 Wilhelm Konrad Röntgen, alrededor de 1895 y la radiografía de la mano de su esposa, con el anillo de boda |
 Instalación típica de radiología X hospitalaria |
Los rayos X son invisibles a nuestros ojos, pero producen imágenes visibles cuando usamos placas fotográficas o detectores especiales para ello.
 Imagen radiográfica de una mano |
 Imagen radiográfica de un mono |
 Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha |
 Soldadura mal hecha por falta de penetración (línea negra) |
 Fotografía de una pintura y su radiografía mostrando dos pinturas superpuestas en el mismo lienzo |
De casi todos son conocidas las aplicaciones de los rayos X en el
campo de la Medicina para realizar radiografías, angiografías (estudio
de los vasos sanguíneos) o las llamadas tomografías computarizadas. Su
uso se extendió también a la detección de fallos en metales o análisis
de pinturas. Pero, además, su descubrimiento revolucionó, a lo largo de
los años, los campos de la Física, la Química y la Biología.
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la
luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que
los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada
longitud de onda, que es del orden de 10-10 m (equivalente
a la unidad de longitud que conocemos como Angstrom).
 Representación de una onda electromagnética, con los campos eléctrico (E) y magnético (H) asociados, avanzando a la velocidad de la luz. |
 Espectro contínuo de la luz visible (desde el rojo al violeta disminuye la longitud de onda) |
 n(Hz) l(m) = 3 108m Hz E(J) = h(J/Hz) n(Hz) = k(J/Hz 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) |
Los rayos X que más interesan en el campo de la Cristalografía de rayos X son aquellos que disponen de una longitud de onda próxima a 1 Angstrom (los denominados RAYOS X "duros" en el esquema anterior) y corresponden a una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz (tera-herzios) y a una energía de 12.4 keV (kilo-electrón-volts), que a su vez equivaldría a una temperatura de unos 144 millones de grados. Estos rayos X se producen en los laboratorios de Cristalografía o en las llamadas grandes instalaciones de sincrotrón (como el ESRF: European Synchrotron Radiation Facility).
 Generación de rayos X en un laboratorio de Cristalografía |
 Imagen aérea de las instalaciones del sincrotrón del ESRF en Grenoble (Francia). Obsérvese su geometría circular. |
Los equipos que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía
para producir estos rayos X son relativamente sencillos. Disponen de un
generador de alta tensión (unos 50.000 voltios), que se suministra
al llamado tubo de rayos X, que es realmente donde se produce la
radiación.
 Tubos convencionales de rayos X que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía |
 Esquema de un tubo convencional de rayos X |
Esos 50 kV se suministran como diferencia de potencial (alto voltaje) entre un filamento incandescente (por el que se hace pasar una corriente i de bajo voltaje, unos 5 A a unos 12 V) y un metal puro (normalmente cobre o molibdeno), estableciéndose entre ambos una corriente de unos 30 mA de electrones libres. Desde el filamento incandescente (cargado negativamente) saltan electrones hacia el ánodo (cargado positivamente) provocando, en los átomos de este último, una reorganización electrónica en sus niveles de energía. Este es un proceso en el que se genera mucho calor, por lo que los tubos de rayos X deben estar muy refrigerados. Una alternativa a los tubos convencionales son los llamados generadores de ánodo rotatorio, en los cuales el ánodo, en forma de cilindro, se mantiene con un giro continuo, consiguiendo con ello que la incidencia de los electrones se reparta por la superficie del cilindro y que por tanto se puedan obtener potencias mayores de rayos X.
 Generador de rayos X con ánodo rotatorio |
 Anodo rotatorio de cobre pulido |
 Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un electrón del filamento |
 Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo después del impacto con un electrón del filamento |
 Electrones que vuelven a su estado inicial, emitiendo esta energía en forma de rayos X llamados característicos |
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| Distribución de longitudes de onda de los rayos X que se producen en tubos convencionales de rayos X en donde el material anódico es cobre (Cu), molibdeno (Mo), cromo (Cr) ó wolframio (W) . Sobre el llamado espectro contínuo aparecen las llamadas líneas características K-alpha y K-beta. El principio de los espectros contínuos aparecen a una longitud de onda que es aproximadamente 12.4/V, en donde V representa los kV entre filamento y ánodo. Para una misma tensión entre ánodo y filamento, sólo se excitan las radiaciones características del molibdeno (figura de la izquierda). |
En las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía, y es en ese momento cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un contínuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X duros.
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Esquema del punto de giro entre dos segmentos rectilíneos en un sincrotrón. |
 Detalle de cómo en las curvaturas de la trayectoria de los electrones se produce la radiación sincrotrón. |
Los rayos X que se obtienen en las instalaciones de sincrotrón tienen dos grandes ventajas para la Cristalografía de rayos X. La longitud de onda se puede modular a voluntad y su brillo es un billón de veces superior a la de los rayos X convencionales.
Los rayos X interaccionan con la materia a través de los electrones que la forman. Un haz monocromático, de una sola longitud de onda, sufre una atenuación de carácter exponencial, proporcional al espesor que atraviesa. La atenuación procede de varios factores: a) el cuerpo se calienta, b) se produce radiación fluorescente de longitud de onda distinta y acompañada de fotoelectrones, ambos característicos del material (esto da lugar a las espectroscopías de foto-electrones, PES y Auger), y c) rayos X dispersados de igual (coherente y Bragg) o ligeramente superior (Compton) longitudes de onda, más los correspondientes electrones dispersados. De todos los efectos, el fundamental es la fluorescencia, en la que la absorción aumenta con la longitud de onda incidente, pero presenta discontinuidades (dispersión anómala) para aquellas energías que corresponden a transiciones electrónicas entre los niveles del material (esto da lugar a las espectroscopías EXAFS).
 Variación creciente y discontínua de la absorción (línea de trazos), mostrando su uso como filtro para obtener radiación monocromática |
Los rayos X, como toda luz "iluminan" y "dejan ver", sólo que de forma
distinta a como se ve con los ojos.: CSIC - Departamento de Cristalografia