La física radiológica es una disciplina que explica
con racionalidad científica los
conceptos básicos sobre el origen de los rayos X, el funcionamiento de un
equipo de rayos etc.
Esta ciencia,
además permite comprender como a través de los diferentes factores físicos interactuantes se logra
obtener la imagen radiológica. es importante conocer los fenómenos que
intervienen en la generación de radiación electromagnética.
Los rayos X son una radiación electromagnética de la
misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos
infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La
diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son
radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un
nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de
isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares,
a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por
desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra
entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los
rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia
produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas
con carga (iones)
A cada órbita electrónica de un determinado elemento
le corresponder una energía E. la órbita más cercana es la que posee menor
energía y dicha energía va aumentando a medida que la órbita es más grande.
Un electrón si se encuentra situado en una órbita de
energía E puede saltar a otra órbita E de menor energía y en este proceso
pierde una cantidad dada por la diferencia de energía correspondiente a cada
órbita E=E-E.
Los electrones, en un átomo, ocupan las órbitas de
menor energía, sin embargo se puede hacer pasar uno o más electrones a órbitas
de niveles de mayor de energía entregando una cantidad de energía igual a la diferencia entre los
dos niveles. Se dice que el átomo
esta EXCITADO. Cuando un electro
excitado cae nuevamente en su órbita normal de menor energía, el exceso de
energía es liberado y emitido como radiación electromagnética.
Si la energía entregada es suficiente, uno o más electrones pueden ser extraídos
completamente del átomo, en este caso el
átono esta IONIZADO y posee cierta carga
neta positiva. La energía que hay que entregar para arrancar al átomo un
electro es de 1 a 10 eV
Los rayos x tienen su origen en este proceso, es la
emisión de radiación cuando un electro de las órbitas más alejadas cae hacia
las órbitas desocupadas cercanas al núcleo. Esta emisión de energía consiste en
una radiación electromagnética., estos
son llamados RAYOS X CARACTERÍSTICOS
porque la energía de los fotones será característica del tipo de átomo
que se emita.
Mecanismo de generación de Rayos X
El proceso
fundamental de la emisión de Rayos X puede sintetizarse diciendo que se
producen cuando una cierta cantidad de electrones E- que se mueven a alta
velocidad (electrón proyectil), chocan contra un obstáculo metálico de alto
peso atómico (blanco).
Los electrones proyectil interaccionan con los electrones orbitales o
núcleos de átomos blanco. Las interacciones dan lugar a la transformación de la
energía cinética que tren dichos electrones en energía térmica (calor) y en
energía electromagnética (rayos x).
Casi toda la energía cinética de los electrones
proyectil se convierte en calor. En la figura siguiente se ilustra
esquemáticamente lo que sucede.
Los electrones proyectil interacción con los
electrones de la capa externa de los átomos blancos, pero no les transfieren
energía suficiente para ionizarlos. Los electrones de la capa externa pasan
simplemente a un nivel de energía más alto (son excitados), volviendo
inmediatamente a su estado de energía normal con emisión de radiación infrarroja. La
excitación y la recuperación constante de los electrones de la capa externa son
responsables del calor generado.
Por lo general, más del 99% de la energía cinética de
los electrones proyectil se convierten en energía térmica, lo cual deja menos
de un 1%disponible para producir Rayos x. por tanto, es necesario concluir que
el proceso de generación de los rayos x es muy ineficaz.
Si el electrón proyectil interacciona con un electrón
de una capa interna del átomo del blanco, antes que con uno de la capa externa,
se puede producir radiación X característica. La radiación X característica se
origina cuando la interacción es lo suficientemente violenta para ionizar el átomo del blanco, eliminando
totalmente un electrón de una capa interna.
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Cuando el
electrón proyectil ioniza un átomo del blanco eliminando un electrón de la capa k, se produce un hueco
de electrón temporal en esa capa. Este estado es muy opuesto al natural del
átomo y se corrige mediante caídas de un electrón de la capa externa en el
hueco de la capa K. El tungsteno, por ejemplo, tiene electrones hasta en la
capa P y cuando es ionizado un electrón de la capa K. su posición puede ser
ocupada por electrones de cualquiera de las capas más externas. La transición de un electrón orbital desde una capa externa hasta otra
interna va acompañada por la emisión de un fotón de rayos x. El rayo x
producido tiene una energía igual a la diferencia de las energías de ligadura
de los correspondientes electrones orbitales.
En resumen, los rayos x características se producen
por la transición de electrones orbitales desde las capas externas a las
internas. Dado que la energía de ligadura de los electrones es distinta para
cada elemento, los rayos x característicos producidos en diversos elementos
también lo serán. Este tipo de radiación x se denomina característica porque es
característica del elemento del blanco. La energía efectiva de los rayos x
característicos aumenta a medida que aumenta
el numero atómico elemento del blanco.
La producción de
calor y de rayos x características comprende interacciones entre les
electrones proyectil y los átomos del blanco. Un tercer tipo de interacción, en
la cual el electrón proyectil puede perder su energía cinética, es la que se
produce con el núcleo del átomo blanco. En este tipo de interacción, la energía
cinética del electrón proyectil se convierte en energía electromagnética.
Un electrón proyectil que evite por completo los
electrones orbitales al pasar a través de un átomo blanco puede llegar lo
suficientemente cerca del núcleo del átomo como para caer bajo su influencia.
Dado que el electrón tiene carga negativa y el núcleo
positiva, existe entre ellos una fuerza electrostática de atracción. Cuando más
cerca del núcleo llegue el electrón proyectil, más se verá influido por el
campo electrostático del núcleo. Ese campo es
muy fuerte, ya que el núcleo contiene muchos protones y la distancia
entre el núcleo y el electrón proyectil es muy pequeña. Al pasar cerca del el
núcleo, el electrón proyectil disminuye su velocidad y cambia su curso, con lo
que se reduce su energía cinética y se modifica su dirección. Esa energía
cinética perdida reaparece como fotón de rayos x. la interacción es parecida a
la que experimenta un cometa en su curso alrededor del sol.
Estos tipos de rayos x
se conocen como radiación de frenado o rayos x de frenado
(bremsstrahlung). Se puede considerara
que tal radiación procede del frenado de los electrones proyectil por la
atracción del núcleo.
Un electrón proyectil puede perder cualquier cantidad
de energía cinética al interaccionar con el núcleo de un átomo del blanco, y la
radiación de frenado que se asocia con perdida puede adoptar un rango de
valores correspondiente.
Por ejemplo, un electrón con energía cinética de 70keV
puede perder alguna, toda o ninguna de esa de esa energía cinética por una
interacción de frenado; el rayo x de frenado producido tendrá una energía
entre 0 y 70keV. Esto difiere
de la producción de rayos x característicos, que tienen energía
especificas.
Se originan rayos x de frenado con energía baja cuando
el electrón proyectil apenas resulta influenciado por el núcleo. Los rayos x
producidos tienen energías intercambiables entre dos extremos.
En el campo diagnostico, casi todos los rayos x están
originados por frenado.
Historia de la radiología
Los rayos x fueron descubiertos el 8
de noviembre de 1895 en el instituto de física dependiente de la universidad de
Wursburgo en Braviera, Alemania por el ingeniero mecánicoWilhelm Conrad
Roentgen, el cual nació el 27 de marzo de 1845 en el pueblo de Lennep de
Renania, Alemania.
El descubrimiento de Roentgen no fue
obra de la casualidad, sino el resultado de su disciplina de investigador,
puede decirse que el descubrimiento fue la culminación de una serie de
experimentos basados en el pasaje de la chispa eléctrica a través de los gases
encarecidos efectuado por distintos investigadores y entre los cuales estaba
Lenard, Helmoltz, Hertz, Httof, Crookes,
a su vez precedidos por Maxwell, Faraday, Ohm, Galvani, Volta, que elaboraron los fundamentos de la
electricidad, cabe destacar que Roentgen tuvo precursores en el descubrimiento.
En 1895, interesado Roentgen en los
rayos catódicos y en el trabajo de investigación de Hertz, Lenard, Hittof y
Crookes, Roentgen inicia sus investigaciones tal es así que el 8 de noviembre de ese año, tomo una ampolla de Crookes-Hittof
cubriéndola con una cartulina negra la éxito con una bobina de inducción tipo
Rumhkorfff y a fin de confirmar su opacidad oscureció completamente la habitación. Fue en esas condiciones y una vez
acomodada la vista a la oscuridad que Roentgen observo un fenómeno luminoso que
hasta entonces nunca había sido observado: una loseta de platino- cianuro de
bario situado a cierta distancia de
la ampolla se poni fluorescente Emitía
luz estimulada por rayos que atravesaban la cubierta de cartulina negra, y al
tomar entre sus manos la pantalla de platino. Cianuro de bario para acercarla
al tubo, observo sus huesos moviéndose en sincronía con los movimientos.
Roentgen pensó que el fenómeno
no podía ser determinado por los rayos
catódicos, repitió varias veces el fenómeno hasta que se convenció que estaba en presencia de un
nuevo tipo de rayos, pues ninguno de los conocidos podía atravesar sustancias
opacas tan fácilmente ni propagarse en línea recta como estos además pudo verificar
que los nuevos rayos se se distinga de los catódicos por no ser desviados por
campos magnéticos ni eléctricos.
Desconociendo su naturaleza, atribuyo
a esas radiaciones un origen incognito, por lo que los denomino X, símbolo
matemático de lo desconocido.
El 28 de diciembre de 1895 hace su primera
comunicación a la sociedad físico-medica
de Wursburgo y publica conclusiones en los boletines de esa sociedad.
Por su descubrimiento fue galardonado
en 1901 con el primer premio Nobel de Física. El premio se concedió
oficialmente «en reconocimiento de los extraordinarios servicios que ha
brindado para el descubrimiento de los notables rayos que llevan su nombre
Roentgen falleció el 20 de
febrero de 1923, a los 78 años de edad
víctima de un carcinoma intestinal.
