el vacío) en busca de rayos lumínicos invisibles. Tuvo la idea de operar en un entorno oscuro y de cubrir el tubo con papel negro.
Al pasar por éste la corriente de alta tensión, se produjo un resplandor inmediato en la pantalla fluorescente de platinocianuro de bario que se encontraba sobre la mesa, a cierta distancia del tubo. Al interponer objetos entre éste y la pantalla, se proyectaron sombras sobre esta última. La experimentación posterior con tales radiaciones, le permitió comprobar que afectaban una emulsión fotográfica del mismo modo que la luz visible.
De numerosos experimentos dedujo que esta variación era muy diferente de los rayos catódicos de Croques y determinó que la fluorescencia se debía a una radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta…Sin embargo, al no poder precisar la naturaleza exacta los denominó Rx o incógnito.
Así fueron descubiertos los Rayos X que posteriormente fueron también denominados rayos Roentgen en su honor.
Los Rayos X son, en definitiva, una radiación electromagnética penetrante, cuya longitud de onda es menor que la de la luz visible.
PRODUCCIÓN DE RAYOS X
El primer tubo de rayos X fue el tubo del británico Crookes
Se trata de una ampolla de vidrio bajo vacío parcial con dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un tubo de este tipo, el gas residual contenido se ioniza. Los iones positivos golpean entonces el cátodo y expulsan electrones del mismo. Estos electrones, que forman un haz de rayos catódicos, bombardean las paredes de vidrio del tubo y producen los famosos rayos X, aunque solo sean del tipo “X blandos”, con muy poca energía.
La introducción de un cátodo curvo para concentrar el haz de electrones sobre un blanco de metal pesado (ánodo), fue el primer perfeccionamiento que sufrió éste tubo. Este tipo de tubo genera rayos más duros, con menor longitud de onda y mayor energía que los del tubo original de Crookes; pero su funcionamiento es muy irregular porque la producción de rayos X es dependiente de la presión del gas dentro del recipiente.
En 1913 el estadounidense Coolidge creó su propio tubo, que crea un vacío muy alto, contiene un filamento calentado y un blanco. En esencia. se trata de un tubo de vacío termoiónico en el que el cátodo emite electrones al ser calentado por una corriente auxiliar, y al contrario que en casos anteriores, no es calentado por efecto del golpeo de los iones.
Los electrones emitidos por el cátodo calentado se aceleran mediante la aplicación de una alta tensión entre los dos electrodos del tubo y así, al aumentar la tensión disminuye la longitud de onda mínima de la radiación. Hoy en día, en la producción de Rayos X, se emplean muy mayoritariamente los tubos Coolidge modificados.
EL TUBO DE RAYOS X
Los rayos X son generados por la desaceleración o la detención súbita de los electrones de alta velocidad, y para una producción con un buen rendimiento, es necesario que se cumplan ciertos requisitos.
Debe contar, como ya hemos citado, con una fuente de electrones, el cátodo. Por otra parte, evidentemente debe tener un blanco, el ánodo, conectado de manera que atraiga a los electrones en el momento oportuno, y fabricado de un material idóneo para dicha función. Además, es clave que los electrones no contacten con interferencia alguna en su trayectoria, y que contemos con un buen método de aceleración de electrones que no interfiera tampoco en la producción de los Rayos X.
Todas estas condiciones se cumplen en el moderno tubo de rayos X de cátodo caliente: el cátodo de filamento caliente y el ánodo de tungsteno se hallan dentro de un recipiente de vidrio al vacío, herméticamente cerrado.
La corriente alterna circula hacia el cátodo y desde éste en el circuito del filamento, mientras que una corriente continua va al cátodo, pasa al ánodo y sale de él sin eliminar el vacío. Si el vacío no se mantuviese, ocurrirían irregularidades en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo.
Como el flujo de electrones constituye la corriente de tubo, para que el tubo de rayos X funcione bien es fundamental que el flujo de electrones se mantenga lo mas constante posible durante cada exposición. Si el tubo de rayos X se torna gaseoso, lo que significa una pérdida del vacío completo, se produce fluctuaciones perceptibles del mili amperaje cuando está en funcionamiento.
El tubo de vidrio al vacío está rodeado por un blindaje metálico que contiene plomo y hace la función de barrera primaria para absorber rayos X que no estén orientados hacia la ventana de salida.
Dicho blindaje tiene una ventana de material radio transparente, justamente debajo del ánodo, que posibilita la salida de los rayos X útiles a través de una ventana.
Entre el blindaje metálico y el tubo de vidrio hay un aceite muy refinado que cumple tres misiones: servir de aislador eléctrico, conducir el calor y hacer las veces de filtro (con un valor equivalente a 0.5 mm de Aluminio) contra los rayos X blandos. La presencia del aceite impide que el tubo de rayos X produzca descargas eléctricas.
Durante la generación de rayos X se producen enormes cantidades de calor, que se disipan desde las conexiones del ánodo, (fuera del tubo de vidrio) hacia el blindaje metálico, y finalmente hacia el aire.
Hay huecos para filtros adicionales en el mismo blindaje, donde hoy en día en los tubos modernos se instala un colimador.
EL COLIMADOR
Un colimador es un tubo que hace de obstáculo, oponiéndose a la salida y dejando pasar sólo rayos útiles, es decir aquellos que son paralelos. Encauza los rayos hacia delante, o lo que es lo mismo, los dirige en dirección paralela y hace que no sean divergentes.
Es la pieza metálica (níquel) cuya rendija enfoca los electrones al ánodo.
ÁNODO
El ánodo del tubo de rayos X recibe carga eléctrica positiva durante la emisión de rayos X; es decir, durante el tiempo en que el interruptor de exposición permanece cerrado.
La carga positiva del ánodo atrae a los electrones que se desprenden del cátodo y se cierra así el circuito de alta tensión. El ánodo se suele montar en una barra de cobre, uno de cuyos extremos sale del tubo de vidrio y está conectado con un transformador de alta tensión. El otro extremo mira al cátodo y tiene un botón de tungsteno en su centro.
La faz del ánodo es biselada, o sea que se aleja del cátodo en un ángulo de 15 a 20º.
El ángulo del ánodo controla considerablemente la cantidad de energía del haz total que se emite hacia el extremo positivo y hacia el negativo del tubo.
El bloque de tungsteno mide 2 mm aproximadamente de espesor y sirve de blanco para los electrones.
LA ENERGÍA CINÉTICA DE LOS ELECTRODOS DEL CÁTODO QUE CHOCAN CON EL BOTÓN DE TUNGSTENO SE TRANSFORMA EN DOS TIPOS DE ENERGÍA: CALOR Y RAYOS X.
El calor se disipa con mucha rapidez desde el tungsteno por el ánodo de cobre y el aceite hasta el blindaje del tubo. Hay varios métodos para disipar éste calor generado y propagado.
Uno de ellos ya lo hemos citado; una capa de aceite. Otros métodos son unos radiadores especiales, persianas, o muy comúnmente, un ventilador mecánico junto al blindaje que contribuye a la refrigeración del ánodo. Éste último sistema es el más efectivo y menos complicado de los tres, de ahí su estandarización.
Los ánodos de los tubos de rayos X que se utilizan para diagnóstico pueden ser fijos o rotativos. En muchos tubos de ánodo rotativo el borde de la circunferencia del disco forma un ángulo de 15º con el plano transversal del tubo de rayos X.
El borde se aleja del cátodo de modo que los rayos X útiles se proyectan a través de la ventana de salida. El filamento del cátodo está rodeado por una copa de enfoque de molibdeno, esta copa concentra en una pequeña superficie del blanco anódico a los electrones que parten del filamento. Como el filamento es lineal, los
electrones inciden sobre el blanco siguiendo una línea.
Los electrodos del cátodo inciden sobre el ánodo en una superficie (punto focal electrónico) determinada por la copa de enfoque de molibdeno, por la forma del filamento catódico y por el ángulo del ánodo.
Los modernos tubos de ánodo fijo poseen un ángulo de alrededor de 18º para reducir el tamaño del punto focal óptico. El área focal electrónica es la verdadera zona bombardeada por los electrones procedentes del cátodo. El área focal óptica es la zona de proyección del área focal electrónica; esta proyección se produce en ángulo recto con respecto al haz de electrones catódicos.
Área focal real
Empleando un área focal más pequeña, se obtienen radiografías de mayor definición.
El ánodo giratorio es un nuevo elemento del tubo, que ha permitido el desarrollo de radiografías ultrarrápidas, usando corrientes de alta tensión y tiempos de exposición a los Rayos X muy breves, debido a que los e- solo chocan con una zona reducida del ánodo en un preciso instante.
Es un disco de unos 8 cm de diámetro. Mediante un rotor exterior, se hace que éste ánodo gire sobre su eje a una “v” = 3000 r.p.m. Gracias a dicho giro, cambia continuamente el área focal sobre la que incide el haz de e- catódicos, lo que permite usar + voltaje y + miliamperio / segundo (nº de rayos X / seg) sin riesgo alguno.
CÁTODO
El cátodo posee una carga negativa.
El circuito del filamento del tubo de rayos X suministra el calentamiento necesario al filamento del cátodo. Uno de los extremos de éste se conecta también con el bobinado secundario de un transformador de alta tensión y conduce la corriente secundaria a través del tubo de rayos X.
La disposición especial del colector, su relación con el filamento del cátodo, y la aplicación de un voltaje elevado al tubo de rayos X hace que los e- emitidos a partir del filamento catódico choquen sobre un área muy reducida (foco) de la placa del ánodo.
El delgado filamento, de 0.2 mm de diámetro, opone una resistencia considerable al paso de la corriente de calentamiento, la cual eleva la temperatura de aquel hasta un grado lo bastante alto como para que los e- se volatilicen y rodeen el cátodo. El aumento de intensidad de la corriente del filamento se traduce en un aumento de la E cinética de sus e-, haciendo de esta manera que se desprenda una cantidad proporcionalmente mayor de ellos de los alambres. Esta liberación de electrones a causa de la incandescencia y determinada por la aplicación de calor es la emisión termoiónica.
El nº de e- liberados depende del grado de calentamiento del filamento. El nº de e- que fluyen desde el cátodo al ánodo por segundo constituye la llamada corriente del tubo.
Para que se produzcan rayos X es necesario que los electrones liberados choquen contra el foco del ánodo a GRAN VELOCIDAD, algo que solo ocurre si el ánodo esta cargado positivamente dentro del circuito de alta tensión. Al cerrar el conmutador de exposiciones, la tensión secundaria en el cátodo es mucho mayor que en el ánodo.
La caída de tensión entre uno y otro ACELERA el flujo catódico de e- en dirección al ánodo cargado positivamente con una fuerza en cierto modo proporcional a la tensión de la corriente de alimentación que llega del secundario.
Es por lo tanto el transformador de alta tensión el dispositivo que proporciona una “ddp” entre el cátodo y el ánodo
CARACTERÍSTICAS DE LOS RAYOS X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración.
Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se solapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X `blandos', para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda.
Tanto la luz visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos.
En el caso de la radiación de frenado, los rayos X se producen por el frenado o deflexión de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de núcleos excitados.
Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con electrones de alta velocidad. Gran parte de la energía de los electrones se pierde en forma de calor; 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 cinética de 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 marcado límite inferior que corresponde a la energía máxima de los electrones empleados para el bombardeo.
Este espectro continuo se denomina a veces con el término alemán “bremsstrahlung”, que significa `radiación de frenado', y es independiente de la naturaleza del blanco. Si se analizan los rayos X emitidos con un espectrómetro de rayos X, se encuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro continuo; estas líneas, conocidas como rayos X característicos, corresponden a longitudes de onda que dependen exclusivamente de la estructura de los átomos del blanco.
En otras palabras, un electrón de alta velocidad que choca contra el blanco puede hacer dos cosas: inducir la emisión de rayos X de cualquier energía menor que su energía cinética o provocar la emisión de rayos X de energías determinadas, que dependen de la naturaleza de los átomos del blanco.
Interacción de los rayos X con la materia
Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en parte transmitidos. Esta característica es aprovechada en medicina al realizar radiografías.
La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad. Esta dada por
Ix = Ioe( − μ / ρ)ρx
μ / ρ, es característico del material e independiente del estado físico. \mu el coeficiente lineal de absorción y rho la densidad del material.
Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorción másico μ / ρ es aditivo, de tal manera que
donde w significa la fracción del elemento constituyente.
Riesgos a la salud
La manera como la radiación afecta la salud depende del tamaño de la dosis de radiación. La exposición a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no es perjudicial. En cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante que la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retardo mental y la muerte. La dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral).
Si se aumenta la dosis por encima de la dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante.
Aplicaciones en la medicina
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto, aunque también se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X resulta inútil, como por ejemplo en la observación del cerebro o los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética o los ultrasonidos.Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o en estudios de contraste.
Otras cualidades
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina. La difracción de rayos X es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del material a examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener transmisión.
Bibliografia
Tecnología Radiológica. Rayos X, de Javier González / Ricardo G. Delabat
B. D. Cullity. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
http://www.geocities.com/fisicaquimica99/radiacion11.htm
http://html.rincondelvago.com/rayos-x_8.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X
Un campo es una región del espacio en la que la materia está sometida a algún tipo de fuerza. En el caso de la radiación electromagnética, los campos son producidos por las partículas cargadas en movimiento.
La luz visible es un tipo de radiación electromagnética. A veces se comporta como una onda que se propaga en el espacio, y otras veces se comporta como un conjunto de fotones. A este fenómeno se le denomina dualidad de la radiación.
C=E/B
Los módulos de los vectores de E y de B cumplen la ecuación anterior en una posición y en un tiempo determinados, donde “c” es la velocidad de la onda.
Si la onda se propaga en el vacío, su velocidad = 300.000 km/seg, la velocidad de la luz.
Las ondas electromagnéticas son transversales y se propagan, a través del vacío o no, por medio de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, como se puede ver en la ilustración.
PARAMETROS DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La longitud de onda: l
Es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. Se mide en metros (m) pero también es muy común el uso del Ángstrom (1 Å = 10-10 m)
La frecuencia: u
Es el número de máximos que pasan por un punto en un tiempo determinado. Se mide en hercios (Hz). Un Hz es 1 ciclo / segundo. También se puede representar mediante la letra “f”, y es importante saber que su inverso es el período (T = 1 / f)
La amplitud: A
Es la distancia que hay entre el punto de inflexión de la onda y el máximo.
Debido a que la velocidad de la luz - a la que antes nos hemos referido- es constante, existe una relación directa entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que dada una longitud de onda determinada, si sabemos que la onda se desplaza a velocidad c, para saber el número de veces que pasa un máximo por un punto, sólo hace falta dividir la velocidad de la luz entre la longitud de onda. Por lo tanto:
La energía de una onda electromagnética tiene relación directa con su frecuencia:
h = constante de Planck = 6,63x10-34J.seg.
De esto deducimos que las ondas con una frecuencia alta serán muy energéticas, mientras que aquellas cuyas frecuencias sean bajas (y, por tanto, su longitud de onda grande) transportarán menos energía.
EL ESPECTRO
El espectro electromagnético es el conjunto de la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda.
La luz no es más que radiación electromagnética en un rango de frecuencias a las que el ojo humano es sensible. Es curioso saber que el hecho de que estemos dotados para la visión en el rango visible, nos permite aprovechar el máximo de emisión del Sol que se produce en este rango, pero que muy probablemente, si nuestro Sol tuviese su máximo en el infrarrojo, nuestros ojos estarían dotados para ese tipo de visión.
Sin embargo el espectro electromagnético no tiene frecuencia máxima o mínima. Se extiende indefinidamente, por encima y por debajo de los estrechos límites de sensibilidad de nuestro ojo.
El espectro electromagnético está formado, en orden de menor a mayor longitud de onda, por Rayos Gamma (g), Rayos X, Rayos Ultravioleta (UV), la franja visible, Rayos Infrarrojos (IR), las Microondas, las ondas de radio cortas, las ondas de TV y radio FM, las ondas de radio AM, y las ondas de radio largas.
Estos nombres distinguen distintas frecuencias de un mismo fenómeno: la radiación electromagnética. Todas ellas tienen en común su naturaleza, pero cada una está caracterizada por un intervalo determinado de longitudes de onda y frecuencias, y tiene su propia forma de producción, y unas aplicaciones prácticas específicas.
Evidentemente, cuanto mayor es la longitud de onda de un tipo de radiación electromagnética, menor es su frecuencia.
Los límites entre distintas regiones del espectro son difusos y, en muchas ocasiones, dependen de las técnicas empleadas para detectar o producir la radiación.
EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X
Los rayos X fueron descubiertos accidentalmente por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen, en 1895.
Roentgen, profesor de Física de la Universidad de Wurzburgo, Baviera, estaba realizando experimentos, estudiando los rayos catódicos, con un tubo de Crookes (descarga eléctrica en el vacío) en busca de rayos lumínicos invisibles. Tuvo la idea de operar en un entorno oscuro y de cubrir el tubo con papel negro.
Al pasar por éste la corriente de alta tensión, se produjo un resplandor inmediato en la pantalla fluorescente de platinocianuro de bario que se encontraba sobre la mesa, a cierta distancia del tubo. Al interponer objetos entre éste y la pantalla, se proyectaron sombras sobre esta última. La experimentación posterior con tales radiaciones, le permitió comprobar que afectaban una emulsión fotográfica del mismo modo que la luz visible.
De numerosos experimentos dedujo que esta variación era muy diferente de los rayos catódicos de Croques y determinó que la fluorescencia se debía a una radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta…Sin embargo, al no poder precisar la naturaleza exacta los denominó Rx o incógnito.
Así fueron descubiertos los Rayos X que posteriormente fueron también denominados rayos Roentgen en su honor.
Los Rayos X son, en definitiva, una radiación electromagnética penetrante, cuya longitud de onda es menor que la de la luz visible.
PRODUCCIÓN DE RAYOS X
El primer tubo de rayos X fue el tubo del británico Crookes
Se trata de una ampolla de vidrio bajo vacío parcial con dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un tubo de este tipo, el gas residual contenido se ioniza. Los iones positivos golpean entonces el cátodo y expulsan electrones del mismo. Estos electrones, que forman un haz de rayos catódicos, bombardean las paredes de vidrio del tubo y producen los famosos rayos X, aunque solo sean del tipo “X blandos”, con muy poca energía.
La introducción de un cátodo curvo para concentrar el haz de electrones sobre un blanco de metal pesado (ánodo), fue el primer perfeccionamiento que sufrió éste tubo. Este tipo de tubo genera rayos más duros, con menor longitud de onda y mayor energía que los del tubo original de Crookes; pero su funcionamiento es muy irregular porque la producción de rayos X es dependiente de la presión del gas dentro del recipiente.
En 1913 el estadounidense Coolidge creó su propio tubo, que crea un vacío muy alto, contiene un filamento calentado y un blanco. En esencia. se trata de un tubo de vacío termoiónico en el que el cátodo emite electrones al ser calentado por una corriente auxiliar, y al contrario que en casos anteriores, no es calentado por efecto del golpeo de los iones.
Los electrones emitidos por el cátodo calentado se aceleran mediante la aplicación de una alta tensión entre los dos electrodos del tubo y así, al aumentar la tensión disminuye la longitud de onda mínima de la radiación. Hoy en día, en la producción de Rayos X, se emplean muy mayoritariamente los tubos Coolidge modificados.
EL TUBO DE RAYOS X
Los rayos X son generados por la desaceleración o la detención súbita de los electrones de alta velocidad, y para una producción con un buen rendimiento, es necesario que se cumplan ciertos requisitos.
Debe contar, como ya hemos citado, con una fuente de electrones, el cátodo. Por otra parte, evidentemente debe tener un blanco, el ánodo, conectado de manera que atraiga a los electrones en el momento oportuno, y fabricado de un material idóneo para dicha función. Además, es clave que los electrones no contacten con interferencia alguna en su trayectoria, y que contemos con un buen método de aceleración de electrones que no interfiera tampoco en la producción de los Rayos X.
Todas estas condiciones se cumplen en el moderno tubo de rayos X de cátodo caliente: el cátodo de filamento caliente y el ánodo de tungsteno se hallan dentro de un recipiente de vidrio al vacío, herméticamente cerrado.
La corriente alterna circula hacia el cátodo y desde éste en el circuito del filamento, mientras que una corriente continua va al cátodo, pasa al ánodo y sale de él sin eliminar el vacío. Si el vacío no se mantuviese, ocurrirían irregularidades en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo.
Como el flujo de electrones constituye la corriente de tubo, para que el tubo de rayos X funcione bien es fundamental que el flujo de electrones se mantenga lo mas constante posible durante cada exposición. Si el tubo de rayos X se torna gaseoso, lo que significa una pérdida del vacío completo, se produce fluctuaciones perceptibles del mili amperaje cuando está en funcionamiento.
El tubo de vidrio al vacío está rodeado por un blindaje metálico que contiene plomo y hace la función de barrera primaria para absorber rayos X que no estén orientados hacia la ventana de salida.
Dicho blindaje tiene una ventana de material radio transparente, justamente debajo del ánodo, que posibilita la salida de los rayos X útiles a través de una ventana.
Entre el blindaje metálico y el tubo de vidrio hay un aceite muy refinado que cumple tres misiones: servir de aislador eléctrico, conducir el calor y hacer las veces de filtro (con un valor equivalente a 0.5 mm de Aluminio) contra los rayos X blandos. La presencia del aceite impide que el tubo de rayos X produzca descargas eléctricas.
Durante la generación de rayos X se producen enormes cantidades de calor, que se disipan desde las conexiones del ánodo, (fuera del tubo de vidrio) hacia el blindaje metálico, y finalmente hacia el aire.
Hay huecos para filtros adicionales en el mismo blindaje, donde hoy en día en los tubos modernos se instala un colimador.
EL COLIMADOR
Un colimador es un tubo que hace de obstáculo, oponiéndose a la salida y dejando pasar sólo rayos útiles, es decir aquellos que son paralelos. Encauza los rayos hacia delante, o lo que es lo mismo, los dirige en dirección paralela y hace que no sean divergentes.
Es la pieza metálica (níquel) cuya rendija enfoca los electrones al ánodo.
ÁNODO
El ánodo del tubo de rayos X recibe carga eléctrica positiva durante la emisión de rayos X; es decir, durante el tiempo en que el interruptor de exposición permanece cerrado.
La carga positiva del ánodo atrae a los electrones que se desprenden del cátodo y se cierra así el circuito de alta tensión. El ánodo se suele montar en una barra de cobre, uno de cuyos extremos sale del tubo de vidrio y está conectado con un transformador de alta tensión. El otro extremo mira al cátodo y tiene un botón de tungsteno en su centro.
La faz del ánodo es biselada, o sea que se aleja del cátodo en un ángulo de 15 a 20º.
El ángulo del ánodo controla considerablemente la cantidad de energía del haz total que se emite hacia el extremo positivo y hacia el negativo del tubo.
El bloque de tungsteno mide 2 mm aproximadamente de espesor y sirve de blanco para los electrones.
LA ENERGÍA CINÉTICA DE LOS ELECTRODOS DEL CÁTODO QUE CHOCAN CON EL BOTÓN DE TUNGSTENO SE TRANSFORMA EN DOS TIPOS DE ENERGÍA: CALOR Y RAYOS X.
El calor se disipa con mucha rapidez desde el tungsteno por el ánodo de cobre y el aceite hasta el blindaje del tubo. Hay varios métodos para disipar éste calor generado y propagado.
Uno de ellos ya lo hemos citado; una capa de aceite. Otros métodos son unos radiadores especiales, persianas, o muy comúnmente, un ventilador mecánico junto al blindaje que contribuye a la refrigeración del ánodo. Éste último sistema es el más efectivo y menos complicado de los tres, de ahí su estandarización.
Los ánodos de los tubos de rayos X que se utilizan para diagnóstico pueden ser fijos o rotativos. En muchos tubos de ánodo rotativo el borde de la circunferencia del disco forma un ángulo de 15º con el plano transversal del tubo de rayos X.
El borde se aleja del cátodo de modo que los rayos X útiles se proyectan a través de la ventana de salida. El filamento del cátodo está rodeado por una copa de enfoque de molibdeno, esta copa concentra en una pequeña superficie del blanco anódico a los electrones que parten del filamento. Como el filamento es lineal, los
electrones inciden sobre el blanco siguiendo una línea.
Los electrodos del cátodo inciden sobre el ánodo en una superficie (punto focal electrónico) determinada por la copa de enfoque de molibdeno, por la forma del filamento catódico y por el ángulo del ánodo.
Los modernos tubos de ánodo fijo poseen un ángulo de alrededor de 18º para reducir el tamaño del punto focal óptico. El área focal electrónica es la verdadera zona bombardeada por los electrones procedentes del cátodo. El área focal óptica es la zona de proyección del área focal electrónica; esta proyección se produce en ángulo recto con respecto al haz de electrones catódicos.
Área focal real
Empleando un área focal más pequeña, se obtienen radiografías de mayor definición.
El ánodo giratorio es un nuevo elemento del tubo, que ha permitido el desarrollo de radiografías ultrarrápidas, usando corrientes de alta tensión y tiempos de exposición a los Rayos X muy breves, debido a que los e- solo chocan con una zona reducida del ánodo en un preciso instante.
Es un disco de unos 8 cm de diámetro. Mediante un rotor exterior, se hace que éste ánodo gire sobre su eje a una “v” = 3000 r.p.m. Gracias a dicho giro, cambia continuamente el área focal sobre la que incide el haz de e- catódicos, lo que permite usar + voltaje y + miliamperio / segundo (nº de rayos X / seg) sin riesgo alguno.
CÁTODO
El cátodo posee una carga negativa.
El circuito del filamento del tubo de rayos X suministra el calentamiento necesario al filamento del cátodo. Uno de los extremos de éste se conecta también con el bobinado secundario de un transformador de alta tensión y conduce la corriente secundaria a través del tubo de rayos X.
La disposición especial del colector, su relación con el filamento del cátodo, y la aplicación de un voltaje elevado al tubo de rayos X hace que los e- emitidos a partir del filamento catódico choquen sobre un área muy reducida (foco) de la placa del ánodo.
El delgado filamento, de 0.2 mm de diámetro, opone una resistencia considerable al paso de la corriente de calentamiento, la cual eleva la temperatura de aquel hasta un grado lo bastante alto como para que los e- se volatilicen y rodeen el cátodo. El aumento de intensidad de la corriente del filamento se traduce en un aumento de la E cinética de sus e-, haciendo de esta manera que se desprenda una cantidad proporcionalmente mayor de ellos de los alambres. Esta liberación de electrones a causa de la incandescencia y determinada por la aplicación de calor es la emisión termoiónica.
El nº de e- liberados depende del grado de calentamiento del filamento. El nº de e- que fluyen desde el cátodo al ánodo por segundo constituye la llamada corriente del tubo.
Para que se produzcan rayos X es necesario que los electrones liberados choquen contra el foco del ánodo a GRAN VELOCIDAD, algo que solo ocurre si el ánodo esta cargado positivamente dentro del circuito de alta tensión. Al cerrar el conmutador de exposiciones, la tensión secundaria en el cátodo es mucho mayor que en el ánodo.
La caída de tensión entre uno y otro ACELERA el flujo catódico de e- en dirección al ánodo cargado positivamente con una fuerza en cierto modo proporcional a la tensión de la corriente de alimentación que llega del secundario.
Es por lo tanto el transformador de alta tensión el dispositivo que proporciona una “ddp” entre el cátodo y el ánodo
CARACTERÍSTICAS DE LOS RAYOS X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración.
Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se solapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X `blandos', para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda.
Tanto la luz visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos.
En el caso de la radiación de frenado, los rayos X se producen por el frenado o deflexión de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de núcleos excitados.
Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con electrones de alta velocidad. Gran parte de la energía de los electrones se pierde en forma de calor; 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 cinética de 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 marcado límite inferior que corresponde a la energía máxima de los electrones empleados para el bombardeo.
Este espectro continuo se denomina a veces con el término alemán “bremsstrahlung”, que significa `radiación de frenado', y es independiente de la naturaleza del blanco. Si se analizan los rayos X emitidos con un espectrómetro de rayos X, se encuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro continuo; estas líneas, conocidas como rayos X característicos, corresponden a longitudes de onda que dependen exclusivamente de la estructura de los átomos del blanco.
En otras palabras, un electrón de alta velocidad que choca contra el blanco puede hacer dos cosas: inducir la emisión de rayos X de cualquier energía menor que su energía cinética o provocar la emisión de rayos X de energías determinadas, que dependen de la naturaleza de los átomos del blanco.
Interacción de los rayos X con la materia
Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en parte transmitidos. Esta característica es aprovechada en medicina al realizar radiografías.
La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad. Esta dada por
Ix = Ioe( − μ / ρ)ρx
μ / ρ, es característico del material e independiente del estado físico. \mu el coeficiente lineal de absorción y rho la densidad del material.
Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorción másico μ / ρ es aditivo, de tal manera que
donde w significa la fracción del elemento constituyente.
Riesgos a la salud
La manera como la radiación afecta la salud depende del tamaño de la dosis de radiación. La exposición a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no es perjudicial. En cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante que la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retardo mental y la muerte. La dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral).
Si se aumenta la dosis por encima de la dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante.
Aplicaciones en la medicina
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto, aunque también se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X resulta inútil, como por ejemplo en la observación del cerebro o los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética o los ultrasonidos.Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o en estudios de contraste.
Otras cualidades
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina. La difracción de rayos X es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del material a examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener transmisión.
Bibliografia
Tecnología Radiológica. Rayos X, de Javier González / Ricardo G. Delabat
B. D. Cullity. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
http://www.geocities.com/fisicaquimica99/radiacion11.htm
http://html.rincondelvago.com/rayos-x_8.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X
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