1.2: Rayos X
- Page ID
- 77858
¡Un resultado inesperado! Descubrimiento de radiografías en 1895.
(Ilustración de Alejandro Martínez de Andrés, CSIC 2014)
A finales del siglo XIX, en 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), científico alemán de la Universidad de Würzburg, descubrió una forma de radiación (de naturaleza desconocida en ese momento, y de ahí el nombre de rayos X) que tenía la propiedad de cuerpos opacos penetrantes. En el primer párrafo de su comunicación enviada a la Sociedad de Física y Medicina de Wurzburg (1895) reporta el descubrimiento de la siguiente manera:
Después de producir una descarga eléctrica con una bobina de Ruhmkorff a través de un tubo de vacío de Hittorf, o un Lenard suficientemente evacuado, Crookes o aparatos similares, cubiertos con una chaqueta bastante ajustada hecha de cartón delgado y negro, se ve que una lámina de cartón recubierta con una capa de platino y cianuro de bario, ubicada en las inmediaciones del aparato, se ilumina brillantemente en la habitación completamente oscurecida independientemente de si el lado recubierto apunta o no al tubo. Esta fluorescencia se produce hasta 2 metros de distancia del aparato. Se puede convencer fácilmente de que la causa de la fluorescencia procede del aparato de descarga y no de ninguna otra fuente de la línea.
Para conocer algunos aspectos del descubrimiento, así como sobre aspectos personales de Röntgen, véase también el capítulo dedicado a algunos esquemas biográficos. Pero si puedes leer español, hay un extenso capítulo dedicado tanto a los detalles históricos alrededor de Röntgen como a su descubrimiento.
- Izquierda: Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), alrededor de 1895 con una fotografía de rayos X de la mano de su esposa mostrando su anillo de bodas. Por su descubrimiento, Röntgen ganó el Premio Nobel de Física en 1901.
- Derecha: Equipo típico de radiología hospitalaria
Los rayos X son invisibles a nuestros ojos pero pueden producir imágenes visibles si utilizamos placas fotográficas o detectores especiales...
Izquierda: Imagen radiográfica de una mano
Derecha: Imagen radiográfica de un mono
Izquierda: Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha
Derecha : Soldadura mal hecha (línea negra)
Una pintura y su fotografía de rayos X que muestran dos pinturas superpuestas sobre un mismo lienzo
(Carlos II de España, de Carreño de Miranda, Museo del Prado, Madrid)
Todos conocemos varias aplicaciones de los rayos X en el campo médico: la angiografía (el estudio de los vasos sanguíneos) o las llamadas tomografías computarizadas, pero también se ha extendido el uso de rayos X para detectar fallas en metales o para el análisis de pinturas.
Pasaron muchos años desde el descubrimiento de los rayos X en 1895 hasta que ese hallazgo produjo una revolución en los campos de la Física, la Química y la Biología. Las posibles aplicaciones en estas áreas vinieron en 1912 indirectamente de la mano de Max von Laue (1879-1960), profesor de las Universidades de Munich, Zurich, Frankfurt, Würzburg y finalmente Berlín.
Paul Peter Ewald (1888-1985) consiguió que su amigo, Max Laue, se interesara por sus propios experimentos sobre la interferencia entre radiaciones con grandes longitudes de onda (luz prácticamente visible) en un modelo “cristalino” basado en resonadores (nótese que en ese momento la pregunta sobre onda-partícula la dualidad también estaba en discusión). Entonces se le ocurrió a Laue la idea de que los rayos electromagnéticos mucho más cortos, que se suponía que serían los rayos X, provocarían algún tipo de fenómenos de difracción o interferencia en un medio, y que un cristal pudiera proporcionar este medio.
Izquierda: Max von Laue (1879-1960)
Derecha: Paul. P. Ewald (1888-1985)
Max von Laue demostró la naturaleza de esta nueva radiación poniendo cristales de sulfato de cobre, y del mineral blenda de zinc, frente a una fuente de rayos X, obteniendo confirmación de su hipótesis y demostrando tanto, la naturaleza ondulatoria de esta radiación como la periódica naturaleza de los cristales. Por estos hallazgos recibió el Premio Nobel de Física en 1914.
Izquierda: William H. Bragg (1862-1942)
Derecha: William L. Bragg (1890-1971)
Sin embargo, los que realmente se beneficiaron del descubrimiento de los alemanes fueron los británicos Braggs (padre e hijo), William H. Bragg (1862-1942) y William L. Bragg (1890-1971), quienes juntos en 1915 recibieron el Premio Nobel de Física por demostrar el utilidad del fenómeno descubierto por von Laue para obtener la estructura interna de los cristales - pero todo esto será objeto de capítulos posteriores.
Este capítulo tratará exclusivamente de la naturaleza y producción de los rayos X...
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, de la misma naturaleza que las radiaciones de luz visible, ultravioleta o infrarroja, y lo único que los distingue de otras radiaciones electromagnéticas es su longitud de onda, que es de aproximadamente 10 -10 m (equivalente a la unidad de longitud conocida como un Angstrom).
Representación gráfica de una onda electromagnética, mostrando sus campos eléctricos (E) y magnéticos (H) asociados, avanzando a la velocidad de la luz.
El espectro continuo de luz visible (la longitud de onda disminuye de rojo a violeta)
Excelente información sobre el espectro electromagnético se puede encontrar en algunas páginas que ofrece la NASA. El lector también puede aprender sobre los rayos X y sus aplicaciones en Radiografía Médica y en las páginas de The X-Ray Century.
ν (Hz) λ (m) = 3 10 8 m Hz
E (J) = h (J/Hz) ν (Hz) = k (J/K molécula) T (K)
h = 6.6 10 -34 (J/Hz); k = 1.4 10 -23 (J/K molécula); 1 eV = 1.6 10 -19 (J)
Figura tomada del laboratorio de Berkeley
Los rayos X más interesantes para Cristalografía son aquellos que tienen una longitud de onda cercana a 1 Angstrom (los rayos X duros en el diagrama anterior), que es una distancia muy cercana a las distancias interatómicas que ocurren en moléculas y cristales. Este tipo de rayos X tienen una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz (tera-hercios) y a una energía de 12.4 keV (kilo-electrón-voltios), lo que a su vez correspondería a una temperatura de alrededor de 144 millones de grados centígrados. Estas longitudes de onda se producen en laboratorios de Cristalografía y en grandes sincrotrones como ESRF, ALBA, Diamond, DESY,...
Generador de rayos X en un laboratorio de Cristalografía. Los sistemas goniométricos y de detección se muestran detrás del tubo de rayos X.
Fotografía aérea del sincrotrón en el ESRF en Grenoble (Francia). Tenga en cuenta su geometría circular
Tubos de rayos X convencionales utilizados para estudios cristalográficos durante el siglo XX
Croquis estáticos y animación de la producción de rayos X en un tubo de rayos X convencional
Esos 50 kV se suministran como una diferencia de potencial (alta tensión) entre un filamento incandescente (a través del cual pasa una corriente eléctrica de baja tensión de intensidad i: alrededor de 5 A a 12 V) y un metal puro (generalmente cobre o molibdeno). Esto produce una corriente eléctrica (de electrones libres) entre ellos de aproximadamente 30 mA. Del filamento incandescente (cargado negativamente) los electrones libres saltan al ánodo (cargados positivamente) provocando (en el metal puro) una reorganización en sus niveles de energía electrónica.
Este es un proceso que genera mucho calor, por lo que los tubos de rayos X deben estar muy bien refrigerados. Una alternativa a los tubos de rayos X convencionales son los generadores de ánodo giratorios, en los que el ánodo en forma de cilindro se mantiene en una rotación continua, de manera que la incidencia de electrones se distribuye sobre su superficie cilíndrica y así puede ser una mayor potencia obtenidos.
Izquierda: Generador de ánodo giratorio
Derecha: Ánodo giratorio de cobre pulido (imágenes tomadas de Bruker-AXS)
Los llamados “rayos X característicos” se producen de acuerdo con el siguiente esquema:
a) Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un electrón del filamento. b) Estado energético de los mismos electrones después del impacto con el electrón del filamento. El electrón incidente rebota y expulsa un electrón del ánodo, produciendo el orificio correspondiente. c) Un electrón de mayor nivel de energía cae y ocupa el agujero. Este salto de energía, perfectamente definido, genera los llamados rayos X característicos del material anódico.
Izquierda: En un tubo de rayos X los electrones emitidos desde el cátodo son acelerados hacia el ánodo objetivo metálico por un voltaje de aceleración de típicamente 50 kV. Los electrones de alta energía interactúan con los átomos en el objetivo metálico. A veces el electrón se acerca mucho a un núcleo en el objetivo y se desvía por la interacción electromagnética. En este proceso, que se llama bremsstrahlung (radiación de frenado), el electrón pierde mucha energía y se emite un fotón (rayos X). La energía del fotón emitido puede tomar cualquier valor hasta un máximo correspondiente a la energía del electrón incidente.
Derecha: El electrón de alta energía también puede provocar el desplazamiento de un electrón cercano al núcleo en un átomo metálico. Esta vacante es llenada por un electrón más alejado del núcleo. La diferencia bien definida en la energía de unión, característica del material, se emite como un fotón monoenergético. Cuando se detecta este fotón de rayos X da lugar a una línea de rayos X característica en el espectro de energía. Animaciones tomadas de NobelPrize.org.
Aparte de los desarrollos realizados en las nuevas fuentes de sincrotrón, aún existen varios intentos de optimizar la eficiencia y potencia de las fuentes de rayos X “internas”, como las basadas en la tecnología de microfoco, es decir, fuentes de alto brillo que además utilizan ópticas muy estables montadas en el tubo vivienda, o aquellas basadas en el uso de un metal líquido como ánodo...
Izquierda: Nuevo tubo de rayos X de microfoco. Imagen tomada de [1]Incoatec
Derecha: Nuevo desarrollo para una fuente de rayos X basada en ánodos de metal líquido.
Tomado de Excillum. Hay una animación que muestra esta tecnología
La restauración energética del electrón anódico excitado se lleva a cabo con una emisión de rayos X con una frecuencia que corresponde exactamente a la brecha de energía específica (cuántica) que el electrón necesita para regresar a su estado inicial. Por lo tanto, estos rayos X muestran una longitud de onda específica y se conocen como longitudes de onda características del ánodo. Las longitudes de onda características más importantes en la Cristalografía de Rayos X son las llamadas líneas K-alfa (Kα), producidas por los electrones que caen a la capa más interna del átomo (mayor energía de unión). Sin embargo, además de estas longitudes de onda específicas, también se produce un rango continuo de longitudes de onda, muy cerca entre sí, conocido como la radiación continua que se debe al frenado de los electrones incidentes cuando golpean el blanco metálico.
Distribución de longitudes de onda de rayos X producidas en un tubo de rayos X convencional donde el material del ánodo es cobre (Cu), molibdeno (Mo), cromo (Cr) o tungsteno (W). Sobre el denominado espectro continuo, se muestran las líneas características K-alfa (Kα) y K-beta (Kβ). El punto de partida del espectro continuo aparece a una longitud de onda que es aproximadamente 12.4/V, (Angstrom) donde V representa la cantidad de kV entre ánodo y filamento. Para un voltaje dado entre el ánodo y el filamento, solo se obtienen las longitudes de onda características del molibdeno (figura a la izquierda).
En los sincrotrones, la generación de rayos X es bastante diferente. Una instalación de sincrotrón contiene un anillo grande (del orden de los kilómetros), donde los electrones se mueven a una velocidad muy alta en canales rectos que ocasionalmente se rompen para coincidir con la curvatura del anillo. Estos electrones están hechos para cambiar de dirección para ir de un canal a otro utilizando campos magnéticos de alta energía. Es en este momento, cuando los electrones cambian de dirección, que los electrones emiten una radiación de muy alta energía conocida como radiación de sincrotrón. Esta radiación está compuesta por un continuo de longitudes de onda que van desde microondas hasta los llamados rayos X duros.
La apariencia de los sincrotrones es muy similar a la que se muestra en los siguientes esquemas:
Un esquema de sincrotrón. El acelerador lineal (Linac) y el acelerador circular (Booster) se ven en el centro, rodeados por el anillo de almacenamiento exterior. Los rayos X emitidos se dirigen a las líneas de haz.
Izquierda: Croquis general de un sincrotrón. El círculo central es donde se aceleran las partículas cargadas (linac y booster). El círculo exterior es el anillo de almacenamiento, formado por líneas torcidas, al final del cual se instalan las estaciones experimentales.
Derecha: Contorno de la unión de dos líneas torcidas del anillo de almacenamiento de un sincrotrón. Aparecen rayos X debido al cambio de dirección de las partículas cargadas.
El lector interesado puede acceder a una demostración sobre el funcionamiento de un anillo de sincrotrón a través de este enlace, o ver la misma animación en un tamaño mayor a través de este otro enlace.
Esquema del punto entre dos segmentos rectos en el anillo de almacenamiento de un sincrotrón. Imagen tomada de la ESRF
Detalles de cómo se producen los rayos X en un sincrotrón en la curvatura de la trayectoria de los electrones dentro del anillo de almacenamiento. Imagen tomada de la ESRF
Los rayos X obtenidos en los sincrotrones tienen dos claras ventajas para la cristalografía:
- las longitudes de onda se pueden sintonizar a voluntad, y
- su brillo es al menos 10 21 veces mayor que los obtenidos con un tubo de rayos X convencional (ver la imagen de abajo).
Aquí puede encontrar una lista de sincrotrones y anillos de almacenamiento utilizados como fuentes de radiación de sincrotrón , y láseres de electrones libres en todo el mundo.
El brillo de las fuentes de rayos X: tubos de rayos X convencionales, sincrotrones y el futuro XFEL. Imagen tomada de la ESRF.
La siguiente imagen muestra un esquema de una estación experimental de un sincrotrón: a) la conejera óptica, donde se filtran y enfocan los rayos X mediante espejos curvos y monocromadores; b) la conejera experimental, donde se ubican el goniómetro, la muestra y el detector y donde se realiza el experimento de difracción y, c) la cabina de control, donde se monitorea el experimento y, en su caso, también se evalúa.
Esquema de una estación experimental en un sincrotrón
Lightsources.org contiene noticias y aspectos científicos destacados de cada instalación de fuentes de luz, así como fotos y videos, recursos educativos y de divulgación, un calendario de conferencias y eventos e información sobre oportunidades de financiamiento.
La radiación utilizada para la cristalografía suele ser monocromática (o casi monocromática), es decir, una radiación con exclusiva (o casi exclusivamente) una sola longitud de onda. Para lograrlo, se utilizan los llamados monocromadores, los cuales consisten en un sistema de cristales que, con base en la Ley de Bragg (que se presentará en otro capítulo), son capaces de “filtrar” (a través de la interacción entre los cristales y los rayos X) la radiación policromática , permitiendo solo una longitud de onda (color), como se muestra a continuación.
Esquema de un monocromador. La radiación policromática (blanca) procedente de la izquierda (abajo) se “refleja”, de acuerdo con la Ley de Bragg , (para verse en el capítulo posterior), en diferentes orientaciones del cristal para producir (“filtrar”) una radiación monocromática que se refleja de nuevo (“filtrado”) en el cristal secundario. Por el momento basta con que el lector esté consciente de que esta ley nos permitirá entender cómo los cristales “reflejan” los rayos X, comportándose como espejos especiales. Imagen tomada de la ESRF.
Los rayos X interactúan con los electrones de la materia... Un haz monocromático (es decir, con una sola longitud de onda) sufre una atenuación excepcional, proporcional al grosor que se cruza. Esta atenuación puede surgir de varios factores: a) el cuerpo se calienta, b) se produce una radiación fluorescente, con diferente longitud de onda, y acompañada de fotoelectrones, siendo ambos característicos del material (esto lleva a la foto- espectroscopias electrónicas, Auger y PES); y c) rayos X dispersos con la misma longitud de onda (coherente y Bragg) o con longitudes de onda ligeramente más altas (Compton), junto con los electrones dispersos.
De todos estos efectos, el más importante es la fluorescencia, donde la absorción aumenta al aumentar la longitud de onda incidente. Sin embargo, este comportamiento tiene discontinuidades (dispersión anómala) para aquellas energías que corresponden a transiciones electrónicas entre diferentes niveles de energía del material (esto conduce a la espectroscopia EXAFS).
Espectro emitido por un ánodo metálico mostrando sus longitudes de onda características (línea continua). En la misma figura, pero referido a un eje vertical de absorbancia (no dibujado) también se muestra la variación creciente y discontinua de la absorción (línea discontinua) de un material dado. Esto da una idea del uso de esta propiedad como filtro para obtener radiación monocromática, al menos separando el doble Kα1 - Kα2 del resto del espectro. Este enfoque, utilizando materiales de concreto con capacidades de absorción específicas, se utilizó en los laboratorios de Cristalografía hasta principios de la década de 1970 para obtener radiación monocromática.
Mención especial merece el reciente descubrimiento introducido en el campo de la nanocristalografía de proteínas de rayos X de femtosegundos. Mediante esta técnica (XFEL: X ray F ree E lectron L aser), basada en el uso de rayos X obtenidos de un láser de electrones libres, se pueden obtener “instantáneas” de difracción de rayos X en la escala de femtosegundos. Se ha propuesto que los pulsos de rayos X de femtosegundos pueden ser utilizados para superar incluso los procesos de daño más rápidos mediante el uso de pulsos individuales tan breves que terminan antes de la manifestación de daño a la muestra en menos tiempo del necesario para ser dañado por la radiación de los cristalitos. Esto implicará un paso gigante para eliminar prácticamente todas las dificultades en el proceso de cristalización, especialmente para las proteínas (ver estos artículos: Nature (2011) 470, 73-77, Nature (2013) y Nature (2014)). En este sentido, también cabe citar el artículo publicado en Radiation Physics and Chemistry (2004) 71, 905-916, que ya alertaba sobre la importancia futura del láser de electrones libres en la biología estructural.
El XFEL europeo genera destellos de rayos X ultracortos, 27,000 veces por segundo y con un brillo que es mil millones de veces mayor que el de las mejores fuentes de radiación de rayos X convencionales. Gracias a sus características sobresalientes, únicas a nivel mundial, la instalación abre oportunidades de investigación completamente nuevas para científicos y usuarios industriales. Podría ser interesante mirar el video ofrecido en el sitio web del consorcio internacional, o directamente a través de este enlace.
En cuanto al uso de estas poderosas fuentes de rayos X para determinar la estructura de macromoléculas biológicas, los lectores interesados deben considerar los resultados muy prometedores publicados en Nature (2016) 530, 202-206. Este estudio brinda la oportunidad de utilizar no solo la información contenida en los puntos de difracción generados por los cristales, sino también en la distribución de intensidad muy débil que se encuentra alrededor y entre los puntos de difracción, la llamada difracción continua.
Con los rayos X de láseres de electrones libres, las aplicaciones cristalográficas se extienden a nanocristales, e incluso a objetos biológicos no cristalinos individuales e incluso películas de biomoléculas en acción se pueden producir.
Para generar los destellos de rayos X, primero se acelerarán manojos de electrones a altas energías y luego se dirigirán a través de arreglos especiales de imanes (onduladores). En el proceso, las partículas emitirán radiación que se amplifica cada vez más hasta que finalmente se cree un flash de rayos X extremadamente corto e intenso.
Recientemente, la modificación que implica reemplazar los llamados onduladores de material (imanes) por un nuevo dispositivo óptico también basado en tecnología láser, reduce drásticamente el tamaño del XFEL en aproximadamente 10,000 veces y el tamaño del acelerador en 100 veces, lo que lleva a una increíble reducción de tamaño y precio del llamado CXFEL (láser compacto de electrones libres de rayos X).
En cualquier caso, los rayos X, como cualquier luz “iluminan” y “dejan ver”, pero de una manera diferente a la que vemos con nuestros ojos. Te animamos a que sigas adelante, a entender cómo los rayos X nos permiten “ver” dentro de los cristales, es decir, “ver” los átomos y las moléculas.