Rayos X

¿Qué son los rayos-X?

Los rayos X son ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta y por esa razón no son visibles. La longitud de onda representa la distancia entre dos crestas sucesivas (ver gráfico) y se identifica con la letra griega [math]\displaystyle{ \lambda }[/math]

Longitud de onda

¿Cómo se producen?

Cuando electrones acelerados a 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 la clase de material del blanco. Superpuesto con este aparece un espectro de líneas conocidas como líneas características que depende de la naturaleza de los átomos que forman el material del blanco. Varios elementos químicos fueron descubiertos mediante el análisis de espectros de rayos X.

Premios Nóbel en Física de rayos-X, electrones y neutrones y su interacción con la materia

1901 Wilhelm Conrad Roentgen: Por el descubrimiento de los rayos-X.

1914 Max Theodor Felix von Laue: Por el descubrimiento de la difracción de rayos-X por cristales.[[1]]

1915 William Henry Bragg y William Lawrence Bragg: Por sus trabajos pioneros en la determinación de la estructura de cristales por métodos de difracción de rayos-X.[[2]]

1924 Karl Manne y Georg Siegbahn: Por sus estudios sobre espectroscopía de rayos-X. Esta técnica se emplea para identificar los elementos químicos 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, fenómeno denominado efecto Compton, que fue 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, fenómeno que permitió confirmar la teoría ondulatoria del electrón.

1994 Bertram N. Brockhouse y Clifford G. Shull: Por investigaciones sobre 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

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).

Aporte de la difracción de rayos-X al estudio del ADN

Los datos de difracción de rayos-X colectados por Rosalind E. Franklin (1920-1958) (en la foto)

durante su investigación de la estructura de las formas A (cristal) y B (cristal líquido) del ácido deoxiribonucleíco (ADN), realizada en el King's College de Londres en el período 1951-53, resultaron una información clave para la elaboración del modelo molecular del ADN en forma de una doble hélice, propuesto a inicios de 1953 por J. D. Watson y F. H. C. Crick (entonces, ambos en Cambridge). La figura muestra la ahora famosa 'Foto 51' de difracción de rayos-X de la forma B del ADN obtenida por Rosalind, cuyo aspecto en forma de cruz es la signatura de una molécula con la arquitectura de una hélice. Esta estructura permitía explicar las propiedades vitales en el proceso de la herencia de replicarse a si misma y de mutar que poseían las moléculas de ADN Watson, Crick y M. H. F. Wilkins (del King's College) fueron galardonados por su trabajo sobre la estructura del ADN con el Premio Nóbel 1962 en Fisiología o Medicina. Sin embargo Rosalind, quien jugo un papel clave en este tema no fue galardonada, constituyendo este un claro ejemplo de discriminación contra la mujer en el ámbito de la ciencia.

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 proteínas, 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

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 - 1966): Estudios sobre momentos dipolares y la difracción de rayos-X y de electrones por gases.

1954 Linus Carl Pauling (USA, 1901 - 1994): Estudios sobre la naturaleza de los enlaces químicos (estructura molecular de proteinas).

1962 John Cowdery Kendrew (Inglaterra, 1917-1997), Max Ferdinand Perutz (Inglaterra, Austria, 1914 - 2002): Estudios sobre la estructura de proteinas globulares.

1964 Dorothy Crowfoot-Hodgkin (Inglaterra, 1910-1994): Determinación de la estructura de sustancias biológicamente importantes por medio de rayos X.

1976 William N. Lipscomb (USA, 1919): Estructura de boranes.

1982 Aaron Klug (Inglaterra, 1926): Desarrollo de métodos cristalográficos para la determinación de complejos proteícos de ácidos nucleícos biológicamente importantes.

1985 Herbert A. Hauptman (USA, 1917) y Jerome Karle (USA, 1918): Desarrollo de métodos directos para la determinación de estructuras cristalinas.

1987 Donald J. Cram (USA, 1919 - 2001), Charles J. Pedersen (USA, 1904 - 1989) y Jean-Marie Lehn (Francia, 1939): Desarrollo de moléculas con interacción estructural específica de alta selectividad.

1988 Johann Deisenhofer (Alemania, 1943), Robert Huber (Alemania, 1937) y Hartmut Michel (Alemania, 1948): Determinación de la estructura tridimensional de un centro de reacción fotosintética.

1997 Paul D. Boyer (USA, 1918) y John E. Walker (UK, 1941): Dilucidación del mecanismo enzimático que subyace la síntesis del trifosfato de adenosina (ATP), y Jens C. Skou (Dinamarca, 1918): Descubrimiento de una enzima que transporta iones, la Na+, K+-ATPase.

2003 Peter Agre (USA, 1949): Descubrimiento de canales para el intercambio de agua (acuaporinas) a través de membranas celulares y Rod MacKinnon (USA, 1956): Estudios estructurales y mecanicistas del intercambio iónico a través de membranas celulares.

2006 Roger D. Kornberg (USA, 1947): Estudios estructurales sobre las bases moleculares de la transcripción eucariota.

2009 Venkatraman Ramakrishnan (India, 1952), Thomas A. Steitz (USA, 1940) y Ada E. Yonath (Israel, 1939): Estudios de la estructura y función del ribosoma.

Premios Nóbel en Fisiología o Medicina que emplearon métodos estructurales por difracción de rayos-X

1962 James D. Watson (USA, 1928), Francis H. C. Crick (UK, 1916-2004) y Maurice H. F. Wilkins (UK, 1916-2004): Por sus descubrimientos relacionados con la estructura de los ácidos nucleícos y su significado en la transferencia de información en la materia viva.