¿Qué son los rayos X? Radiación Roentgen: definición

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es el parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías de las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, a través de la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

NASA - Espectro electromagnético
Fuente: Recorrido por el espectro electromagnético www.nasa.gov

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0.01 a 10 nanómetros (3 × 10 16 Hz a 3 × 10 19 Hz), correspondiente a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y generalmente más largas que las de los rayos gamma. La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .

Dado que los rayos X (especialmente los rayos X duros) están en una sustancia de fotones de alta energía, son materia muy penetrante y, por lo tanto, biológicamente peligrosos. Los rayos X pueden viajar miles de pies en el aire y pueden pasar fácilmente por el cuerpo humano.

Descubrimiento de rayos X – Wilhelm Conrad Röntgen

Descubrimiento de rayos X - Roentgen
Hand mit Ringen (Mano con anillos): impresión de la primera radiografía «médica» de Wilhelm Röntgen, de la mano de su esposa, tomada el 22 de diciembre de 1895 y presentada a Ludwig Zehnder del Physik Institut, Universidad de Friburgo, el 1 de enero de 1896
Fuente : wikipedia.org Licencia: Dominio público

Los rayos X fueron descubiertos el 8 de noviembre de 1895 por el profesor de física alemán Wilhelm Conrad Röntgenen la Universidad de Würtzburg en Alemania. Estaba estudiando descargas eléctricas en tubos de vidrio llenos de varios gases a muy bajas presiones. En estos experimentos, Röntgen había cubierto el tubo con papel negro y había oscurecido la habitación. Luego descubrió que un trozo de papel pintado con un tinte fluorescente, a cierta distancia del tubo, brillaría cuando encendiera el alto voltaje entre los electrodos en el tubo. Se dio cuenta de que había producido una «luz invisible» o rayo previamente desconocida, que emitía el tubo y un rayo capaz de atravesar el papel grueso que cubría el tubo. Röntgen se refirió a la radiación como «X», para indicar que se trataba de un tipo desconocido de radiación.

Al darse cuenta de la importancia de su descubrimiento, Röntgen centró toda su atención en el estudio de esta nueva radiación que tenía la inusual propiedad de pasar a través del papel negro. A través de experimentos adicionales, también descubrió que el nuevo rayo atravesaría la mayoría de las sustancias proyectando sombras de objetos sólidos como bloques de madera, libros e incluso su mano. Descubrió que los rayos X se propagan en líneas rectas desde las cuales no son desviados ni por campos eléctricos ni magnéticos. La primera imagen de rayos X fue una imagen de la mano de su esposa en una placa fotográfica formada debido a los rayos X. Su descubrimiento se extendió rápidamente por todo el mundo y Wilhelm Conrad Röntgen recibió el primer Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

Características de los rayos X

Las características clave de los rayos X se resumen en los siguientes puntos:

  • Los rayos X son fotones de alta energía (aproximadamente 100 – 1 000 veces más energía que los fotones visibles), los mismos fotones que los fotones que forman el rango visible del espectro electromagnético: la luz.
  • Los rayos X generalmente se describen por su energía máxima, que está determinada por el voltaje entre los electrodos. Puede variar desde aproximadamente 20 kV hasta 300 kV. La radiación con bajo voltaje se llama » suave «, y la radiación con alto voltaje se llama » dura «.
  • Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • Los rayos X ionizan la materia mediante ionización indirecta .
  • Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.
    • Efecto fotoeléctrico
    • Dispersión de Compton
    • la dispersión de Rayleigh
  • Los rayos X viajan a la velocidad de la luz y pueden viajar cientos de metros en el aire antes de gastar su energía.
  • Como los rayos X duros son materia muy penetrante, deben estar protegidos por materiales muy densos, como el plomo o el uranio.
  • La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .
  • Para los rayos X generados por el tubo de rayos X, existen dos tipos diferentes de espectros de rayos X:
    • Bremsstrahlung
    • Rayos X característicos
  • Los rayos X característicos acompañan con frecuencia algunos tipos de desintegración nuclear, como la conversión interna y la captura de electrones .

Rayos X – Producción

Tubo de rayos X - producción de rayos XDado que los rayos X son fotones de alta energía , que tienen naturaleza electromagnética , se pueden producir siempre que partículas cargadas (electrones o iones) de suficiente energía golpean un material. Es similar al efecto fotoeléctrico , donde los fotones pueden ser aniquilados cuando golpean la placa de metal, cada uno entregando su energía cinética a un electrón .

Los rayos X pueden ser generados por un tubo de rayos X , un tubo de vacío que utiliza un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente a una alta velocidad. El cátodo debe calentarse para emitir electrones. Los electrones, acelerados por diferencias potenciales de decenas de miles de voltios, apuntan a un objetivo metálico (generalmente hecho de tungsteno u otro metal pesado) en un tubo de vacío. Cuanto mayor sea el voltaje entre los electrodos, mayor energía alcanzarán los electrones. Al alcanzar el objetivo, los electrones acelerados se detienen abruptamente y los rayos Xy se generan calor. La mayor parte de la energía se transforma en calor en el ánodo (que debe enfriarse). Solo el 1% de la energía cinética de los electrones se convierte en rayos X. Los rayos X generalmente se generan perpendiculares a la trayectoria del haz de electrones.

Una fuente especializada de rayos X que se está utilizando ampliamente en la investigación es el acelerador de partículas, que genera radiación conocida como radiación sincrotrón . Cuando las partículas cargadas ultra-relativistas se mueven a través de campos magnéticos, se ven obligadas a moverse a lo largo de un camino curvo. Dado que su dirección de movimiento cambia continuamente, también están acelerando y emiten bremsstrahlung, en este caso se denomina radiación sincrotrón .

Los rayos X también pueden ser producidos por protones rápidos u otros iones positivos. La emisión de rayos X inducida por protones o la emisión de rayos X inducida por partículas se usa ampliamente como procedimiento analítico.

Rayos X blandos y duros

Los rayos X generalmente se describen por su energía máxima, que está determinada por el voltaje entre los electrodos. Los rayos X con altas energías fotónicas (superiores a 5–10 keV) se denominan rayos X duros , mientras que los que tienen una energía más baja (y una longitud de onda más larga) se denominan rayos X blandos . Debido a su capacidad de penetración, los rayos X duros se usan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos visualmente opacos. Las aplicaciones más vistas son en radiografía médica. Dado que las longitudes de onda de los rayos X duros son similares al tamaño de los átomos, también son útiles para determinar las estructuras cristalinas mediante cristalografía de rayos X. Por el contrario, las radiografías suaves se absorben fácilmente en el aire. La longitud de atenuación de los rayos X de 600 eV en el agua es inferior a 1 micrómetro.

Espectro de rayos X: característico y continuo

Espectro de rayos X: característico y continuoPara los rayos X generados por el tubo de rayos X, la parte de energía que se transforma en radiación varía desde cero hasta la energía máxima del electrón cuando golpea el ánodo. La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga de electrones, por lo que un tubo de 100 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 100 keV. Cuando los electrones alcanzan el objetivo, los rayos X son creados por dos procesos atómicos diferentes:

  • Bremsstrahlung . El bremsstrahlung es la radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de un electrón cuando es desviada por fuertes campos electromagnéticos de núcleos de alta Z (número de protones) objetivo. El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es ‘radiación de frenado’ . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía. El bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos) Estas radiografías tienen un espectro continuo. La intensidad de los rayos X aumenta linealmente con frecuencia decreciente, desde cero a la energía de los electrones incidentes, el voltaje en el tubo de rayos X. Cambiar el material del que está hecho el objetivo en el tubo no tiene ningún efecto sobre el espectro de esta radiación continua. Si tuviéramos que cambiar de un objetivo de molibdeno a un objetivo de cobre, por ejemplo, todas las características del espectro de rayos X cambiarían, excepto la longitud de onda de corte.
  • Emisión característica de rayos X. Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa interna de electrones de un átomo de metal. Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía de los electrones del cual proviene el electrón, los electrones externos del átomo caen en cascada para llenar los niveles atómicos más bajos, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . Como resultado, aparecen picos de intensidad bruscos en el espectro a longitudes de onda que son características del material del que está hecho el objetivo anódico. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr.

Interacción de rayos X con materia

Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia. La fuerza de estas interacciones depende de la energía de los rayos X y la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía del fotón de rayos X es mucho mayor que las energías de unión química. La absorción fotoeléctrica domina a bajas energías de rayos X, mientras que la dispersión de Compton domina a energías más altas.

  • Absorción fotoeléctrica
  • Dispersión de Compton
  • la dispersión de Rayleigh

Absorción fotoeléctrica de rayos X

Absorción gamma por un átomo.  Fuente: laradioactivite.com/
Absorción gamma por un átomo.
Fuente: laradioactivite.com/

En el efecto fotoeléctrico, un fotón experimenta una interacción con un electrón que está unido a un átomo. En esta interacción, el fotón incidente desaparece por completo y el átomo expulsa un fotoelectrón energético de una de sus capas unidas . La energía cinética del fotoelectrón expulsado (E e ) es igual a la energía del fotón incidente (hν) menos la energía de unión del fotoelectrón en su capa original (E b ).

e = hν-E b

Por lo tanto, los fotoelectrones solo son emitidos por el efecto fotoeléctrico si el fotón alcanza o excede un umbral de energía , la energía de unión del electrón, la función de trabajo del material. Para rayos X muy altos con energías de más de cientos keV, el fotoelectrón se lleva la mayor parte de la energía fotónica incidente – hν.

A valores pequeños de energía de rayos gamma domina el efecto fotoeléctrico . El mecanismo también se mejora para materiales de alto número atómico Z. No es simple derivar la expresión analítica para la probabilidad de absorción fotoeléctrica de rayos gamma por átomo en todos los rangos de energías de rayos gamma. La probabilidad de absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ (fotoeléctrico) = constante x Z N / E 3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La proporcionalidad a las potencias superiores del número atómico Z es la razón principal para el uso de materiales con alto contenido de Z, como plomo o uranio empobrecido en escudos de rayos gamma.

Corte transversal de efecto fotoeléctrico.Aunque la probabilidad de la absorción fotoeléctrica del fotón disminuye, en general, con el aumento de la energía del fotón, hay discontinuidades agudas en la curva de la sección transversal. Estos se llaman «bordes de absorción»y corresponden a las energías de unión de los electrones de las capas unidas a los átomos. Para los fotones con la energía justo por encima del borde, la energía del fotón es suficiente para experimentar la interacción fotoeléctrica con el electrón de la capa unida, digamos K-shell. La probabilidad de tal interacción es justo por encima de este borde, mucho mayor que la de los fotones de energía ligeramente por debajo de este borde. Para los fotones por debajo de este borde, la interacción con el electrón de la capa K es energéticamente imposible y, por lo tanto, la probabilidad cae abruptamente. Estos bordes se producen también en las energías de unión de los electrones de otras capas (L, M, N … ..).

Dispersión de Compton de rayos X

dispersión de comptonLa fórmula de Compton se publicó en 1923 en Physical Review. Compton explicó que el cambio de rayos X es causado por el impulso de fotones en forma de partículas . La fórmula de dispersión de Compton es la relación matemática entre el cambio en la longitud de onda y el ángulo de dispersión de los rayos X. En el caso de la dispersión de Compton, el fotón de frecuencia  f  colisiona con un electrón en reposo. Tras la colisión, el fotón rebota en el electrón, renunciando a parte de su energía inicial (dada por la fórmula de Planck E = hf), mientras que el electrón gana impulso (masa x velocidad), el  fotón no puede bajar su velocidad. Como resultado de la ley de conservación del momento, el fotón debe reducir su impulso dado por:

Como resultado de la ley de conservación del momento, el fotón debe reducir su impulso dado por esta fórmula.

Dispersión de Compton
En la dispersión de Compton, el fotón de rayos gamma incidente se desvía a través de un ángulo Θ con respecto a su dirección original. Esta desviación da como resultado una disminución de la energía (disminución de la frecuencia del fotón) del fotón y se denomina efecto Compton.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Por lo tanto, la disminución en el momento del fotón debe traducirse en una  disminución en la frecuencia  (aumento en la longitud de onda Δ λ = λ ‘- λ ). El desplazamiento de la longitud de onda aumentó con el ángulo de dispersión de acuerdo con  la fórmula de Compton :

El desplazamiento de la longitud de onda aumentó con el ángulo de dispersión de acuerdo con la fórmula de Compton

donde λ  es la longitud de onda inicial del fotón λ ‘  es la longitud de onda después de la dispersión,  es la constante de Planck = 6.626 x 10 -34  Js, e  es la masa de electrones en reposo (0.511 MeV) c  es la velocidad de la luz Θ  es la dispersión ángulo. El cambio mínimo en la longitud de onda ( λ ′  –  λ ) para el fotón ocurre cuando Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) y es al menos cero. El cambio máximo en la longitud de onda ( λ ′  –  λ) para el fotón ocurre cuando Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). En este caso, el fotón transfiere al electrón la mayor cantidad de impulso posible. El cambio máximo en la longitud de onda se puede derivar de la fórmula de Compton:

El cambio máximo en la longitud de onda puede derivarse de la fórmula de Compton.  Longitud de Compton

La cantidad h / m e c se conoce como la  longitud  de onda de Compton del electrón y es igual a  2,43 × 10 −12 m . 

Dispersión de Rayleigh – Dispersión de Thomson

La dispersión de Rayleigh , también conocida como dispersión de Thomson, es el límite de baja energía de la dispersión de Compton. La energía cinética de las partículas y la frecuencia de los fotones no cambian como resultado de la dispersión. La dispersión de Rayleigh ocurre como resultado de una interacción entre un fotón entrante y un electrón, cuya energía de unión es significativamente mayor que la del fotón entrante. Se supone que la radiación incidente establece el electrón en una oscilación resonante forzada de tal manera que el electrón reemite radiación de la misma frecuencia pero en todas las direcciones.. En este caso, el campo eléctrico de la onda incidente (fotón) acelera la partícula cargada, haciendo que, a su vez, emita radiación a la misma frecuencia que la onda incidente y, por lo tanto, la onda se dispersa. La dispersión de Rayleigh es significativa hasta ke 20keV y, al igual que la dispersión de Thomson, es elástica. La sección transversal de dispersión total se convierte en una combinación de las secciones transversales de dispersión ligadas de Rayleigh y Compton. La dispersión de Thomson es un fenómeno importante en la física del plasma y fue explicado por primera vez por el físico JJ Thomson. Esta interacción tiene una gran importancia en el área de la cristalografía de rayos X.

Atenuación de rayos X

Coeficientes de atenuación.
Total de secciones transversales de fotones.
Fuente: Wikimedia Commons

A medida que los fotones de alta energía pasan a través del material, su energía disminuye. Esto se conoce como atenuación . La teoría de la atenuación también es válida para rayos X y rayos gamma . Resulta que los fotones de mayor energía (rayos X duros) viajan a través del tejido más fácilmente que los fotones de baja energía (es decir, los fotones de mayor energía tienen menos probabilidades de interactuar con la materia). Gran parte de este efecto está relacionado con el efecto fotoeléctrico . La probabilidad de absorción fotoeléctrica es aproximadamente proporcional a (Z / E) 3, donde Z es el número atómico del átomo de tejido y E es la energía del fotón. A medida que E aumenta, la probabilidad de interacción disminuye rápidamente. Para energías más altas, la dispersión de Compton se vuelve dominante. La dispersión de Compton es casi constante para diferentes energías, aunque disminuye lentamente a energías más altas.

Ver también: atenuación de rayos X

Blindaje de rayos X

En resumen, la protección efectiva de los rayos X se basa en la mayoría de los casos en el uso de materiales con las siguientes dos propiedades:

  • Alta densidad de material.
  • alto número atómico de material (materiales con alto contenido de Z)

Sin embargo, los materiales de baja densidad y los materiales de baja Z pueden compensarse con un mayor espesor, que es tan significativo como la densidad y el número atómico en aplicaciones de blindaje.

Un cable se usa ampliamente como escudo de rayos X. La principal ventaja del blindaje de plomo es su compacidad debido a su mayor densidad. Un cable se usa ampliamente como un escudo gamma. Por otro lado,  el uranio empobrecido  es mucho más efectivo debido a su mayor Z. El uranio empobrecido se usa para proteger en fuentes portátiles de rayos gamma.

En  las centrales nucleares, la  protección del núcleo de un  reactor  puede ser proporcionada por materiales del recipiente a presión del reactor, internos del reactor ( reflector de neutrones ). También se usa hormigón pesado para proteger tanto los  neutrones  como la radiación gamma.

En general, la protección contra rayos X es más compleja y difícil que la  protección contra radiación alfa  o  beta . Para comprender de manera integral la forma en que un rayo X pierde su energía inicial, cómo puede atenuarse y cómo puede protegerse, debemos tener un conocimiento detallado de sus mecanismos de interacción.

Ver también más teoría:  interacción de rayos X con materia

Ver también calculadora:  actividad de Gamma a la tasa de dosis (con / sin escudo)

Ver también XCOM – DB de sección transversal de fotones:  XCOM: base de datos de secciones cruzadas de fotones

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.