la fisica de los rayos x

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ACTA MEDICA DOMINICANA
MAYO-JlJN10
1986
LA FISICA DE LOS RAYOS X
Juan F. Evertsz
Profesor T.C. del Depto. de Física de la UniversidadNacional Pedro Henríquez Ureña (UNPHU)en Santo Domingo
Secretario General de la Sociedad Dominicana de Física, Inc. (SODOFI)
Este artículo trata de mostrar en forma simple el comportan1iento de los rayos X. El mismo está dirigido a estudiantes
de Medicina, así como a graduados y especialistasen Radiología u otra área afín con las radiaciones físicas.
GLOSARIO DE TERMINOS
1. REFLEXION: El rechazo que experimentan las ondas
o cuerpos elásticos al chocar con la superficie que limi.
ta a un medio.
2. REFRACCION: Cambio de dirección que experimentan las ondas o rayos al atravesar las superficies que sirven de límite a medios con distinta velocidad de propagación (la onda, etc.).
3. INTERFERENCIA: El estado que resulta de la superposición de varias ondas coherentes con una diferencia
de espacio constante. Casi siempre, el concepto de
interferencia se refiere a ondas de la misma longitud de
onda.
4. LONGITUD DE ONDA: La distancia entre dos puntos
consecutivos de igual fase de una onda.
5. FLUORESCENCIA:Es una situación especial del fenómeno de luminiscencia (fenómenos luminosos sin desarrollo término-Iuz-fría-), en el cual la fluorescencia
sólo dura lo que dura la excitación del sistema.
6. RADIOACTIVIDADNATURAL: La desintegraciónespontánea (desintegración nuclear) de los núcleos atómi.
cos (radionúclidos) con emisión de partículas alfa, electrones, positrones y radiación electromagnética (radiación nuclear).
7. RADIACION: Propagación de la energía en el espacio.
8. ELECTRONES TERMOIONICOS: Son los electrones
que son emitidos por calentamiento de un material
(por ejemplo, el cátodo).
9. CATODO: Electrodo negativo en los tubos de rayos
catódicos.
10. DIFERENCIA DE POTENCIAL: Es el voltaje que se
obtiene al aplicar una tensión eléctrica.
11. ENERGlA CINETICA (EK): Capacidadde realizar trabajo que posee un cuerpo de masa ~ y velocidad y.
12. FOTON: La porción más pequeña de energía de una
radiación electromagnética. Es considerado como una
partícula elemental.
13. CONSTANTEDE PLANCK:Magnitud de validez gen~
ral dada con la existencia de las cosas no reductible a
otra y siempre independiente de las condiciones de
experimentación. Tiene las cjimensiones de una "acción" (energía x tiempo). Su valor es 6.63 x 1027
ergio/seg.
14. FRECUENCIA: Número de oscilaciones por unidad de
tiempo.
15. ELECTRON-VOLTIO (eV): Unidad de energía empleada en física atómica; un electrón-voltio es la energía
cinética que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial de un voltio en el vacío.
16. TRANSICIONES: Pasar de un nivel energético a otro.
17. HUECOS: Es el espacio dejado por un electrón cuando
sale emitido de un nivel energético.
Como sabemos, los Rayos X fueron descubiertos en
noviembre de 1895, en forma accidental por WilhemRoentgen* yen su estudio sobre el comportamiento de éstos encontró las siguientes propiedades características de ellos:
1) Hay muchas substancias bastante transparentes a los
Rayos X.
2) Los Rayos X no pueden ser reflejadosl ni refractados2 y no muestran efectos de interferencia~ Estos
fenómenos estaban presentes pero eran demasiado
sutiles para que Roentgen los observara en aquel
tiempo.
3) Las placas fotográficas pueden ser veladas por los
Rayos X. Debido a esto, la técnica de radiografía
por Rayos X existe hoy día.
(*) La historia del descubrimiento de los Rayos X aparece normalmente en cualquier libro de física, libro de radiología como
también enJas enciclopedias; el lector interesado puede consultarlo para una ampliación de dicha historia.
Vol. 8, No. 3
LA FISICA
DE LOS RAYOS X, JUAN F. EVERTSZ
Mesade
cristal
Cámarade
ionizaci6n '",
111
Al circuito
registrador
-
+z
Electrón
incidente
/(.,
!
Núcleo pesado
esencialmente
en reposo
\
\
\
\
\
\
\
Rayos X de
Bremsstrahlung,.hll
/
(a)
/
,
'
",
-
'
K2
'_Q~
Electrón desviado por
el campo de Coulomb
del núcleo
rb)
FIG. 1. (a) Esquema del espectrómetro de cristal de Braggpara la investigacióndel espectro de los Rayos X.
(b) Bremsstrahlungproducida por la aceleración de un electrón en un campo coulombiano.
20
30
40
Voltaje del tubo (kV)
FIG. 2. (a) El espectro de rayos X de la plata muestra los espectros Bremsstrahlung y característico, y la dependencia del
límite de la longitud de onda más corta del potencial acelerador a través del tubo. (b) Simple relación lineal entre la frecuencia dE'rl'lrte máxima y el voltaje del tubo.
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ACTA MEDICA
4) Los Rayos X no pueden ser desviados (de su trayectoria) ni por campos eléctricos, ni por campos magnéticos. Esto se debe a que los Rayos X no poseen
cargas, son radiaciones electromagnéticas de muy
corta longitud de onda4 producidas por la colisión
de electrones de alta velocidad (la velocidad de dichos electrones es producida por la fuente de alto
voltaje del sistema de Rayos X) con las paredes del
tubo de cristal.**
5) Los cuerpos electrificados, positivoso negativos,son
descargados por los Rayos X.
6) Los Rayos X provocan fluorescencia5 en muchas
sustancias.
Es bueno hacer notar que el descubrimiento de los Rayos X abrió una nueva era en la física junto con el descubrimiento de la radioactividad natural6 (realizado por los esposos Curie) y las radiaciones7 que penetraban fácilmente en
la materia.
Presentamos para mayor claridad en la figura 1(a) un
moderno y típico tubo de Rayos X, en el cual los electrones
termoiónicos8 en el cátodo' son acelerados a altas velocidades a través de una diferenci~ de potencial10 (voltaje) y
después detenidos al chocar contra un blanco de metal.
Cuando estos electrones interaccionan con el campo coulombiano (campo electromagnético), como se ve en la figura 1(b), son desacelerados y la radiación producida es la
predicha por la teoría electromagnética clásica para una
carga acelerada.
A medida que el electrón incidente frena y pierde energía cinética,U la energía perdida es usada para crear un fotón12 con una energía dada por:
ENERGIA DEL FOTON = h
= EcI -
Ec2
donde h es la llamada constante de Planck:3
es la frecuencia14 y EcI Y Ec2 son las energías cinéticas del electrón
incidente y del electrón desviado respectivamente por el
campo de coulomb del núcleo.
La radiación producida por la aceleración producida de
una partícula cargada es la llamada "BREMSSTRAHLUNG"
(palabra alemana que significa "radiación por frenado").
El potencial acelerador (el voltaje) es del orden de varios miles de voltios (inclusive a veces de cientos de miles).
Pero cerca del 28% de la energía cedida por los electrones
cuando chocan con el blanco se transforman en "energía
calorífica".
Los electrones en un átomo están ordenados en capas
alrededor del núcleo (véase figura No. 3).
Los electrones más cercanos al núcleo, los más fuertemente ligados debido a las fuerzas electrom.agnéticas, están
(.*) Realmente al chocar los electrones con el tubo de cristal produce Rayos X de baja energ(a, por lo cual normalmente los
equipos de Rayos X tienen un metal (por ejemplo el cobre) el
cual es bombardeado por loselectrones y éstos a su vez emiten
Rayos X de alta energ(a.
DOMINICANA
MAYO-JUNIO
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N
Figura No. 3
en la capa K. Aquellos en la siguiente posición de mayor
enlace están en la capa L, y despuésen la capa M, luego en
la N, y así sucesivamente. Cuando electrones incidentes
altamente energéticos (miles de electrón voltios de energíal5) botan un electrón de la capa ", un electrón en la
capa L cede energía; entonces en la forma de "Rayos X"
cuando pasa a llenar la vacante dejada en la capa K. Esta
radiación, característica del material del blanco, se denomina línea K
. El electrón de la capa M que llena la vacante
en la capa K cede energía en la forma de otro "Rayo X"
llamado línea K(1. Estas transiciones16 de las capas L, M,
N, etc. a la capa K dan lugar a la serie de líneas Ko::,K(1,
K , etc. llamadas la serie K. Cuando los electrones incidentes desalojanelectrones de la capa L y los huecos17son llenados por electrones de las restantes capas M, N, O, estas
transiciones dan lugar a la serie L, la primera línea de la cual
es LO::.La nomenclatura de estas transiciones se ilustran en
la figura No. 4.
o
N
M
L
f
FIG.4. Transiciones electrónicas para las capas cercanas al
núcleo, que dan lugar a los espectros característicos de los
RayosX.
Vol. 8, No. 3
INICIO DE LAS RESPIRACIONES,
ROSALDA
A medida que aumenta el voltaje acelerador en el tubo
de Rayos X, los electrones incidentes producen un espectro
continuo de "radiación de frenado" (véase figura No. 2)
hasta que, a cierto voltaje "crítico", los electrones adquieren suficiente energía para desalojar electrones de las capas
interiores, o sea, de las capas K, L o M. Sólo cuando alcanzado el potencial "cr ítico" Vc será suficientemente energético los electrones incidentes para que ocurran las transiciones K. Así
DAMIANO
y GUSTAVO
ROJAS
LARA
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e-Vc ~ Ec
Donde e- es la carga del electrón, Vc el voltaje crítico y Ek
la energía necesaria para sacar o liberar un electrón de la
capa K de un átomo.
Para finalizar queremos informar que los Rayos X asociados con la serie K más energético son llamados "Rayos X
duros" y los asociados con las series menos energéticas L,
M, N, son llamados "Rayos X suaves o blandos". Los Rayos
X duros son indudablemente los más penetrantes.
MEDICINA AL DIA
INICIO DE LAS RESPIRACIONES
Y PNEUMOTORAX
NEONA TAL
Dra. Rosalda Damiano
Pediatra del Hospital Ramón de Lara, BaseAérea de San Isidro, Fuerza Aérea Dominicana, Distrito Nacional.
Dr. Gustavo Rojas Lara
Médico egresadode la UniversidadNacional Pedro Henríquez Ureña (UNPHU), Santo Domingo
PRIMERASRESPIRACIONES
Las primeras respiraciones consisten en la eliminación
del líquido pulmonar y su reemplazo por aire. En el paso
del tórax a través del canal de parto las costillasestán muy
deprimidas y la presión intratorácica que se desarrolla es de
unos 60-100 cm. de agua, suficiente para eliminar unos
5-10 cm. de líquido traqueal a través de la boca y nariz a
medida que el niño asoma la cabeza durante el parto.
Luego el tórax vuelve a su posición anterior tratando
de arrastrar la mayor cantidad de aire posible hacia los pulmones.
Sin embargo, existen fuerzas que resisten hacia una
buena expansión pulmonar como son:
1. La viscosidaddel fluido pulmonar. Ya que el líquido
pulmonar es unas 100 veces más viscosoque el aire.
2. Resistencia del tejido pulmonar.
3. La tensión superficial, que se establece en la interfase aire-Iíquido.
Durante el paso del tórax por el canal del parto se elimina una parte del líquido existente en las vías respiratorias principales.
En cuanto a la tensión superficial, sabemos que es mayor en los árboles bronquiales pequeños; por lo tanto es
necesario una mayor presión intraluminal para prevenir el
colapso. Existiendo una relación inversamente proporcional.
Si no existiera la interfase aire-Iíquido en las vías respiratorias pequeñas, la expansión pulmonar podría realizarse
a presiones transpulmonares pequeñas. Resumiendo diremos que la curva de entrada de aire (Curva de Inflación) requiere una mayor presión para vencer la fuerza de tensión
superficial, pero que la curva de salida de aire (Curva de
Deflación) ya sea de aire o líquido son idénticas (Fig. 1).
FROGS BREATH: Son descritas por Clement Smith
en su libro "The Physiologyof the Newborn Infant" (Fisiología del Recién Nacido). En el intervalo entre la expansión
pulmonar y la primera respiración hay las llamadas Frogs
Breath o respiración de rana y que no es más que el paso del
aire de la faringe a la tráquea, y reciben este nombre porque
se parecen a la respiración glosofaríngea de estos batracios.
Una vez aireado el pulmón, la presión transpulmonar
máxima que puede generarse es de unos 30 cm. de agua.
Lo que hemos mencionado hasta ahora, son hechos_