Descubrimiento de los rayos X

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El físico alemán Wihelm Corant Röentgen (1845-1923) descubrió por accidente, con serendipia los rayos X en 1895, cuando estaba trabajando con un tubo de rayos catódicos o tubo de Crookes. Un descubrimiento que resultó ser uno de primeros desarrollos significantes de la física cuántica. Röentgen encontró que un nuevo tipo de radiación (rayos) altamente penetrante e invisible se originaba del punto donde los rayos catódicos (electrones) impactaban el tubo de cristal o con un blanco situado dentro del tubo, y que esos rayos podían pasar a través de materiales opacos a la luz visible y activar una pantalla detectora fluorescente (en su experimento original unos cartones con cristales de platino-cianuro de bario, que emitían un débil resplandor amarillo-verdoso) o impresionar (ennegrecer) una película fotográfica.

Siguiendo a su descubrimiento inicial, Röentgen investigó intensamente la naturaleza de esos rayos, fue incapaz de desviar su trayectoria en un campo magnético, i.e. un imán no era capaz de perturbarlos y así mismo fue incapaz también de observar con ellos refracción o interferencia, fenómenos que están tipicamente asociados a un comportamiento ondulatorio. Por todo ello, debido al desconocimiento de su naturaleza Röetgen decidió dar el nombre de rayos X a esos rayos misteriosos (nombre con el que se les sigue conociendo actualmente), ya que la X es el símbolo de la incógnita en las ecuaciones matemáticas. Así mismo, Röentgen estudió la absorción de estos rayos por la materia y encontró que siguían leyes en un sorprendente contraste con aquellas que gobiernan la absorción de la luz visible. El poder de absorción depende solamente de la clase de átomo que se encuentra en la pantalla absorbente. Röentgen estudió intensamente el fenómeno y encontró que todos los materiales eran en algún grado transparente a estos rayos y que la transparencia disminuía con el incremento de densidad y masa atómica. Cuerpos como el papel o madera, hechos de átomos ligeros eran muy transparentes, por ejemplo Röentgen pudo observar la fluorescencia a través de un libro de mil páginas. Mientas que finas láminas de metales pesado eran muy absorbentes. Descubrió que la carne de nuestros cuerpos es transparente a los rayos X, ya que está casi enteramente compuesta de carbono, nitrógeno, oxigeno, e hidrógeno mientras que los huesos son opacos a los rayos X debido a que contienen calcio. La gran capacidad de penetración diferencial de los nuevos rayos, le sirvieron a Röetgen para obtener las primeras fotografías de estructuras orgánicas humanas, e. g. una radiografía de rayos X del esqueleto de la mano de su esposa. Este notable propiedad de los rayos X condujo a que la radiografía de rayos X tuviera un rápido uso médico, poco después de que los hallazgos de Röentgen fueran publicados. En 1901 Röntgen ganó el premio Nobel de física por el descubrimiento de los rayos X.

La naturaleza de los rayos X

Durante casi 20 años después del descubrimiento de los rayos X estuvo en duda la naturaleza física de los mismos. Mientras que algunos físicos consideraban que sus propiedades físicas podrían ser explicadas con una base corpuscular, otros pensaban que los rayos X eran similares a la luz visible ordinaria pero de menor longitud de onda. La ligera difracción de los rayos X después de pasar a través de las dos rendijas de situadas a unos pocos cientos de milimetros de distancia indicaba que su longitud de onda era del orden de 10^-10 m (1 Angstrom Å), aproximadamente 1/5000 la longitud de onda de la luz visible. El físico alemán Max Von Laue (1879-1960) tuvo en 1912 la idea de utilizar cristales, en los cuales los átomos están ordenados en una red regular con distancias interatómicas del orden de picometros (pm), como rejilla que podría servir para producir efectos de difracción con rayos X.

El experimento de difracción fue llevado a cabo por los físicos W. Friedrich and P. Knipping usando cristales de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O). Estos científicos hicieron pasar un haz estrecho de rayos X obtenido a partir de un tubo de rayos X a través del cristal y unas placas fotográficas fueron situadas alrededor del mismo para detectar la radiación que saliera de este. Encontraron probablemente para su deleite que la placas fotográficas situadas detrás del cristal eran veladas (ennegrecidas) en puntos que representaban la posición de un rayo de X que había golpeado directamente la placa fotográfica y también se observaban otros puntos negros alrededor, mostrando la dispersión preferencial del haz de rayos en ciertas direcciones, correspondiendo al máximo de difracción, todo ello una manifestación clara de que los rayos X podían sufrir difracción como cualquier onda. Estos experimentos mostraron de una vez que los rayos X son similares a la luz, i.e. en tener una naturaleza ondulatoria.

Así, hoy conocemos que las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia son producidas cuando los electrones son súbitamente desacelerados- esta radiación producida así es llamada radiación de bremsstrahlung (del alemán, que significa radiación de frenado) . La teoría clásica del electromagnetismo predice que la cargas radiaran ondas electromagnéticas cuando son aceleradas, es natural esperar que los rayos X son ondas electromagnéticas producidas por la desaceleración de los electrones cuando son parados por un blanco (el fenómeno que primariamente detectó Röentgen).

Los rayos X son también producidos cuando los electrones hacen transiciones entre niveles bajos de energía atómico en elementos pesados e.g. metales. Los rayos X producidos por esta vía, tienen una energía definida al igual que otros lineas espectrales para los electrones atómicos. Son llamados por ello llamados rayos X característicos ya que tienen energías determinadas por los niveles energéticos atómicos.La producción de esos rayos X caracteristicos requiere borbamdear un metal blanco en un tubo de rayos X con electrones de alta energía que han sido acelerados a un alto potencial de varios cientos de kilovoltios. Los electrones producen la eyección de los electrones de las capas electrónicas más internas de los átomos del metal. Los huecos vancantes que dejan esos electrones son rellenados rápidamente por los electrones que transitan ("caen") desde los niveles más altos de energía, emitiendose entonces rayos X con frecuencias muy definida asociada con las diferencias entre los niveles de energía de los átomos del metal blanco.

Así pues, los rayos X son parte del espectro electromagnético con una longitud de onda (λ) del rango de 1.0 nanómetro (nm)(10^-9 m) a 0.01 nm=10 picometros (10^-12 metros), lo que corresponde a una frecuencia (ν) del rango de 30 × 10^15 Hz a 30 × 10^18 Hz, y unas energías del rango de 124 electrón-Voltio (eV) a 120 kiloelectrón Voltios (keV). Su energía así es menor que la de los rayos gamma (γ) pero mayor que las de los rayos ultravioleta UV. Como radiación electromagnética, los rayos X bajo determinadas circunstancias experimentales exhiben un carácter cuántico corpuscular (dualidad onda-corpúsculo) i.e. se comportan como partículas (fotones), tal como pusieron de manifiesto los experimentos de 1922 de Arthur H. Compton de dispersión de rayos X por electrones en blancos de carbón.

Bibliografía

Royston M. Roberts. Serendipia. Descubrimientos accidentales en Ciencia. 1989. Alianza Editorial. En este libro se puede encontrar el relato del descubrimiento serendipítico de los rayos X por Röentgen

Lawrence Bragg. The Development of X-ray analysis. Dover.1992