rayos x

1. Rayos X, historia y aplicaciones
por Colaborador Invitado|Publicada 8 junio, 2018
Lidia Martínez Herraiz, vicepresidenta de NUSGREM, nos trae este artículo sobre los rayos X,
su historia y sus aplicaciones.
En matemáticas solemos designar con x al valor de la variable de la que desconocemos su cuantía.
Por ello los rayos X acuñaron este nombre, principalmente porque no se habían detectado hasta
que Rӧntgen, fue más allá que otros compañeros tales como; Varley, Pucker, Hittorf, Hertz,
Goldstein… . En 1892 construyó un tubo de rayos catódicos, pero esta vez dirigidos hacia una
delgada lámina de aluminio. Hemos dicho que estos rayos eran desconocidos debido a que poseen
una longitud de onda del orden de angstroms Å (10−2
≤ λ ≤10) nm y el ser humano solo es capaz
de observar fenómenos que tienen lugar en la franja del visible correspondiente a 400-700nm
(motivo por el cual no somos capaces de vislumbrar los rayos X directamente). Rӧntgen fue capaz
de vislumbrar esta nueva radiación desconocida gracias a que la lámina de aluminio que utilizó
estaba recubierta con cartón pintado con platinucianuro de bario, de modo que al incidir los rayos
X sobre está pantalla generaban fluorescencia en un valor de un 1%. El resto generaba calor.
Rӧntgen ansiaba entender la naturaleza de estos rayos X para así poder desvelar la incógnita que
envolvía a la nueva radiación. Por ello, trabajando día y noche, observó la capacidad de los
diferentes materiales de ser atravesados por los rayos X. En un intento de búsqueda de nuevas
formas de mejorar la fluorescencia en la pantalla, logró uno de sus grandes éxitos, que fue el
empleo de una placa fotográfica. De esta forma la luminiscencia quedaba grabada para la
posteridad. A causa de esta idea llego de la mano la primera imagen de rayos X de la mano de su
esposa Bertha, el 22 de diciembre de 1895, dando paso a la radiología como una de las técnicas
de diagnóstico médico. Posteriormente en la primera década del siglo XX se emplearon los rayos
X para tratamiento contra el cáncer y enfermedades en la piel. El descubrimiento de los rayos X,
así como sus posibles aplicaciones, fueron tan extraordinarios que le galardonaron en 1901 con
el primer premio nobel de física.

2. Figura 1. Imagen conocida como “mano con anillos”, es la mano izquierda de Bertha, la esposa de
Rӧntgen y que fue presentada como la primera radiografía médica de la historia. Imagen extraida de
Wikimedia Commons, archivo: First medical X-ray by Wilhelm Röntgen of his wife Anna Bertha
Ludwig’s hand – 18951222.gif.
Ahora vamos a ver unas cuantas aplicaciones de esta radiación tan misteriosa que mereció el
primer nobel de la física.
Medicina
En medicina se emplean los rayos X con el fin de obtener imágenes anatómicas de diferentes
partes del cuerpo, como por ejemplo huesos, articulaciones, tórax y abdomen, de manera que se
pueda proporcionar un diagnóstico más claro al paciente. Su uso abarca disciplinas de la medicina
muy diversas desde cardiología, neurorradiología, traumatología hasta gastroenterología.
Los equipos operativos que emplean rayos X para la obtención de radiodiagnóstico que podemos
ver cotidianamente en los hospitales de hoy en día son:
 Equipo de rayos X convencional: se emplea para el estudio de huesos, dientes, articulaciones,
tórax y abdomen, gracias a Marie Curie y su hija Irene Curie que la inventaron para atender a los
enfermos de la Primera Guerra Mundial en 1914. También podemos encontrar esta unidad en
formato móvil.
 TAC (tomografía axial computarizada): proporciona una imagen más completa que la de la
radiografía convencional, sobre una sección o corte no transversal de algún objeto anatómico.
Tanto la fuente de rayos X (tubo de rayos X) como el detector (situado en el lado opuesto) van
obteniendo imágenes midiendo el espectro en 360º, generando una imagen promedio (suma de

3. las imágenes en cada dirección) lo que confiere gran precisión y resolución a la imagen final. Esta
está compuesta por una escala de grises, negros y blancos en función de la absorción de los
diferentes tejidos. En general, los huesos se ven blancos, los tejidos blandos en gris y el aire en
negro.
Figura 2. Muestra el equipo TAC que se encuentra localizado en el Hospital Universitario de Getafe, se
puede apreciar la forma circular del aparato que permite un giro de 360º y la escala de color de la imagen
en el monitor. Fotografía tomada por Alex Castellano, Periodista. Corresponsal de Europa Press en
Getafe, editor de El Periódico de Getafe y El Periódico de Leganés.
 Mamografía: consiste en la toma de imágenes mediante rayos X blandos, de un seno comprimido
desde el costado hasta arriba del seno, con el objetivo de conseguir la mayor resolución posible
en la visualización de las estructuras fibroepiteliales internas de la glándula mamaria. (En este
caso la fuente de rayos X procede de un tubo de rayos X).
Figura 3. Imagen de una mamografía de ambos senos. Imagen publicada por R. IBARRA
@abc_salud el 05/06/2015.

4.  Angiografía: Permite el estudio de los vasos sanguíneos. El proceso empelado, se basa en la
administración por vía intravascular, de un contraste radiopaco. Los rayos X no pueden atravesar
el compuesto por lo que revelan en la placa radiográfica la morfología del árbol arterial así como
sus distintos accidentes vasculares, émbolos, trombosis, aneurismas, estenosis…
Figura 4. Imagen del angiógrafo del Hospital puerta de Hierro de Madrid. Imagen extraída del material
del curso de radiaciones ionizantes aplicaciones y seguridad (5ª Edición) (2017).
Los estudios de radiodiagnóstico con energías ionizantes (rayos X) expuestos, son metodologías
que se emplean para poder observar sin cirugía los distintos elementos que componen nuestro
cuerpo, pero también se utilizan conjuntamente para la detención de diversas patologías y
tumores. Se pueden erradicar los tumores con la conocida radioterapia externa, la cual estriba en
la irradiación con una potente energía ionizante, de valores, desde KeV (energía de rayos X) hasta
MeV (energía correspondiente a la radiación gamma, descubierta por Villard). Los de menor
energía tienen menor poder penetrante, mientras que a mayor energía mayor capacidad de
penetración en los tejidos, para alcanzar tumores más internos. En estos casos para poder llegar
a tan altas energías es necesario emplear un acelerador lineal como fuente de radiación.
Hasta ahora solo hemos visto las aplicaciones de física biomédica de los rayos X, pero la
caracterización por rayos X, es uno de los procedimientos más fructíferos y usuales en la ciencia
de materiales.

5. Cristalografía y caracterización de materiales
El estudio de la difracción de rayos X a través de cristales para una mejor determinación de su
estructura cristalina se conoce como cristalografía de rayos X. Los inicios en esta técnica llevaron
a Von Laue a recibir el premio nobel en 1914 y un año más tarde fueron galardonados los Bragg
(padre e hijo) igualmente con el premio nobel por determinación de la estructura cristalina
del NaCl, el ZnS y el diamante. Pero la sucesión de premios nobeles no acaba aquí, debido a que
en 1937 George Paget Thomson compartió premio nobel con Clinton Davisson por su trabajo
relativo a la difracción de electrones en cristales y la demostración de sus propiedades
ondulatorias.
Las técnicas de difracción de rayos X sirven para determinar la estructura microscópica detallada
del material, es decir, el conocimiento de las posiciones que ocupan en el espacio los átomos,
iones o moléculas que lo forman. Este ordenamiento, junto con las periodicidades y simetrías que
implican, son las que determinan las propiedades físicas y químicas que presentan los materiales.
La difracción de rayos X es idónea y adecuada para obtener información sobre la estructura
cristalina de los materiales debido a que la longitud de onda de los rayos X utilizados en los
experimentos de difracción es del orden de angstrom (1Å = 10-10
m), que coincide con el orden
de magnitud de la distancia característica entre átomos dentro de un sólido.
Figura 5. Muestra de las diferentes longitudes que componen el espectro electromagnético. Imagen
extraída de https://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico.
La difracción por rayos X es la técnica de caracterización más usada no solo de la estructura
cristalina (es la técnica más económica y que más información proporciona), sino también de
otros aspectos como la rugosidad de las intercaras, la homogeneidad y regularidad de las capas
nanométricas. Todo ello se puede deducir a partir del análisis de la llamada reflectividad de rayos
X. Otros parámetros que se pueden estudiar mediante la reflectividad y difracción son la
morfología, el análisis químico, la estequiometría y la estructura electrónica y de bandas del
material sujeto al estudio.

6. A continuación vamos a ver una serie de técnicas que se emplean en la caracterización de
materiales, de la misma manera que realizamos en el caso anterior con la radiofísica médica. Entre
estas técnicas encontramos:
 Difracción de rayos X: mediante la conocida ley de Bragg (ecuación 1), siendo d, el espaciado
entre planos de las redes cristalinas, estando íntimamente relacionado con los ángulos de
difracción. Para que exista un máximo de difracción tiene que cumplirse que la diferencia entre
las trayectorias de las ondas difractadas sea un número entero de veces la longitud de onda (nλ).
A partir de un difractograma de la muestra, se pueden estudiar parámetros cristalográficos como
el tamaño de cristal y el parámetro de red.
𝑛𝑛𝑛𝑛 = 2𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑n𝜃𝜃 (1)
Figura 6. Difractograma para un monocristal de GaAs, que muestra los planos cristalográficos de los
ángulos que cumplen la condición de Bragg (1).
 Microscopia electrónica de barrido (SEM) y microscopia electrónica de trasmisión (TEM): ambas
emplean electrones, que atendiendo a la dualidad onda-partícula pueden ser considerados como
ondas de rayos X. La diferencia entre ambos microscopios es que el SEM obtiene la imagen
mediante electrones secundarios y el TEM por electrones trasmitidos.

7.  Análisis de energía dispersiva (EDX): esta técnica utiliza la emisión secundaria o fluorescente de
radiación X que se genera al excitar una muestra con un haz de electrones muy energéticos,
capaces de excitar los átomos de la muestra. El exceso energético resultante de esta transición se
disipa en forma de fotones, la llamada radiación X fluorescente o secundaria, volviendo los
átomos a su estado fundamental, Al ser las energías de los distintos niveles electrónicos
características para cada tipo de átomo, la radiación X emitida (en forma de fotones) será por
tanto, característica para cada elemento. La ordenación de los elementos en la tabla periódica
según las longitudes de onda característica, le otorgaron el nobel a Manne Siegbah en 1924.
 Espectroscopia de fotoemisión a ángulo resuelto (ARPES): estudia la fotoemisión de electrones
de un sólido usando como fuente de excitación rayos X de tal forma que permite conocer la
estructura de bandas de un sólido en el espacio recíproco, conociendo el ángulo de emisión y la
energía del electrón emitido.
 Espectroscopía de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS): Los espectros XPS son obtenidos
cuando una muestra es irradiada por rayos X (habitualmente el ánodo puede ser de Al o Mg) al
tiempo que se mide la energía cinética y el número de electrones que escapan de la superficie del
material analizado. Esta técnica permite determinar la estequiometría, el estado químico y la
estructura electrónica del material.
 Emisión de rayos X inducida por partículas o la emisión de rayos X inducida por protones (PIXE):
Cuando un material se expone a un haz de iones se producen interacciones atómicas que
emiten radiación electromagnética de longitudes de onda en la zona de rayos X del espectro
electromagnético, específica para cada elemento. Estas energías de los rayos X, que se emiten
cuando las vacantes creadas se vuelven a llenar, son características únicas de los elementos de los
que se originan. El número de rayos X emitidos es proporcional a la masa de ese elemento
correspondiente en la muestra. Por todo ello, esta técnica se suele emplear en datación.
 Durante todo el artículo hemos hablado de fuentes de rayos X pero no hemos entendido su
mecanismo de producción. Vamos a ponernos con ello para completar nuestro estudio.
Mecanismos de producción de rayos X
Los rayos X se producen cuando una partícula cargada eléctricamente y con suficiente energía
cinética es decelerada bruscamente. Las dos formas de provocar esta deceleración son: una por
frenado contra un electrodo metálico (este es el método utilizado por el tubo de rayos X) utilizando
electrones como partículas de bombardeo, y otra mediante un cambio brusco de dirección de las
partículas (método utilizado por una instalación de radiación sincrotrón) acelerando las partículas
con campos eléctricos y curvando su trayectoria con campos magnéticos.

8. Espero que las líneas del presente artículo os hayan servido para ampliar vuestros conocimientos
sobre el descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones. En el mundo de la física hemos visto
que han sido bastante relevantes debido a que cuentan con 7 premios nobeles de física, teniendo
en cuenta aparte de los expuestos el de 2002 de Giacconi por el descubrimiento de fuentes de
rayos X cósmicos y el de 1905 de Lenard por su trabajo con rayos catódicos. Pero el
descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones, no solo es preeminente en el ámbito de la física,
sino que también dio lugar a otros premios nobeles de química tan importantes como la
determinación de la doble hélice característica de las estructura del ADN. Hoy en día se emplea
los conocimientos de esta área para combatir y detectar la enfermedad del siglo XXI: “el cáncer”.
Con todo ello, podemos ver que la física es aplicable a todo lo que nos rodea y de carácter
multidisciplinar.
APENDICE TEMÁTICO
Tubo de rayos catódicos: Paso de corriente eléctrica a través de un gas enrarecido dentro de
varios tubos de vacío.
Fluorescencia: Propiedad que tienen algunas sustancias de reflejar luz con mayor longitud de
onda que la recibida, cuando están expuestas a ciertos rayos del espectro.
Contraste radiopaco: Es aquel que absorbe los rayos X.
Parámetro de red: hace referencia a la distancia constante de las celdas unitarias o “dimensión
de cada celda” con respecto a su estructura cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones
generalmente tienen tres parámetros de red, a, b y c. Sin embargo, en el caso especial de redes
cúbicas simples, todos los parámetros son iguales a=b=c, con lo cual nos referimos a ellos como
a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros a y b son iguales,
por lo que únicamente consideraremos a y c.
Distancia interplanar: es la distancia entre dos planos de átomos paralelos adyacentes con los
mismo índices de Miller.
Electrones secundarios: son los electrones arrancados de las capas más externas de los átomos.

9. REFERENCIAS
Panchbhai, A. S. (2015). Wilhelm Conrad Röntgen and the discovery of X-rays: Revisited after
centennial. Journal of Indian Academy of Oral Medicine and Radiology, 27(1), 90.
https://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=abdominct.
https://es.wikipedia.org/wiki/Angiograf%C3%ADa#Técnica.
Hill, R., Healy, B., Holloway, L., Kuncic, Z., Thwaites, D., & Baldock, C. (2014). Advances in
kilovoltage x-ray beam dosimetry. Physics in Medicine & Biology, 59(6), R183.
http://www.elementalanalysis.com/pixe.html.
The Nobel Prize in Physics.
COLABORACIONES
Ricardo Olivas Gonzalez, estudiante del grado en física de la UAM
Gabriel López Peña, estudiante del Master de Materiales Avanzados en Nanociencia y fotónica
de la UAM.