Rayos x
Propósito
El propósito de este proyecto es conocer mas acerca de los rayos
X, para que se inventaron los rayos X, y cual es su objetivo, y
principalmente quien los invento.
También conoceremos cuales fueron los primeros rayos X, y donde fueron
aplicados, y con que material fueron creados.
También sabremos cuales son los diferentes tipos de rayos X, desde el
mas viejo o antiguo hasta el mas sofisticado.
Justificación
Este proyecto se realizo con el objetivo de conocer acerca de los rayos X, para
darnos cuenta de que estan hechos, como se aplican, y cuales eran
sus objetivos.
Gracias a este proyecto conocemos mas acerca de los rayos X el cual fue
el principal objetivo a lograr del proyecto.
Introducción
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico
britanico William Croles, que investigó en el siglo XIX los
efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos
experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para
generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de
Croles. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placasfotograficas,
generaba en las mismas algunas imagenes borrosas. Pese al
descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este
efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su
investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro
para los organismos biológicos que supone la exposición a estas
radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los
rayos X; el físico Wilhelm Conrad Roentgen, realizó
experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplementetubo de Croles) y
la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos
catódicos para evitar la fluorescencia violeta que
producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del
tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda
de cartón negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la
noche, se sorprendió al ver un débil resplandor amarillo-verdoso
a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño
cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de bario,
en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de
nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró
mas lejos la solución de cristales y comprobó que la
fluorescencia se seguía produciendo, así repitió el
experimento y determinó que los rayos creaban
una radiación muy penetrante, pero invisible. Observó
que los rayos atravesaban grandes capas de papel eincluso metales
menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características
propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó
en fotografíar este fenómeno y entonces fue cuando hizo
un nuevo descubrimiento: las placas fotograficas que tenía en su
caja estaban veladas.[cita requerida] Intuyó la acción
de estos rayos sobre la emulsión fotografica y se dedicó a
comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa
fotografica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la
madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios
experimentos con objetos como una brújula y el cañón de
una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos,
pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó una
placa fotografica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta
e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Un año después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada
como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar
la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo
tiempo su carrete, la placa fotografica de cristal y exponer su propia
mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase
la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la
placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia.
Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera
imagenradiografica del cuerpo humano. Así nace una rama de
la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre.
Los llamó 'rayos incógnita', o lo que es lo mismo:
'rayos X' porque no sabía que eran, ni cómo eran
provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido
histórico. De ahí que muchos años después, pese a
los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que
conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos 'X' se divulgó con
mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples
reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemaniale concedió
la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad
de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con
elpremio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos 'X' fue el producto de la
investigación, experimentación y no por accidente como algunos
autores afirman; W.C. Röntgen, hombre de ciencia, agudo observador,
investigaba los detalles mas mínimos, examinaba las consecuencias
de un acto quizas casual, y por eso tuvo éxito donde los
demas fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento
cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba
para beneficio de la humanidad.
RAYOS X
Descubrimiento
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico
britanico William Crookes, que investigó en el siglo XIX los
efectos deciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos
experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para
generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de
Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotograficas,
generaba en las mismas algunas imagenes borrosas. Pese al
descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este
efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su
investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro
para los organismos biológicos que supone la exposición a estas
radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los
rayos X; el físico Wilhelm Conrad Roentgen, realizó
experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplementetubo de Crookes) y
la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos
catódicos para evitar la fluorescencia violeta que
producían los rayos catódicos en las paredes de
un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre
el tubo con una funda de cartón negro. Al conectar su equipo por
última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un
débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco
próximo había un pequeño cartón con una
solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que
observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el
tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró mas lejos
la soluciónde cristales y comprobó que la fluorescencia se
seguía produciendo, así repitió el experimento y
determinó que los rayos creaban una radiación muy
penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes
capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las
características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos.
Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces
fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotograficas que
tenía en su caja estaban veladas.[cita requerida] Intuyó
la acción de estos rayos sobre la emulsión fotografica y
se dedicó a comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas
sobre una placa fotografica y el resultado fue sorprendente. El rayo
atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la
fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula
y el cañón de una escopeta. Para comprobar la distancia y el
alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta
y colocó una placa fotografica. Obtuvo la imagen de la moldura,
el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Un año después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada
como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar
la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo
tiempo su carrete, la placa fotografica de cristal y exponer su propia
mano a los rayos, le pidió a suesposa que colocase
la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la
placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia.
Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera
imagen radiografica del cuerpo humano. Así nace una rama de
la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre.
Los llamó 'rayos incógnita', o lo que es lo mismo:
'rayos X' porque no sabía que eran, ni cómo eran
provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico.
De ahí que muchos años después, pese a los descubrimientos
sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese
nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos 'X' se divulgó con
mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples
reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemaniale concedió
la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad
de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con
elpremio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos 'X' fue el producto de la investigación,
experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C.
Röntgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles
mas mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizas
casual, y por eso tuvo éxito donde los demas fracasaron. Este
genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva
Edison se lopropuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la
humanidad.
Produccion de Rayos X
Los rayos X se pueden observar cuando un haz de electrones muy energéticos
(del orden de 1 keV) se desaceleran al chocar con un blanco metalico.
Según la mecanica clasica, una carga acelerada emite
radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un
espectro continuo de rayos X a partir de cierta longitud de onda mínima
dependiente de la energía de los electrones. Este tipo de
radiación se denomina Bremsstrahlung, o ‘radiación de
frenado’. Ademas, los atomos del material metalico
emiten también rayos X monocromaticos, lo que se conoce
como línea de emisión característica del
material. Otra fuente de rayos X es la radiación
sincrotrón emitida en aceleradores de partículas.
Para la producción de rayos X en laboratorios, hospitales, etc. se usan
los tubos de rayos X, que pueden ser de dos clases: tubos con filamento o
tubos con gas.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se
encuentran dos electrodos en sus extremos. El catodo es un filamento de
tungsteno y el anodo es un bloque de metal con un línea
característica de emisión de la energía deseada. Los
electrones generados en el catodo son enfocados hacia un punto en el
blanco (que por lo general posee una inclinación de 45°) y los rayos
X son generados como producto de la colisión . El total de la
radiación que se consigue equivale al 1% de la energía emitida;
el resto sonelectrones y energía térmica, por lo cual el
anodo debe estar refrigerado para evitar el sobrecalentamiento de la
estructura. A veces, el anodo se monta sobre un motor rotatorio; al
girar continuamente el calentamiento se reparte por toda la superficie del
anodo y se puede operar a mayor potencia. En este caso el dispositivo se
conoce como «anodo rotatorio».1 . Finalmente ,el tubo
de rayos X posee una ventana transparente a los rayos X, elaborada en berilio,
aluminio o mica.
Esquema de un tubo de rayos catódicos y rayos X
El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente
0.01 mmHg y es controlada mediante una valvula; posee un
catodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los
electrones y un anodo. Las partículas ionizadas de
nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son atraídas
hacia el catodo y anodo. Los iones positivos son atraídos
hacia el catodo e inyectan electrones a este. Posteriormente los
electrones son acelerados hacia el anodo (que contiene al blanco) a
altas energías para luego producir rayos X. El mecanismo de
refrigeración y la ventana son los mismos que se encuentran en el tubo
con filamento.
Detectores de Rayos X
Existen varios sistemas de detección para rayos X: películas
fotograficas, dispositivos de ionización, camaras CCD,
etc.
La emulsión de las películas fotograficas varía
dependiendo de la longitud de onda a la cual se quiera exponer. La sensibilidad
de la película es determinada por el coeficiente deabsorción
masico y es restringida a un rango de líneas espectrales. La
desventaja que presentan estas películas es, por su naturaleza
granizada, la imposibilidad de un analisis detallado pues no permite una
resolución grande.
Los dispositivos de ionización miden la cantidad de ionización de
un gas producto de la interacción con rayos X. En una camara de
ionización, los iones negativos son atraídos hacia el
anodo y los iones positivos hacia el catodo, generando corriente
en un circuito externo. La relación entre la cantidad de corriente
producida y la intensidad de la radiación son proporcionales, así
que se puede realizar una estimación de la cantidad de fotones de rayos
X por unidad de tiempo. Los contadores que utilizan este principio son
el contador Geiger, el contador Proporcional y el contador de destellos.
La diferencia entre ellos es la amplificación de la señal y la
sensibilidad del detector.
Espectro de Rayos X
El tubo de rayos X esta constituido por dos electrodos (catodo y
anodo), una fuente de electrones (catodo caliente) y un blanco.
Los electrones se aceleran mediante una diferencia de potencial entre el
catodo y el anodo. La radiación es producida justo en la
zona de impacto de los electrones y se emite en todas direcciones.
La energía adquirida por los electrones va a estar determinada por el
voltaje aplicado entre los dos electrodos. Como la velocidad del
electrón puede alcanzar velocidades de hasta debemos
considerar efectosrelativistas, de tal manera que,
Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que
este puede ceder su energía en una o en varias colisiones, produciendo
un espectro continuo.
La energía del fotón emitido, por conservación de la
energía y tomando los postulados de Planck es:
Donde K y K’ es la energía del electrón antes y
después de la colisión respectivamente.
El punto de corte con el eje x de la grafica de espectro continuo, es la
longitud mínima que alcanza un fotón al ser acelerado a un
voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el punto de vista de que los
electrones chocan y entregan toda su energía. La longitud de onda
mínima esta dada por:
La energía total emitida por segundo, es proporcional al area
bajo la curva del espectro continuo, del número atómico (Z) del
blanco y el número de electrones por segundo (i). Así la intensidad
esta dada por:
Donde A es la constante de proporcionalidad y m una constante alrededor de 2.
Espectro caracteristico
Cuando los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X poseen cierta
energía crítica, pueden pasar cerca de una subcapa interna de los
atomos que componen el blanco. Debido a la energía que recibe el
electrón, este puede escapar del atomo, dejando al atomo
en un estado supremamente excitado. Eventualmente, el atomo regresara
a su estado de equilibrio emitiendo un conjunto de fotones de alta frecuencia,
que corresponden al espectro de líneas de rayos X.Éste
indiscutiblemente va a depender de la composición del material en el
cual incide el haz de rayos X, para el molibdeno, la grafica del espectro
continuo muestra dos picos correspondientes a la serie K del espectro de
líneas, estas estan superpuestas con el espectro continuo.
La intensidad de cualquier línea depende de la diferencia del voltaje
aplicado (V) y el voltaje necesario para la excitación (V’) a la
correspondiente línea, y esta dada por:
Donde n y B son constantes, e i es el
número de electrones por unidad de tiempo.
Para la difracción de rayos X, la serie K del material es la que
usualmente se utiliza. Debido a que los experimentos usando esta técnica
requieren luz monocromatica, los electrones que son acelerados en el
tubo de rayos X deben poseer energías por encima de 30 keV. Esto permite
que el ancho de la línea K utilizada sea muy angosto (del orden de 0.001
Å). La relación entre la longitud de cualquier línea en
particular y el número atómico del atomo esta dada
por la Ley de Moseley.
Interaccion de Rayos X con la materia
Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte
absorbidos y en parte transmitidos. Esta característica es aprovechada
en medicina al realizar radiografías.
La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos
atraviesan y de su intensidad. Esta dada por
Donde es característico del material e independiente del
estado físico. es el coeficiente lineal de
absorcióny la densidad del material.
Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de
absorción masico es aditivo, de tal manera que:
Donde significa la fracción del elemento constituyente.
Riesgos para la salud
La manera en la que la radiación afecta a la salud depende del
tamaño de la dosis de esta. La exposición a las dosis bajas de
rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no son perjudiciales. En
cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir
daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a mas
radiación ionizante que la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales
como quemaduras en la piel, caída del cabello, defectos de
nacimiento, cancer, retraso mental y lamuerte. La dosis determina
si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación
de efectos como quemaduras de la piel, caída del
cabello, esterilidad, nauseas ycataratas, requiere que se
exponga a una dosis mínima (la dosis umbral). Si se aumenta la dosis por
encima de la dosis umbral el efecto es mas grave. En grupos de personas
expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la
presión psicológica. También se ha documentado
alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema
nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de
radiación ionizante.
Aplicaciones
Medicas
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X
permitencaptar estructuras óseas, se ha desarrollado la
tecnología necesaria para su uso en medicina.
La radiología es la especialidad médica que emplea
la radiografía como ayuda en el diagnóstico
médico, en la practica, el uso mas extendido de los rayos
X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección
de enfermedades del esqueleto, aunque también se utilizan
para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como
laneumonía, cancer de pulmón, edema
pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X tiene mas limitaciones, como por
ejemplo en la observación del cerebro o
los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen
la tomografía axial computarizada, la resonancia
magnética nuclear o los ultrasonidos.
Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales
como la angiografía, o en estudios de contraste.
Otras
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la
materia cristalina mediante experimentos
de difracción de rayos X por ser su longitud de
onda similar a la distancia entre los atomos de la red
cristalina. La difracción de rayos X es una de las
herramientas mas útiles en el campo de
la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes
técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas,
y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la
característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si
aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, yeste es
completamente perfecto, el patrón de
absorción/transmisión, sera el mismo a lo largo de todo el
componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de
espesor, fisuras (no suelen ser facilmente detectables), inclusiones de
material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con
compuestos, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el
coeficiente de absorción masico. La única
limitación reside en la densidad del material a examinar. Para
materiales mas densos que el plomo no vamos a tener transmisión.
Conclusiones
Este proyecto funciono para conocer los diferentes tipos de Rayos X,
también conocimos su origen y quien los invento, también
conocimos los problemas que causan los Rayos X en la salud.
Tambien nos enteramos cuales eran sus objetivos hacia la salud, pero los cuales
también tenían consecuencias hacia la salud.
ANEXOS
| Diptico | Proyecto escrito |
Jesus Alberto Hernandez | 33.3 | 33.3 |
Fernando Lopez Gutierrez | 33.3 | 33.3 |
Victor Zamora Mejía | 33.3 | 33.3 |
