Radiación de rayos x

Radiación de rayos X  : ondas electromagnéticas , cuya energía fotónica se encuentra en la escala de ondas electromagnéticas entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma (de ~ 10 eV a varios MeV), que corresponde a longitudes de onda de ~ 10 3 a ~ 10 −2 Å (desde ~ 10 2 hasta ~10 −3 nm ) [1] .

Posición en la escala de ondas electromagnéticas

Los rangos de energía de los rayos X y los rayos gamma se superponen en un amplio rango de energía. Ambos tipos de radiación son radiación electromagnética y son equivalentes para la misma energía fotónica. La diferencia terminológica radica en el modo de ocurrencia: los rayos X se emiten con la participación de electrones (ya sea ligados a los átomos o libres), mientras que la radiación gamma se emite en los procesos de desexcitación de los núcleos atómicos . Los fotones de radiación de rayos X característicos (es decir, emitidos durante las transiciones en las capas de electrones de los átomos) tienen energías de 10  eV a 250 keV , lo que corresponde a una radiación con una frecuencia de 3⋅10 16 a 3⋅10 19  Hz y una longitud de onda de 0.005-100  nm (definición generalmente reconocida, no hay límite inferior del rango de rayos X en la escala de longitud de onda). La radiación de rayos X blandos se caracteriza por la energía fotónica y la frecuencia de radiación más bajas (y la longitud de onda más larga), mientras que la radiación de rayos X duros tiene la energía fotónica y la frecuencia de radiación más altas (y la longitud de onda más corta). Los rayos X duros se utilizan principalmente con fines industriales. El límite condicional entre los rayos X blandos y duros en la escala de longitud de onda es de aproximadamente 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Fuentes de laboratorio

Tubos de rayos X

Los rayos X surgen de una fuerte aceleración de partículas cargadas ( bremsstrahlung ), o de transiciones de alta energía en las capas de electrones de átomos o moléculas . Ambos efectos se utilizan en tubos de rayos X. Los principales elementos estructurales de tales tubos son un cátodo metálico y un ánodo (anteriormente también llamado anticátodo ). En los tubos de rayos X, los electrones emitidos por el cátodo son acelerados por la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo (no se emiten rayos X porque la aceleración es demasiado baja) y golpean el ánodo, donde se desaceleran abruptamente. En este caso, se genera bremsstrahlung en el rango de rayos X con un espectro continuo y los electrones se eliminan simultáneamente de las capas internas de electrones de los átomos del ánodo. Otros electrones del átomo de sus capas exteriores pasan a lugares vacíos (vacantes) en las capas, lo que conduce a la emisión de radiación de rayos X con un espectro de energía lineal característico del material del ánodo ( radiación característica , cuyas frecuencias están determinadas por Moseley Ley de : donde Z  es el número atómico del elemento del ánodo, A y B  son constantes para un cierto valor del número cuántico principal n de la capa de electrones). En la actualidad, los ánodos están hechos principalmente de cerámica , y la parte donde inciden los electrones está hecha de molibdeno o cobre .

En el proceso de aceleración-desaceleración, solo alrededor del 1 % de la energía cinética de un electrón se convierte en rayos X, el 99 % de la energía se convierte en calor.

Aceleradores de partículas

Los rayos X también se pueden obtener en aceleradores de partículas . La llamada radiación de sincrotrón se produce cuando un haz de partículas en un campo magnético es desviado , como consecuencia de lo cual experimentan una aceleración en una dirección perpendicular a su movimiento. La radiación de sincrotrón tiene un espectro continuo con un límite superior. Con parámetros elegidos apropiadamente (la magnitud del campo magnético y la energía de las partículas), también se pueden obtener rayos X en el espectro de la radiación sincrotrón.

Interacción con la materia

La longitud de onda de los rayos X es comparable al tamaño de los átomos, por lo que no existe ningún material que pueda usarse para fabricar una lente de rayos X. Además, cuando los rayos X inciden perpendicularmente a la superficie, casi no se reflejan. A pesar de esto, en la óptica de rayos X se han encontrado métodos para construir elementos ópticos para rayos X. En particular, resultó que el diamante los refleja bien [3] .

Los rayos X pueden penetrar la materia y diferentes sustancias los absorben de manera diferente. La absorción de rayos X es su propiedad más importante en la fotografía de rayos X. La intensidad de los rayos X disminuye exponencialmente dependiendo del camino recorrido en la capa absorbente ( I = I 0 e -kd , donde d  es el espesor de la capa, el coeficiente k es proporcional a Z ³λ³ , Z  es el número atómico del elemento , λ  es la longitud de onda).

La absorción se produce como resultado de la fotoabsorción ( efecto fotoeléctrico ) y la dispersión de Compton :

• La fotoabsorción se entiende como el proceso de eliminar un electrón de la capa de un átomo por un fotón, lo que requiere que la energía del fotón sea mayor que un cierto valor mínimo. Si consideramos que la probabilidad del acto de absorción depende de la energía del fotón, entonces, cuando se alcanza cierta energía, (la probabilidad) aumenta bruscamente hasta su valor máximo. Para energías más altas, la probabilidad disminuye continuamente. Por esta dependencia, dicen que hay un límite de absorción . El lugar del electrón eliminado durante el acto de absorción es ocupado por otro electrón, mientras que se emite una radiación con una energía fotónica más baja, la llamada. proceso de fluorescencia
• Un fotón de rayos X puede interactuar no solo con electrones enlazados, sino también con electrones libres y débilmente enlazados. Hay una dispersión de fotones en electrones, los llamados. dispersión Compton . Dependiendo del ángulo de dispersión, la longitud de onda de un fotón aumenta en cierta cantidad y, en consecuencia, la energía disminuye. La dispersión de Compton, en comparación con la fotoabsorción, se vuelve predominante a energías de fotones más altas [4] .

Impacto biológico

La radiación de rayos X es ionizante . Afecta los tejidos de los organismos vivos y puede causar enfermedad por radiación, quemaduras por radiación y tumores malignos . Por esta razón, se deben tomar medidas de protección cuando se trabaja con rayos X. Se cree que el daño es directamente proporcional a la dosis de radiación absorbida. La radiación de rayos X es un factor mutagénico .

Inscripción

• Efecto de luminiscencia . Los rayos X pueden hacer que algunas sustancias brillen (fluorescencia). Este efecto se utiliza en diagnósticos médicos durante la fluoroscopia (observación de una imagen en una pantalla fluorescente) y la fotografía de rayos X ( radiografía ). Las películas fotográficas médicas , por regla general, se utilizan en combinación con pantallas intensificadoras, que incluyen fósforos de rayos X, que brillan bajo la acción de los rayos X e iluminan la emulsión fotosensible . El método para obtener una imagen de tamaño natural se llama radiografía. Con la fluorografía, la imagen se obtiene a escala reducida. Una sustancia luminiscente ( centelleador ) se puede conectar ópticamente a un detector de luz electrónico ( tubo fotomultiplicador , fotodiodo , etc.), el dispositivo resultante se denomina detector de centelleo . Te permite registrar fotones individuales y medir su energía, ya que la energía de un destello de centelleo es proporcional a la energía de un fotón absorbido.
• efecto fotográfico . Los rayos X, así como la luz ordinaria, pueden iluminar directamente la emulsión fotográfica. Sin embargo, sin la capa fluorescente, esto requiere de 30 a 100 veces la exposición (es decir, la dosis). La ventaja de este método (conocido como radiografía sin pantalla ) es que la imagen es más nítida.
• En los detectores de semiconductores , los rayos X crean pares electrón-hueco en la unión pn de un diodo conectado en la dirección de bloqueo. En este caso, fluye una pequeña corriente cuya amplitud es proporcional a la energía y la intensidad de la radiación de rayos X incidente. En el modo pulsado, es posible registrar fotones de rayos X individuales y medir su energía.
• Los fotones de rayos X individuales también se pueden registrar utilizando detectores de radiación ionizante llenos de gas ( contador Geiger , cámara proporcional , etc.).

Aplicación

• Con la ayuda de los rayos X, puede "iluminar" el cuerpo humano, como resultado de lo cual puede obtener una imagen de los huesos , y en instrumentos modernos y órganos internos (ver también radiografía y fluoroscopia ). Esto utiliza el hecho de que el elemento calcio ( Z = 20 ) contenido principalmente en los huesos tiene un número atómico mucho mayor que los números atómicos de los elementos que componen los tejidos blandos, a saber, hidrógeno ( Z = 1 ), carbono ( Z = 6 ), nitrógeno ( Z = 7 ), oxígeno ( Z = 8 ). Además de los aparatos convencionales que dan una proyección bidimensional del objeto en estudio, existen tomógrafos computarizados que permiten obtener una imagen tridimensional de los órganos internos.

• La detección de defectos en productos (carriles, soldaduras, etc.) mediante rayos X se denomina detección de defectos por rayos X.

• En ciencia de materiales , cristalografía , química y bioquímica , los rayos X se utilizan para dilucidar la estructura de sustancias a nivel atómico por medio de la dispersión de difracción de rayos X por cristales ( análisis de difracción de rayos X ). Un ejemplo famoso es la determinación de la estructura del ADN .

• Los rayos X se pueden utilizar para determinar la composición química de una sustancia. En una microsonda de haz de electrones (o en un microscopio electrónico ), la sustancia analizada se irradia con electrones, mientras que los átomos se ionizan y emiten una radiación de rayos X característica . Se pueden usar rayos X en lugar de electrones. Este método analítico se llama análisis de fluorescencia de rayos X.

• En los aeropuertos , se utilizan activamente introscopios de televisión de rayos X , que le permiten ver el contenido del equipaje de mano y el equipaje para detectar visualmente objetos que son peligrosos en la pantalla del monitor.

•  La radioterapia es una sección de la radioterapia que cubre la teoría y la práctica del uso terapéutico de los rayos X generados con un voltaje del tubo de rayos X de 20-60 kV y una distancia focal de la piel de 3-7 cm (corta -rango de radioterapia) o a un voltaje de 180-400 kV y una distancia piel-focal de 30-150 cm (radioterapia remota). La terapia de rayos X se lleva a cabo principalmente con tumores localizados superficialmente y con algunas otras enfermedades, incluidas enfermedades de la piel (rayos X ultrasuaves de Bucca).

• La criptografía es la generación de secuencias aleatorias.

Radiografías naturales

En la Tierra, la radiación electromagnética en el rango de los rayos X se forma como resultado de la ionización de los átomos por la radiación que ocurre durante la desintegración radiactiva , como resultado del efecto Compton de la radiación gamma que ocurre durante las reacciones nucleares y también por la radiación cósmica . . La desintegración radiactiva también conduce a la emisión directa de cuantos de rayos X si provoca una reorganización de la capa de electrones del átomo en descomposición (por ejemplo, durante la captura de electrones ). La radiación de rayos X que se produce en otros cuerpos celestes no llega a la superficie terrestre , ya que es absorbida completamente por la atmósfera . Está siendo estudiado por telescopios satelitales de rayos X como Chandra y XMM-Newton .

Además, en 1953, los científicos soviéticos descubrieron que se pueden generar rayos X debido a la triboluminiscencia , que ocurre en el vacío en el punto donde la cinta adhesiva se desprende del sustrato, por ejemplo, del vidrio o cuando se desenrolla un rollo [5 ] [6] [7] . En 2008, científicos estadounidenses realizaron experimentos que demostraron que, en algunos casos, la potencia de radiación es suficiente para dejar una imagen de rayos X en papel fotográfico [5] [8] .

Historial de descubrimientos

Los rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Konrad Roentgen . Estudiando experimentalmente los rayos catódicos , en la noche del 8 de noviembre de 1895, notó que el cartón, que estaba cerca del tubo de rayos catódicos, recubierto con cianuro de platino y bario , comienza a brillar en una habitación oscura. Durante las próximas semanas, estudió todas las propiedades básicas de la radiación recién descubierta, a la que llamó rayos X ( "rayos X" ). El 22 de diciembre de 1895, Roentgen hizo el primer anuncio público de su descubrimiento en el Instituto de Física de la Universidad de Würzburg [9] . El 28 de diciembre de 1895 se publicó en la revista de la Sociedad Físico-Médica de Würzburg [10] un artículo de Roentgen titulado "Sobre un nuevo tipo de rayos" .

Pero incluso 8 años antes de eso, en 1887, Nikola Tesla registró en las entradas de su diario los resultados de un estudio de rayos X y el bremsstrahlung emitido por ellos , pero ni Tesla ni su séquito le dieron una importancia seria a estas observaciones. Además, incluso entonces, Tesla sugirió el peligro de la exposición prolongada a los rayos X en el cuerpo humano. .

Según algunos informes publicados recién en 1896 [11] [12] , y en las fuentes que se refieren a ellos [13] , los rayos con efecto fotoquímico fueron descritos 11 años antes de Roentgen por el director y profesor de física de la Escuela Real de Bakú Egor Semyonovich Kamensky [ 14] (1838-1895), presidente del círculo de amantes de la fotografía de Bakú. El secretario de este círculo , A. M. Michon, supuestamente también realizó experimentos en el campo de la fotografía, similares a los rayos X. Sin embargo, como resultado de considerar el tema de prioridad en una reunión de la Comisión de Historia de las Ciencias Físicas y Matemáticas de la Academia de Ciencias de la URSS el 22 de febrero de 1949, se tomó una decisión, "reconociendo el material disponible sobre el tema del descubrimiento de los rayos X como insuficiente para justificar la prioridad de Kamensky, considero conveniente continuar la búsqueda de datos más sólidos y fiables” [15]

Algunas fuentes [13] nombran al físico ucraniano Ivan Pavlovich Pulyui como el descubridor de los rayos X , quien comenzó a interesarse por las descargas en tubos de vacío 10 años antes de la publicación del descubrimiento por parte de Roentgen. Según estas declaraciones, Pulyui notó rayos que penetran objetos opacos e iluminan placas fotográficas. En 1890, supuestamente recibió e incluso publicó en revistas europeas fotografías del esqueleto de una rana y la mano de un niño, pero no siguió estudiando los rayos y obtuvo una patente [13] . Esta opinión es refutada en la monografía dedicada a Pulyu por R. Gaida y R. Plyatsko [16] , donde se analiza en detalle el origen y desarrollo de esta leyenda, y en otros trabajos sobre la historia de la física [17] . De hecho, Puluy hizo una gran contribución al estudio de la física de los rayos X y a los métodos de su aplicación (por ejemplo, fue el primero en descubrir la aparición de la conductividad eléctrica en los gases irradiados por rayos X), pero después de la descubrimiento de Roentgen [16] .

El tubo de rayos catódicos que utilizó Roentgen en sus experimentos fue desarrollado por J. Hittorf y W. Kruks . Este tubo produce rayos X. Esto se demostró en los experimentos de Heinrich Hertz y su alumno Philip Lenard mediante el ennegrecimiento de placas fotográficas. . Sin embargo, ninguno de ellos se dio cuenta de la importancia de su descubrimiento y no publicó sus resultados.

Por esta razón, Roentgen no conocía los descubrimientos realizados antes que él y descubrió los rayos de forma independiente, mientras observaba la fluorescencia que se produce durante el funcionamiento de un tubo de rayos catódicos. Roentgen estudió los rayos X durante algo más de un año (del 8 de noviembre de 1895 a marzo de 1897) y publicó tres artículos sobre ellos, que contenían una descripción exhaustiva de los nuevos rayos. Posteriormente, cientos de obras de sus seguidores, luego publicadas a lo largo de 12 años, no pudieron agregar ni cambiar nada significativo. Roentgen, que había perdido el interés por las radiografías, les dijo a sus colegas: "Ya escribí todo, no pierdan el tiempo". También contribuyó a la fama de Roentgen la famosa fotografía de la mano de Albert von Kölliker , que publicó en su artículo (ver imagen a la derecha). Por el descubrimiento de los rayos X, Roentgen recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901 , y el Comité Nobel enfatizó la importancia práctica de su descubrimiento. En otros países, se usa el nombre preferido de Roentgen: rayos X , aunque también se usan frases similares al ruso ( inglés rayos Roentgen , etc.). En Rusia, los rayos comenzaron a llamarse "rayos X" por iniciativa de un estudiante de VK Roentgen: Abram Fedorovich Ioffe .  

Véase también

• análisis de fluorescencia de rayos X
• óptica de rayos X
• Escáner de rayos X basado en retrodispersión
• Lista de naves espaciales con detectores de rayos X y gamma a bordo

Literatura de no ficción

• Zhdanov G. S. rayos X - Moscú - Leningrado: Editorial estatal de literatura técnica y teórica, 1949. - 33 p.
• Vlasov P. V. Discursos sobre rayos X. - Moscú: Guardia Joven, 1977. - 222 p.

Notas

1. ↑ 1 2 Blokhin MA Radiación de rayos X // Enciclopedia física  : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Serpentinas. - S. 375-377. - 704 pág. - 40.000 copias.  - ISBN 5-85270-087-8 .
2. ↑ DeslattesRD et al. Base de datos de energías de transición de rayos X: Base de datos de referencia estándar NIST 128 Archivado el 12 de febrero de 2019 en Wayback Machine . Septiembre de 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
3. ↑ Yuri Erín. Se ha confirmado la alta reflectividad del diamante en el rango de los rayos X duros . Elements - Science News (3 de marzo de 2010). Consultado el 11 de mayo de 2010. Archivado desde el original el 27 de agosto de 2011. (indefinido)
4. ↑ Dispersión de rayos X por nanosistemas en capas con interfaces aproximadas . Archivado el 29 de diciembre de 2014 en Wayback Machine . — Nanosistemas, 2012
5. ↑ 1 2 La cinta adhesiva resultó ser una fuente de rayos X. Ciencia y Tecnología . Lenta.ru (23 de octubre de 2008). Consultado el 6 de julio de 2020. Archivado desde el original el 24 de octubre de 2008. (Ruso)
6. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Investigación de la emisión de electrones cuando una película de alto polímero se separa del vidrio en el vacío  // Informes de la Academia de Ciencias de la URSS. - M. , 1953. - T. 88 , N º 5 . - S. 777-780 . (Ruso)
7. ↑ Karasev V.V., Krotova N.A., Deryagin B.V. Investigación de una descarga de gas cuando una película de alto polímero se separa de un revestimiento sólido  // Informes de la Academia de Ciencias de la URSS. - M. , 1953. - T. 89 , No. 1 . - S. 109-112 . (Ruso)
8. ↑ Kenneth Chang. Scotch Tape desata el poder de los rayos  X. The New York Times (23 de octubre de 2008). Consultado el 6 de julio de 2020. Archivado desde el original el 30 de septiembre de 2017.
9. ↑ Manolov K., Tyutyunnik V. Biografía del átomo. Átomo: de Cambridge a Hiroshima. - Carril revisado. del búlgaro .. - M . : Mir , 1984. - S. 17-18. — 246 págs.
10. ↑ WC Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
11. ↑ " Naturaleza y gente ". - Nº 28, 1896.
12. ↑ Caspio. - Periódico. - Bakú, 1896.
13. ↑ 1 2 3 Radiología doméstica (enlace inaccesible) . Diagnóstico por rayos X. Fecha de acceso: 16 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 17 de abril de 2012. (indefinido) 
14. ↑ En algunas fuentes, se le llama erróneamente Eugene.
15. ↑ En la Comisión de historia de las ciencias físicas y matemáticas  // Boletín de la Academia de Ciencias de la URSS. - 1949. - T. 19 , núm. 4 . - S. 83-84 .
16. ↑ 1 2 Gaida R., Plyatsko R. Iván Pulyuy. 1845-1918: Zhittєpisno-bіblіografichny naris / Asociación científica que lleva el nombre de Shevchenko cerca de Lvov / Oleg Kupchinsky (edición publicada). — Leópolis. - 1998. - 284 págs. - (Jefes del NPSh; 7). — En obkl. el autor no está asignado. — ISBN 5-7707-8500-4 .
17. ↑ Fialkov L. Ivan Pulyuy nunca pidió una carta de Roentgen  (ucraniano)  // Bulletin of NASU. - 1996. - VIP. 9-10 . - S. 93-95 .

Enlaces

• pagina del tubo de rayos x
• Fundamentos del diagnóstico por rayos X (alemán)
• Etapas de desarrollo de equipos domésticos de detección  - la mayor parte del artículo habla de introscopios de televisión de rayos X (equipo de rayos X para transiluminar equipaje, utilizado principalmente en aeropuertos ).

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