Producción de rayos X

Hay tres mecanismos comunes para la producción de rayos X: la aceleración de una partícula cargada, las transiciones atómicas entre niveles de energía discretos y la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos. Cada mecanismo da lugar a un espectro característico de radiación de rayos X.

En la teoría del electromagnetismo clásico, las cargas eléctricas en aceleración emiten ondas electromagnéticas. En la fuente terrestre más común de rayos X, el tubo de rayos X, un haz de electrones de alta energía incide sobre un blanco sólido. A medida que los electrones que se mueven rápidamente en el haz interactúan con los electrones y los núcleos de los átomos del blanco, se desvían y desaceleran repetidamente. Durante esta brusca desaceleración, los electrones del haz emiten bremsstrahlung (en alemán: «radiación de frenado»), un espectro continuo de radiación electromagnética con un pico de intensidad en la región de los rayos X. La mayor parte de la energía radiada en un tubo de rayos X está contenida en este espectro continuo. Fuentes mucho más potentes (y mucho más grandes) de un espectro continuo de rayos X son los aceleradores de partículas de sincrotrón y los anillos de almacenamiento. En un sincrotrón, las partículas cargadas (normalmente electrones o positrones) se aceleran hasta alcanzar energías muy altas (normalmente miles de millones de electronvoltios) y luego se confinan en una órbita cerrada mediante fuertes imanes. Cuando las partículas cargadas son desviadas por los campos magnéticos (y, por tanto, aceleradas mediante el cambio de su dirección de movimiento), emiten la llamada radiación de sincrotrón, un continuo cuya intensidad y distribución de frecuencias están determinadas por la fuerza de los campos magnéticos y la energía de las partículas que circulan. Las fuentes de luz de sincrotrón especialmente diseñadas se utilizan en todo el mundo para los estudios de rayos X de los materiales.

En un tubo de rayos X, además del espectro continuo de radiación emitido por los electrones en desaceleración, también hay un espectro de líneas discretas de emisión de rayos X que es característico del material objetivo. Esta «radiación característica» es el resultado de la excitación de los átomos del blanco mediante colisiones con los electrones que se mueven rápidamente. En la mayoría de los casos, la colisión hace que primero se expulse del átomo un electrón de la capa interna fuertemente ligado; a continuación, un electrón de la capa externa poco ligado cae en la capa interna para llenar la vacante. En el proceso, el átomo emite un único fotón con una energía igual a la diferencia entre los estados de vacante de la capa interna y de la capa externa. Esta diferencia de energía suele corresponder a las longitudes de onda de los fotones en la región de los rayos X del espectro. La radiación de rayos X característica también puede producirse a partir de un material objetivo cuando se expone a un haz de rayos X primario. En este caso, los fotones de rayos X primarios inician la secuencia de transiciones electrónicas que dan lugar a la emisión de fotones de rayos X secundarios.

En 1913, el físico inglés Henry Moseley descubrió una sencilla relación entre las longitudes de onda de las líneas de emisión de rayos X de un objetivo y el número atómico del elemento objetivo: las longitudes de onda son inversamente proporcionales al cuadrado del número atómico. Conocida como la ley de Moseley, esta relación resultó ser una herramienta definitiva en la determinación de los números atómicos en los primeros días de la física atómica. Las técnicas de fluorescencia de rayos X, en las que se registran las longitudes de onda de los rayos X característicos tras la excitación de un blanco, se utilizan ahora habitualmente para identificar los componentes elementales de los materiales.

La emisión de rayos X es a veces un subproducto de una transformación nuclear. En el proceso de captura de electrones, un electrón atómico de la capa interna es capturado por el núcleo atómico, iniciando la transformación de un protón nuclear en un neutrón y reduciendo el número atómico en una unidad (véase radiactividad: Tipos de radiactividad). La órbita vacía de la cáscara interna se llena rápidamente con un electrón de la cáscara externa, produciendo un fotón de rayos X característico. La relajación de un núcleo excitado a un estado de menor energía también da lugar a veces a la emisión de un fotón de rayos X. Sin embargo, los fotones emitidos en la mayoría de las transiciones nucleares de este tipo son de una energía aún mayor que la de los rayos X: caen en la región de los rayos gamma del espectro electromagnético.

En los últimos 50 años se han descubierto muchas fuentes astronómicas de rayos X; en conjunto constituyen una rica fuente de información sobre el universo (véase Fuentes de rayos X). Los rayos X son emitidos por la corona caliente del Sol (atmósfera exterior) y por las coronas de otras estrellas ordinarias de la Vía Láctea. Muchos sistemas estelares binarios emiten abundantes rayos X; las fuentes más potentes de este tipo producen, sólo en la región de los rayos X, más de 1.000 veces toda la energía emitida por el Sol. Los remanentes de supernovas también son fuertes fuentes de rayos X, que a veces se asocian con la radiación sincrotrón producida por partículas cargadas de alta energía que circulan en intensos campos magnéticos y, en ocasiones, con las emisiones atómicas de gases extremadamente calientes (en el rango de 10 millones de kelvins). Las potentes fuentes extragalácticas de rayos X, como las galaxias activas, los cuásares y los cúmulos galácticos, son actualmente objeto de un intenso escrutinio científico; en algunos casos, los mecanismos exactos de producción de rayos X son aún inciertos o desconocidos. Como la atmósfera terrestre absorbe fuertemente los rayos X, las observaciones astronómicas en la región de los rayos X deben realizarse desde satélites en órbita. El lanzamiento del Observatorio de Rayos X Chandra en 1999 supuso un gran avance en la capacidad de observación de la astronomía de rayos X (véase telescopio: telescopios de rayos X).

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