Contenido
- Rayos X como ondas
- Rayos X como partículas
- Usando energía de rayos X
- Rayos X en aplicaciones prácticas
- Rayos X en medicina
- Historia de rayos X: inicio
- Historial de rayos X: propagación
- Efectos negativos sobre la salud de rayos X
- Seguridad de rayos X
- Rayos X en el ADN
La fórmula general para la energía de un solo fotón de una onda electromagnética, como una radiografía, viene dada por Ecuación de Plancks: E = hν, en que energía mi en julios es igual al producto de la constante de Plancks h (6.626 × 10 −34 Js) y la frecuencia ν (pronunciado "nu") en unidades de s_-1_. Para una frecuencia dada de una onda electromagnética, puede calcular la energía de rayos X asociada para un solo fotón utilizando esta ecuación. Se aplica a todas las formas de radiación electromagnética, incluida la luz visible, los rayos gamma y los rayos X.
La ecuación de Plancks depende de las propiedades ondulantes de la luz. Si imagina la luz como una onda como se muestra en el diagrama de arriba, puede imaginar que tenga una amplitud, frecuencia y longitud de onda tal como podría tener una ola oceánica o una onda de sonido. La amplitud mide la altura de una cresta como se muestra y generalmente corresponde al brillo o la intensidad de la onda, y la longitud de onda mide la distancia horizontal que cubre un ciclo completo de la onda. La frecuencia es el número de longitudes de onda completas que pasan por un punto dado cada segundo.
Rayos X como ondas
••• Syed Hussain AtherComo parte del espectro electromagnético, puede determinar la frecuencia o la longitud de onda de una radiografía cuando conoce una u otra. Similar a la ecuación de Plancks, esta frecuencia ν de una onda electromagnética se relaciona con la velocidad de la luz C, 3 x 10-8 m / s, con la ecuación c = λν en el que λ es la longitud de onda de la onda. La velocidad de la luz permanece constante en todas las situaciones y ejemplos, por lo que esta ecuación demuestra cómo la frecuencia y la longitud de onda de una onda electromagnética son inversamente proporcionales entre sí.
En el diagrama anterior, se muestran las diferentes longitudes de onda de diferentes tipos de ondas. Los rayos X se encuentran entre los rayos ultravioleta (UV) y gamma en el espectro, por lo que las propiedades de rayos X de la longitud de onda y la frecuencia se encuentran entre ellos.
Las longitudes de onda más cortas indican una mayor energía y frecuencia que pueden presentar riesgos para la salud humana. Los protectores solares que bloquean los rayos UV y las capas protectoras y escudos de plomo que impiden que los rayos X entren en la piel demuestran este poder. Afortunadamente, los rayos gamma del espacio exterior son absorbidos por la atmósfera terrestre, evitando que dañen a las personas.
Finalmente, la frecuencia puede estar relacionada con el período T en segundos con la ecuación T = 1 / f. Estas propiedades de rayos X también pueden aplicarse a otras formas de radiación electromagnética. La radiación de rayos X en particular muestra estas propiedades ondulatorias, pero también las de partículas.
Rayos X como partículas
Además de los comportamientos en forma de onda, los rayos X se comportan como una corriente de partículas como si una sola onda de rayos X consistiera en una partícula tras otra colisionando con objetos y, al colisionar, absorber, reflejar o pasar.
Debido a que la ecuación de Plancks usa energía en forma de fotones individuales, los científicos dicen que las ondas electromagnéticas de luz se "cuantizan" en estos "paquetes" de energía. Están hechos de cantidades específicas de fotones que transportan cantidades discretas de energía llamadas cuantos. A medida que los átomos absorben o emiten fotones, ellos, respectivamente, aumentan su energía o la pierden. Esta energía puede tomar la forma de radiación electromagnética.
En 1923, el físico estadounidense William Duane explicó cómo los rayos X difractarían en los cristales a través de estos comportamientos similares a partículas. Duane utilizó la transferencia cuantificada de momento de la estructura geométrica del cristal difractante para explicar cómo se comportarían las diferentes ondas de rayos X al pasar a través del material.
Los rayos X, como otras formas de radiación electromagnética, exhiben esta dualidad onda-partícula que permite a los científicos describir su comportamiento como si fueran partículas y ondas simultáneamente. Fluyen como ondas con una longitud de onda y frecuencia mientras emiten cantidades de partículas como si fueran haces de partículas.
Usando energía de rayos X
El nombre del físico alemán Maxwell Planck, la ecuación de Plancks dicta que la luz se comporta de esta manera ondulada, la luz también muestra propiedades similares a las partículas. Esta dualidad onda-partícula de luz significa que, aunque la energía de la luz depende de su frecuencia, todavía viene en cantidades discretas de energía dictadas por los fotones.
Cuando los fotones de los rayos X entran en contacto con diferentes materiales, algunos de ellos son absorbidos por el material mientras que otros pasan. Los rayos X que pasan permiten a los médicos crear imágenes internas del cuerpo humano.
Rayos X en aplicaciones prácticas
La medicina, la industria y diversas áreas de investigación a través de la física y la química usan los rayos X de diferentes maneras. Los investigadores de imágenes médicas usan rayos X para crear diagnósticos para tratar afecciones dentro del cuerpo humano. La radioterapia tiene aplicaciones en el tratamiento del cáncer.
Los ingenieros industriales usan rayos X para garantizar que los metales y otros materiales tengan las propiedades apropiadas necesarias para propósitos tales como identificar grietas en edificios o crear estructuras que puedan soportar grandes cantidades de presión.
La investigación sobre rayos X en las instalaciones de sincrotrón permite a las empresas fabricar instrumentos científicos utilizados en espectroscopía e imágenes.Estos sincrotrones usan imanes grandes para doblar la luz y obligar a los fotones a tomar trayectorias onduladas Cuando los rayos X se aceleran con movimientos circulares en estas instalaciones, su radiación se polariza linealmente para producir grandes cantidades de energía. La máquina luego redirige los rayos X hacia otros aceleradores e instalaciones para la investigación.
Rayos X en medicina
Las aplicaciones de los rayos X en medicina crearon métodos de tratamiento completamente nuevos e innovadores. Las radiografías se convirtieron en parte integral del proceso de identificación de síntomas dentro del cuerpo a través de su naturaleza no invasiva que les permitiría diagnosticar sin la necesidad de ingresar físicamente al cuerpo. Las radiografías también tenían la ventaja de guiar a los médicos a medida que insertaban, retiraban o modificaban dispositivos médicos dentro de los pacientes.
Hay tres tipos principales de imágenes de rayos X utilizados en medicina. El primero, la radiografía, toma imágenes del sistema esquelético con solo pequeñas cantidades de radiación. El segundo, la fluoroscopia, permite a los profesionales ver el estado interno de un paciente en tiempo real. Los investigadores médicos han utilizado esto para alimentar a los pacientes con bario para observar el funcionamiento de su tracto digestivo y diagnosticar enfermedades y trastornos esofágicos.
Finalmente, la tomografía computarizada permite a los pacientes acostarse debajo de un escáner en forma de anillo para crear una imagen tridimensional de los órganos y estructuras internas del paciente. Las imágenes tridimensionales se agregan juntas de muchas imágenes transversales tomadas del cuerpo del paciente.
Historia de rayos X: inicio
El ingeniero mecánico alemán Wilhelm Conrad Roentgen descubrió rayos X mientras trabajaba con tubos de rayos catódicos, un dispositivo que disparaba electrones para producir imágenes. El tubo utilizaba una envoltura de vidrio que protegía los electrodos en el vacío dentro del tubo. Al introducir corrientes eléctricas a través del tubo, Roentgen observó cómo se emitían diferentes ondas electromagnéticas desde el dispositivo.
Cuando Roentgen usó un papel negro grueso para proteger el tubo, descubrió que el tubo emitía una luz verde fluorescente, una radiografía, que podía pasar a través del papel y energizar otros materiales. Descubrió que, cuando los electrones cargados de una cierta cantidad de energía chocaban con el material, se producían rayos X.
Al nombrarlos "rayos X", Roentgen esperaba capturar su naturaleza misteriosa y desconocida. Roentgen descubrió que podía pasar a través del tejido humano, pero no a través del hueso ni el metal. A fines de 1895, el ingeniero creó una imagen de la mano de su esposa usando los rayos X, así como una imagen de pesas en una caja, una hazaña notable en la historia de los rayos X.
Historial de rayos X: propagación
Pronto, los científicos e ingenieros se sintieron atraídos por la misteriosa naturaleza de los rayos X y comenzaron a explorar las posibilidades para su uso. El roentgen (R) se convertiría en una unidad de medición de la exposición a la radiación ya desaparecida que se definiría como la cantidad de exposición necesaria para hacer una sola unidad positiva y negativa de carga electrostática para aire seco.
Al producir imágenes de las estructuras internas del esqueleto y los órganos de los humanos y otras criaturas, los cirujanos y los investigadores médicos crearon técnicas innovadoras para comprender el cuerpo humano o averiguar dónde se encontraban las balas en los soldados heridos.
Para 1896, los científicos ya estaban aplicando las técnicas para descubrir qué tipos de materia podían atravesar los rayos X. Desafortunadamente, los tubos que producen rayos X se descompondrían bajo las grandes cantidades de voltaje necesarias para fines industriales hasta que los tubos Coolidge de 1913 del físico-ingeniero estadounidense William D. Coolidge usaron un filamento de tungsteno para una visualización más precisa en el campo recién nacido de radiología. El trabajo de Coolidges conectaría firmemente los tubos de rayos X en la investigación física.
El trabajo industrial despegó con la producción de bombillas, lámparas fluorescentes y tubos de vacío. Las plantas de fabricación produjeron radiografías, imágenes de rayos X, de tubos de acero para verificar sus estructuras internas y su composición. En la década de 1930, General Electric Company había producido un millón de generadores de rayos X para radiografía industrial. La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos comenzó a usar rayos X para fusionar recipientes a presión soldados.
Efectos negativos sobre la salud de rayos X
Dada la cantidad de energía que contienen los rayos X con sus longitudes de onda cortas y altas frecuencias, a medida que la sociedad adopta los rayos X en diversos campos y disciplinas, la exposición a los rayos X podría causar irritación en los ojos, insuficiencia orgánica y quemaduras en la piel, a veces incluso resultando en la pérdida de extremidades y vidas. Estas longitudes de onda del espectro electromagnético podrían romper enlaces químicos que causarían mutaciones en el ADN o cambios en la estructura molecular o la función celular en los tejidos vivos.
Investigaciones más recientes sobre rayos X han demostrado que estas mutaciones y aberraciones químicas pueden causar cáncer, y los científicos estiman que el 0,4% de los cánceres en los Estados Unidos son causados por tomografías computarizadas. A medida que la popularidad de los rayos X aumentó, los investigadores comenzaron a recomendar niveles de dosis de rayos X que se consideraban seguros.
A medida que la sociedad abrazó el poder de los rayos X, los médicos, científicos y otros profesionales comenzaron a expresar sus preocupaciones sobre los efectos negativos para la salud de los rayos X. A medida que los investigadores observaron cómo los rayos X atravesarían el cuerpo sin prestar mucha atención a cómo las ondas apuntaban específicamente a áreas del cuerpo, tenían pocas razones para creer que los rayos X podrían ser peligrosos.
Seguridad de rayos X
A pesar de las implicaciones negativas de las tecnologías de rayos X en la salud humana, sus efectos pueden controlarse y mantenerse para evitar daños o riesgos innecesarios. Si bien el cáncer afecta naturalmente a 1 de cada 5 estadounidenses, una tomografía computarizada generalmente aumenta el riesgo de cáncer en un 0,05 por ciento, y algunos investigadores argumentan que la baja exposición a los rayos X ni siquiera contribuye al riesgo de cáncer de las personas.
El cuerpo humano incluso tiene formas integradas de reparar el daño causado por las bajas dosis de rayos X, según un estudio en el American Journal of Clinical Oncology, lo que sugiere que los escáneres de rayos X no representan ningún riesgo significativo en absoluto.
Los niños tienen un mayor riesgo de cáncer cerebral y leucemia cuando se exponen a rayos X. Por esta razón, cuando un niño puede requerir un escáner de rayos X, los médicos y otros profesionales discuten los riesgos con los tutores de la familia del niño para dar su consentimiento.
Rayos X en el ADN
La exposición a altas cantidades de rayos X puede provocar vómitos, sangrado, desmayos, pérdida de cabello y pérdida de piel. Pueden causar mutaciones en el ADN porque tienen la energía suficiente para romper los enlaces entre las moléculas de ADN.
Todavía es difícil determinar si las mutaciones en el ADN se deben a la radiación de rayos X o mutaciones aleatorias del ADN en sí. Los científicos pueden estudiar la naturaleza de las mutaciones, incluida su probabilidad, etiología y frecuencia para determinar si las roturas de doble cadena en el ADN fueron el resultado de la radiación de rayos X o las mutaciones aleatorias del ADN.