Rayos X

Los rayos X o los rayos X son ondas electromagnéticas con energías cuánticas superiores a unos 100  eV , correspondientes a longitudes de onda inferiores a unos 10  nm . Los rayos X están en el espectro electromagnético en el rango de energía por encima de la luz ultravioleta . De la radiación gamma se diferencia por el tipo de formación: los fotones de radiación gamma , por reacciones nucleares o desintegración radiactiva ocurren durante la radiación de rayos X resultante del cambio en la velocidad de las partículas cargadas.

Los rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Conrad Röntgen el 8 de noviembre de 1895 y lleva su nombre en los países de habla alemana, así como en casi toda Europa Central y Oriental. En otras áreas lingüísticas, a menudo se lo conoce con la expresión rayos X , que originalmente fue utilizada por el propio Röntgen . Los rayos X son radiaciones ionizantes .

DIN EN ISO 7010 W003: Advertencia de sustancias radiactivas o radiaciones ionizantes

Clasificación en el espectro electromagnético

El espectro de los rayos X comienza por debajo de la radiación ultravioleta extrema a una longitud de onda de alrededor de 10 nm (rayos X demasiado blandos) y se extiende hasta menos de 5  pm ( rayos X demasiado duros o de alta energía ). Los rangos de energía de los rayos gamma y X se superponen en un amplio rango. Ambos tipos de radiación son electromagnética de radiación y por lo tanto tienen los mismos efectos con la misma energía.

El espectro de radiación generado en los tubos de rayos X (ver más abajo) es una superposición de un espectro continuo y uno discreto. La posición de la intensidad máxima depende de la tensión de funcionamiento del tubo. La longitud de onda mínima se puede calcular utilizando la ley de Duane-Hunt . Los fotones de los tubos de rayos X tienen una energía de aproximadamente 1 keV a 250 keV, correspondiente a una frecuencia de aproximadamente 0,25 · 10 18  Hz a 60 · 10 18  Hz ( Exa - Hertz ). En el rango de onda corta no existe una definición uniforme de la longitud de onda de corte. Sin embargo, existen límites técnicos para la generación de rayos X de onda más corta.

Generacion

Generación por electrones

Diagrama de Feynman de generación bremsstrahlung (tiempo de izquierda a derecha): un electrón se dispersa cerca de un núcleo atómico, pierde energía y genera un cuanto de rayos X en el proceso. La proximidad de un núcleo es necesaria para recibir impulso.
Creación de la radiación de rayos X característica: se extrajo un electrón de la capa K (por ejemplo, mediante el impacto de un electrón), un electrón de la capa L cae en el agujero de la capa K; la diferencia de energía se emite en forma de rayos X.

Los rayos X se producen mediante dos procesos diferentes:

Ambos efectos se explotan en el tubo de rayos X , en el que los electrones se aceleran primero desde un filamento ( cátodo ), no liberan rayos X porque la aceleración no es lo suficientemente grande, y luego golpean el ánodo , que está diseñado como un bloque de metal , en el que se frenan con fuerza. Esto crea rayos X como bremsstrahlung con un total de alrededor del 1% de la energía radiada y el calor de alrededor del 99%, que se disipa mediante dispositivos de refrigeración en el ánodo. Además, los impactos de electrones eliminan a los electrones de las capas de los átomos metálicos. Los huecos de las cáscaras se llenan con otros electrones, creando rayos X característicos.

En la actualidad , los ánodos están hechos principalmente de cerámica , y los lugares donde chocan los electrones están hechos de metales como el molibdeno , el cobre o el tungsteno .

Otra fuente de rayos X son los aceleradores de partículas cíclicos , especialmente para acelerar los electrones. Cuando el haz de partículas se desvía en un campo magnético fuerte y, por lo tanto, se acelera transversalmente a su dirección de propagación , se crea la radiación de sincrotrón , un tipo de bremsstrahlung . La radiación de sincrotrón de un imán de desviación contiene un amplio espectro electromagnético hasta una energía máxima . Con parámetros adecuadamente elegidos (fuerza del campo magnético y energía de las partículas), también se representan los rayos X. Además, los sistemas de sincrotrón también pueden generar radiación de rayos X monoenergéticos con la ayuda de onduladores , que consisten en disposiciones periódicas de imanes potentes.

La bremsstrahlung de rayos X es inherente al principio y en su mayoría no es deseable en varios dispositivos técnicos como microscopios electrónicos , dispositivos de soldadura por haz de electrones y en el rango de los niveles de potencia de los grandes sistemas de radar , donde se utilizan tubos de electrones como el magnetrón o amplitrón. para generar altos niveles de radiación no ionizante y también emitir rayos X durante el funcionamiento. Otras fuentes técnicas de importancia histórica fueron los primeros receptores de televisión en color de la década de 1960 con tubos de rayos catódicos , ya que los tubos de imágenes en color requieren voltajes anódicos más altos que los tubos monocromáticos de rayos catódicos.

Generación por protones u otros iones positivos.

Los rayos X característicos también se producen cuando los iones positivos rápidos se desaceleran en la materia. Se utiliza para el análisis químico en el caso de emisión de rayos X inducida por partículas o emisión de rayos X inducida por protones ( PIXE ). A altas energías, la sección transversal para la generación es proporcional a Z 1 2 Z 2 −4 , donde Z 1 es el número atómico del ion (como un proyectil ), Z 2 el del átomo objetivo. La misma publicación también ofrece una descripción general de las secciones transversales para la generación.

Rayos X naturales

Los rayos X generados en otros cuerpos celestes no llegan a la superficie terrestre porque están protegidos por la atmósfera. La astronomía de rayos X examina tales rayos X extraterrestres utilizando satélites de rayos X como Chandra y XMM-Newton .

En la Tierra, los rayos X se producen con baja intensidad en el curso de la absorción de otros tipos de radiación, que se originan a partir de la desintegración radiactiva y la radiación cósmica. Los rayos X también se producen en destellos y ocurren junto con destellos de rayos gamma terrestres . El mecanismo subyacente es la aceleración de electrones en el campo eléctrico de un rayo y la posterior producción de fotones por bremsstrahlung . Esto crea fotones con energías de unos pocos keV a unos pocos MeV. Se están investigando los detalles de los procesos en los que se generan rayos X en tales campos eléctricos.

Interacción con la materia

El índice de refracción de la materia para los rayos X se desvía solo ligeramente de 1. Como resultado, una sola lente de rayos X solo se enfoca o desenfoca débilmente y se requiere una pila de lentes para un efecto más fuerte. Además, los rayos X apenas se reflejan en una incidencia no rasante. No obstante, se han encontrado formas en la óptica de rayos X para desarrollar componentes ópticos para rayos X.

Los rayos X pueden penetrar la materia. Se debilita en diferentes grados según el tipo de tejido. La atenuación de los rayos X es el factor más importante en las imágenes radiológicas . La intensidad del haz de rayos X lleva a la ley de Lambert-Beer con la distancia en la ruta de material exponencialmente ( ), el coeficiente de absorción depende del material y es aproximadamente proporcional a ( : número ordinal , : longitud de onda ).

La absorción tiene lugar a través de foto absorción , dispersión Compton y, con energías de fotones de alta, la formación de par .

  • En la fotoabsorción, el fotón expulsa un electrón de la capa de electrones de un átomo. Para ello, es necesaria una cierta energía mínima , dependiendo de la capa de electrones . La probabilidad de este proceso en función de la energía de los fotones aumenta abruptamente a un valor alto cuando se alcanza la energía mínima ( borde de absorción ) y luego disminuye continuamente de nuevo a energías de fotones más altas, hasta el siguiente borde de absorción. El "agujero" en la capa de electrones se llena de nuevo con un electrón de una capa superior. Esto crea una radiación de fluorescencia de baja energía .
  • Además de los electrones fuertemente unidos como en la fotoabsorción, un fotón de rayos X también puede ser dispersado por electrones no unidos o débilmente unidos. Este proceso se llama dispersión de Compton . Como resultado de la dispersión, los fotones experimentan un alargamiento de la longitud de onda que depende del ángulo de dispersión en una cantidad fija y, por lo tanto, una pérdida de energía. En relación con la fotoabsorción, la dispersión de Compton solo pasa a primer plano con altas energías de fotones y especialmente con átomos de luz.

La fotoabsorción y la dispersión de Compton son procesos inelásticos en los que el fotón pierde energía y finalmente es absorbido. Además, también es posible la dispersión elástica ( dispersión de Thomson , dispersión de Rayleigh ). El fotón disperso permanece coherente con el incidente y retiene su energía.

  • A energías superiores , también se produce el apareamiento electrón-positrón. Dependiendo del material, es el proceso de absorción dominante de alrededor de 5 MeV.

Efecto biologico

Radiografía de la mano izquierda de un niño de 10 años con seis dedos ( hexadactilia )

Los rayos X son ionizantes . Como resultado, puede causar cambios en el organismo vivo y causar daños, incluido el cáncer . Por lo tanto, se debe tener en cuenta la protección contra la radiación cuando se trata de radiación . El hecho de ignorar este hecho llevó, por ejemplo, al personal militar que trabajó en dispositivos de radar con blindaje inadecuado entre los años 50 y 80 , ya que los dispositivos también emitían rayos X como subproducto (ver: Daños a la salud causados ​​por sistemas de radar militares ). Existe una declaración correspondiente de la Junta Consultiva Médica sobre "Enfermedades Profesionales" del Ministerio Federal de Trabajo y Asuntos Sociales de Alemania.

La estructura sensible para el desarrollo del cáncer es el material genético ( ADN ). Se supone que el daño aumenta linealmente con la dosis, lo que significa que incluso una dosis muy pequeña de radiación conlleva un riesgo distinto de cero de causar cáncer. Este riesgo debe sopesarse con las ventajas del diagnóstico médico o la terapia con rayos X.

prueba

  • Efecto luminiscente . Los rayos X estimulan ciertas sustancias para que emitan luz ("fluorescencia"). Este efecto también se utiliza en imágenes radiológicas. Las películas médicas de rayos X generalmente contienen una lámina fluorescente que emite luz cuando un fotón de rayos X lo golpea y expone la fotoemulsión sensible a la luz circundante.
  • Efecto fotográfico . Los rayos X, como la luz, pueden ennegrecer directamente las películas fotográficas. Sin una película fluorescente, se requiere una intensidad entre 10 y 20 veces mayor. La ventaja radica en la mayor nitidez de la imagen grabada.
  • Los fotones de rayos X individuales se detectan con contadores de centelleo o contadores Geiger .
  • En los diodos semiconductores ( detectores de semiconductores ), los fotones de rayos X generan pares de agujeros de electrones dentro del semiconductor, que están separados en la zona de carga espacial. Esto crea una pequeña corriente, cuya fuerza es proporcional a la energía y la intensidad de los rayos X incidentes. También se fabrican sensores de imagen , por ejemplo, como alternativa a las grabaciones de películas de rayos X médicos.

Visibilidad para el ojo humano

Contrariamente a la creencia popular de lo contrario, el ojo humano puede percibir parcialmente los rayos X. Poco después del descubrimiento de Röntgen en 1895, Brandes informó de un tenue resplandor azul grisáceo que parecía surgir en el ojo mismo cuando estaba en una habitación oscura cerca de un tubo de rayos X. Entonces, Roentgen descubrió que también había observado este efecto. Al principio había pensado que era su imaginación, ya que el efecto solo lo producía el tubo de rayos X más fuerte y por lo tanto solo lo había notado una vez.

El conocimiento de que los rayos X se pueden percibir a simple vista, adaptados a la oscuridad, está en gran parte olvidado hoy. La razón de esto es probable que el experimento ahora se considere innecesariamente peligroso y dañino. El mecanismo exacto de percepción no está claro. La forma normal es posible mediante la excitación de la retina , una excitación directa del nervio óptico o, por ejemplo, también que los rayos X provoquen fosforescencia en el globo ocular , y luego se perciba la luz "normal".

En 1919, Julius Edgar Lilienfeld fue el primero en describir una radiación de color blanco grisáceo visible para el ojo humano en el ánodo de los tubos de rayos X, la " radiación de campo de lirio " que lleva su nombre . Su origen solo podría explicarse en años posteriores como una forma de radiación de transición .

Aplicaciones

Radiografía de cadera derecha, fractura ósea fijada con tiras de chapa perforada y tornillos de cabeza avellanada de metal, sutura quirúrgica sujeta
Espectrógrafo de rayos X utilizado por William Lawrence Bragg para examinar cristales

El cuerpo humano se puede examinar con rayos X, por lo que los huesos en particular, pero también los órganos internos con dispositivos modernos, se vuelven visibles (ver también rayos X ). Esto aprovecha el hecho de que el elemento calcio , que se encuentra en los huesos, con Z = 20, tiene un número atómico significativamente mayor que los elementos que componen principalmente los tejidos blandos, a saber hidrógeno ( Z = 1), carbono ( Z = 6), nitrógeno ( Z = 7) y oxígeno ( Z = 8). Además de los dispositivos convencionales que producen una proyección bidimensional , también se utilizan tomógrafos computarizados , que permiten una reconstrucción espacial del interior del cuerpo.

Los rayos X también se pueden utilizar para combatir el cáncer al dirigirse a las células cancerosas que i. A. Son más sensibles a la radiación que el tejido circundante, y se dañan en el curso de la radioterapia mediante radiación dirigida.

Hasta el desarrollo de los primeros antimicóticos , las enfermedades de la piel por hongos también se trataron con rayos X (ver también el asunto de la tiña ).

En física de materiales , química , bioquímica , cristalografía y otras ciencias, la difracción de rayos X se utiliza para elucidar estructuras en el sentido más amplio, p. Ej. B. para examinar la textura o para el análisis de la estructura cristalina real . Un ejemplo bien conocido es la elucidación de la estructura del ADN . Con la ayuda de la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), se puede examinar la composición elemental de una muestra. Además, XPS ofrece la posibilidad de examinar enlaces químicos.

Además, la composición elemental de una sustancia se puede determinar con rayos X. La sustancia a analizar se irradia con electrones en una microsonda de haz de electrones (o equivalente en un microscopio electrónico ), después de lo cual los átomos se ionizan y emiten rayos X característicos. También se pueden usar rayos X en lugar de electrones. Entonces se habla de análisis de fluorescencia de rayos X (XRF).

Historia de descubrimiento

Wilhelm Conrad Röntgen, descubridor de los rayos que llevan su nombre
Sello especial para el 150 aniversario de Röntgen y el descubrimiento de los rayos X

Wilhelm Conrad Röntgen es considerado el descubridor de los rayos que llevan su nombre en el mundo de habla alemana, aunque es cierto que otros antes que él produjeron radiografías. En los tubos desarrollados por Johann Hittorf y William Crookes , que también utilizaron los rayos X para sus experimentos, se generan rayos X, que fueron detectados en experimentos por Crookes y desde 1892 por Heinrich Hertz y su alumno Philipp Lenard al ennegrecer placas fotográficas, pero aparentemente sin tener claro la importancia del descubrimiento. En 1881, Johann Puluj desarrolló una lámpara luminiscente, más tarde conocida como lámpara Puluj, que era un prototipo de tubo de rayos X. También Nikola Tesla experimentó a partir de 1887 con tubos de rayos catódicos y, por lo tanto, generó rayos X, pero no publicó sus resultados.

La primera observación de rayos X de Wilhelm Conrad Röntgen tuvo lugar en el Instituto de Física de la Universidad Julius Maximilians de Würzburg el viernes por la noche del 8 de noviembre de 1895, cuando -como él mismo lo describió- "no había más espíritus sumisos en la casa". Solo siete semanas después, el 28 de diciembre de 1895, presentó un trabajo para su publicación con el título: Acerca de un nuevo tipo de rayos . Descubrió la radiación cuando observó objetos fluorescentes cerca del tubo durante el funcionamiento del tubo de rayos catódicos, que comenzó a brillar intensamente a pesar de que el tubo estaba cubierto (con cartón negro). El logro de Röntgen es haber reconocido la importancia de los rayos recién descubiertos desde el principio y haber sido el primero en investigarlos científicamente. La radiografía de la mano de su esposa, que ilustró en su primera publicación sobre rayos X, ciertamente contribuyó a la fama de Röntgen. Después de que Röntgen enviara su trabajo Sobre un nuevo tipo de radiación a colegas y amigos el 1 de enero de 1896 , incluido el físico vienés y director del segundo instituto físico-químico de la Universidad de Viena Franz Exner , del cual el físico praguense Lechner en La noticia del 4 de enero se publicó el 5 de enero en el diario vienés Die Presse , dirigido por el padre de Lechner. Un empleado del diario señaló el artículo a la atención del representante vienés del Daily Chronicle, quien inmediatamente lo telegrafió a Londres. Desde Londres, en la noche del 6 de enero, la noticia del descubrimiento de Röntgen (o "Profesor Routgens") se telegrafió a todo el mundo, el 7 de enero el London Standard publicó su informe sobre el "descubrimiento fotográfico" y el 8 de enero se publicó este mensaje de cable. en revistas americanas. Los informes detallados también aparecieron en el Frankfurter Zeitung el 7 y 8 de enero. El 9 de enero, se publicó una nota sobre los hechos en un periódico de Würzburg (de manera imprecisa y sin el consentimiento de Röntgen), que sirvió de base para más informes periodísticos. A mediados de enero, en la prensa sensacionalista y especializada se informó sobre muchos otros experimentos con tubos de rayos catódicos. En marzo de 1897, Röntgen publicó su tercera comunicación. En este momento, se demostró la conexión causal entre los rayos catódicos y los rayos X, así como el origen de los rayos X en las láminas delgadas de metal Hertz-Lenard del tubo Lenard. Röntgen fue honrado con el primer Premio Nobel de Física en 1901 , y el Comité del Premio Nobel destacó la importancia práctica del descubrimiento.

El nombre de rayos X se remonta al anatomista Albert von Kölliker , quien el 23 de enero de 1896 sugirió el nombre "radiación de rayos X". La ocasión fue la primera conferencia pública de Röntgen sobre su descubrimiento, por invitación de la Sociedad Médico-Física de Würzburg fundada por Kölliker y presidida por Karl Bernhard Lehmann . En algunas áreas del lenguaje, se mantuvo el nombre de rayos X (por ejemplo , rayos X en inglés ), que fue introducido por el propio Röntgen .

El 26 de marzo de 1896, la policía, que había solicitado permiso para una conferencia planeada en Viena con "Experimento con rayos X", estaba preocupada por el uso de rayos X. La naturaleza de los rayos X como ondas electromagnéticas se demostró en 1912 de Max von Laue .

Temas relacionados

literatura

enlaces web

Wikcionario: radiación de rayos X  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones
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Evidencia individual

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