Rayos X

¿Qué son los rayos X?

Los rayos X son ondas electromagnéticas de muy corta longitud de onda

Longitud de onda

y por esa razón no son visibles.

Algo de historia

Los rayos X, llamados así por su naturaleza misteriosa, fueron descubiertos por casualidad en el año 1895 por Wilhelm Röntgen, profesor de la universidad de Würzburg Alemania, mientras efectuaba investigaciones sobre los rayos catódicos en la descarga de gases de un tubo de alto voltaje (similares a las descarga de tubos de neón). Röntgen notó que cuando funcionaba el tubo, si bien este se encontraba en una caja de cartón negro, una pantalla próxima formada de un compuesto de bario emitía luz fluoerescente. Interesado comenzó entonces a investigar esta fluorescencia, comprobando que se debía a una radiación muy penetrante e invisible a la que denominó rayos X. Röntgen notó que estos se producían cuando electrones con mucha energía chocaban contra un objeto sólido, no eran desviados por los campos magnéticos o eléctricos y eran capaces de atravesar materiales sólidos como metales y madera. Para hacer una prueba, la esposa de Röntgen colocó su mano sobre una placa fotográfica y al ser irradiada por los rayos X se tomó la primera radiografía. En diciembre de 1895 los diarios de todo el mundo anunciaron la noticia y dos meses más tarde ya los médicos estaban empleando esta técnica para obtener imágenes de los huesos quebrados. Desafortunadamente en esos momento aún no se conocían los peligrosos efectos que la exposición a los rayos X producía sobre las personas, y que tanto Röntgen como sus colaboradores sufrieron. Röntger fue el primer galardonado de la historia con el premio Nóbel debido a su descubrimiento. Más tarde en su honor se le dio el nombre de Röntgen, a la unidad de medida de la intensidad de las radiaciones de alta frecuencia, rayos X y rayos gamma.

Mano de Frau Roëtgen sin carne

^

El señor Roëtgen con carne

Fue Max von Laue quien desarrolló un método especial para medir la longitud de onda de los rayos X, empleando cristales salinos como redes de difracción. De esa forma comprobó que se trataban de radiación electromagnética de muy corta longitud de onda.

En 1912 empleando este método Friedrich y Camping consiguieron hacer difractar un haz de rayos X al pasar a través de un cristal. Los cristales tienen estructuras muy ordenadas, ya que los planos que contienen los átomos están espaciados regularmente. Al pasar el haz de rayos X entre esos planos se vio que era desviado dando lugar a una figura de difracción. Esto solo podía ocurrir si la longitud de onda de los rayos X era del orden del espaciado entre los planos atómicos. Estos experimentos dieron unos valores para la longitud de onda de los rayos X empleados de 0,01 a 0.05 nm. Con los equipos modernos se consiguen valores de 1 a 0,001 nm. Max Von Laue recibió el premio Nóbel de Fisica en 1914 por su descubrimiento de la difracción de los rayos X a través de cristales.

Los físicos británicos W.H. Bragg y W.L. Bragg padre e hijo, respectivamente, continuaron investigando este tema desarrollando una técnica muy poderosa para la exploración de la materia, la difracción de rayos X, formulando la famosa Ley de Bragg. Ambos fueron galardonados con el premio Nóbel de Física en 1915 por sus trabajos sobre la determinación de la estructura cristalina del NaCl, del ZnS y del diamante empleando dicha técnica.

W.H Bragg W.L Bragg

¿Cómo se producen?

Cuando los electrones con alta velocidad chocan contra la materia, una parte de la energía se pierde en forma de calor, el resto se emite en forma de radiación X dando lugar a un espectro de rayos X continuo, que no es monocromático ya que se compone de un gran número de longitudes de onda, y que no depende de cual sea el material del blanco. Superpuesto con este aparece un espectro de rayos X de líneas conocido como líneas características que si depende de la naturaleza de los átomos que forman el material blanco Varios elementos químicos fueron descubiertos mediante el análisis de espectros de rayos X.

Premios Nóbel en Rayos X y difracción de Rayos X

1924 Karl Manne y Georg Siegbahn. Por sus estudios sobre espectroscopía de Rayos-X. Esta técnica se emplea para identificar los elementos químicos y sus isótopos por medio de la determinación de las longitudes de onda de sus espectros de líneas característicos. 1927 Arthur Holly Compton y Charles Thomson Rees Wilson. Por haber conseguido dispersar rayos X por partículas cargadas, dando lugar al denominado efecto Compton, descubierto en 1923 por el físico estadounidense Arthur Holly Compton. Este efecto da cuenta de la absorción de rayos X por la materia y tiene lugar cuando un fotón de rayos X de alta energía choca con un electrón, dando como resultado que ambas partículas pueden ser desviadas. A raíz del choque el fotón de rayos X cambia su trayectoria y pierde parte de su energía, la que es absorbida por el electrón. Al emerger del material el fotón de rayos X posee una longitud de onda mayor que la del fotón incidente, pues tiene menor energía. Este proceso se denomina dispersión Compton. 1937 Clinton Joseph Davisson y George Paget Thomson. Por la difracción de electrones por cristales. 1994 Bertram N. Brockhouse y Clifford G. Shull. Por la difracción y espectroscopia de neutrones

Primera radiografía en Argentina

Fue tomada en diciembre de 1896 y fue realizada por el Dr. Tomás Varzi, médico rosarino, en el Hospital de Bahía Blanca. Tres meses después de haber aparecido la noticia del hallazgo de los rayos X, Varzi recibió de Alemania, un equipo generador de rayos X, gracias a la mediación del Cónsul alemán Diego Meyer. Con este equipo, el Dr. Varzi obtuvo una radiografía de mano que debió realizar en tres tiempos, porque según su relato el anticátodo se enrojecía a los 20 minutos y temía que se fundiese. Además realizó también radioscopias de su propia mano y de tórax en personas delgadas.

Aportes a la medicina

Un equipo convencional de Rayos X una radiografía normal

El desarrollo de la técnica conocida como Tomografía Axial Computarizada (TAC) significó un notable aporte al diagnóstico mediante imágenes. Esta técnica consigue mediante el uso de un dispositivo de rayos X y una computadora generar una imagen tridimensional del cuerpo a partir de componer una serie de radiografías planas (bidimensionales). 220px 200px

Aporte de la cristalografía al estudio del ADN

Las investigaciones en cristalografía de rayos X permitieron confirmar la hipótesis de la estructura de la molécula de ADN , con su famosa forma de hélice, formulada por Watson y Crick. Fue gracias al aporte de una investigadora en cristalografía del King´s College de Londres, Rosalind Franklin, quien había logrado fotografiar mediante rayos X ADN cristalino que se pudo confirmar el modelo. En la foto obtenida por Rosalind se puede ver claramente la estructura cruzada. Watson y Crick fueron galardonados por el premio Nóbel de medicina en 1962.

Holografía con rayos X

Desde fines de los años 80 los rayos X también se emplean para realizar hologramas. Los principios teóricos de la holografía fueron desarrollados por Dennis Gabor en 1947, pero recién se pudieron obtener los primeros hologramas con el desarrollo del laser en los años 60. Esta técnica permite obtener imágenes fotográficas tridimensionales sin lente alguna. Mediante la interferencia de dos haces de rayos X se obtiene la imagen tridimensional de un objeto, lo cual permite estudiar con gran detalle estructuras cristalinas complejas o proteinas, como la de figura. Se muestra el holograma de una estructura cristalina donde los átomos de cobalto se hallan separados por una distancia de 0,01 nm

Archivo:Cobalto.jpg

Los Rayos X en otras ramas de la ciencia

Premios Nóbel de Química que emplearon o desarrollaron métodos estructurales por difracción de Rayos X

1936 Peter J. W. Debye (Alemania, Holanda, 1884-03-24 - 1966-11-02) Estudios sobre momentos dipolares y la difracción de rayos X y haces de electrones por gases

1954 Linus Carl Pauling (USA, 1901-02-28 - 1994-08-19) Estudios sobre la naturaleza de los enlaces químicos (estructura molecular de proteinas)

1962 John Cowdery Kendrew (Inglaterra, *1917-03-24) Max Ferdinand Perutz (Inglaterra, Austria, 1914-05-19 - 2002-02-06) Estudios sobre la estructura de las proteinas globulina

1964 Dorothy Crowfoot-Hodgkin (Inglaterra, *1910-05-12) Determinación de la estructura de sustancias biologicamente importantes por medio de rayos X

1976 William N. Lipscomb (USA, *1919-12-09) Estructura de boranes

1982 Aaron Klug (Inglaterra, *1926-08-11) Desarrollo de métodos cristalográficos para la determinación de complejos proteicos de ácidos nucleicos biologicamente importantes

1985 Herbert A. Hauptman (USA, *1917-02-14) Jerome Karle (USA, *1918-06-18) Desarrollo de métodos directos para la determinación de estructuras cristalinas

1987 Donald J. Cram (USA, 1919-04-22 - 2001-06-27) Charles J. Pedersen (USA, 1904-10-03 - 1989-10-26) Jean-Marie Lehn (Francia, *1939-09-30) Desarrollo de moléculas con interacción estructural específica de alta selectividad.

1988 Johann Deisenhofer (Alemania, *1943-09-30) Robert Huber (Alemania, *1937-02-20) Hartmut Michel (Alemania, *1948-07-18) Determinación de la estructura tridimensional de un centro de reacción fotosintética

2006 Roger D. Kornberg (USA, *1947) Por sus estudios sobre la base molecular de la transcripción eucariota