Ondas Electromagnéticas y Fuerzas Fundamentales
Cuando estudiamos el mundo material y las fuerzas que lo rigen, podemos identificar cuatro tipos fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética y las nucleares débil y fuerte.
Fuerza Gravitatoria
La fuerza gravitatoria se manifiesta principalmente en presencia de grandes concentraciones de materia, siendo relevante a escalas planetarias y superiores. Nuestra experiencia más común con ella es nuestro propio peso y el de los objetos que nos rodean, que no es más que la atracción gravitatoria del planeta. Esta fuerza nos permite definir la masa de las partículas materiales, que, al ser siempre positiva y acumulativa, se asocia con la cantidad de materia. El peso de un cuerpo es la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre él, lo que implica que el cuerpo se encuentra dentro del campo gravitatorio terrestre.
Si un cuerpo con masa experimenta una fuerza en un punto del espacio, decimos que en ese punto existe un campo gravitatorio.
Fuerzas Electromagnéticas
Las fuerzas electromagnéticas se evidencian, en su forma más básica, a través de experimentos con imanes o materiales dieléctricos (como el plástico frotado con lana). Su existencia nos permite definir la carga de las partículas. La fuerza electromagnética entre partículas es mucho mayor que la gravitatoria (la fuerza de repulsión electrostática entre dos protones es más de 1036 veces mayor que su atracción gravitatoria). Esta fuerza es responsable de la cohesión de los materiales y de las reacciones químicas. La mayoría de los fenómenos físicos que estudiamos se basan en estas fuerzas.
La cantidad de carga positiva en cualquier porción de materia podría generar fuerzas intensas. Sin embargo, esto no ocurre porque los materiales mantienen un equilibrio preciso entre cargas positivas y negativas. Las manifestaciones que observamos se deben a pequeños desequilibrios locales. Si un cuerpo estático con carga eléctrica no nula experimenta una fuerza en un punto del espacio, decimos que en ese punto existe un campo eléctrico.
Las fuerzas magnéticas, que son las fuerzas entre imanes, actúan sobre cargas en movimiento. No existe una propiedad de la materia distinta de la carga que las justifique. La observación de fuerzas sobre imanes se explica por el movimiento interno de las partículas cargadas dentro de la estructura específica de estos materiales. Si un cuerpo con carga eléctrica en movimiento experimenta una fuerza proporcional a su velocidad y perpendicular a su dirección en un punto del espacio, decimos que en ese punto existe un campo magnético.
Rayos X (RX)
Descubrimiento y Naturaleza
Los rayos X fueron descubiertos accidentalmente por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen en 1895, mientras estudiaba la luminiscencia producida por los rayos catódicos. Se manifestaron como una radiación invisible capaz de atravesar cuerpos opacos a otras radiaciones conocidas y de ennegrecer placas fotográficas. Al desconocer su origen y naturaleza, Röntgen los llamó rayos X. No fue hasta 1912 que Max von Laue demostró su naturaleza ondulatoria al difractarlos mediante cristales.
Producción de Rayos X
Los rayos X se producen cuando un haz de electrones suficientemente rápidos colisiona con la materia. La gran aceleración que experimenta un electrón al chocar con una partícula más grande provoca la emisión de gran parte de su energía en forma de radiación electromagnética (OEM) con una frecuencia que corresponde a dicha energía, según la ley de Planck.
En la naturaleza, los rayos X pueden producirse durante tormentas eléctricas o por la desintegración de sustancias radiactivas. Sin embargo, estas fuentes naturales son insuficientes para aplicaciones prácticas. También se generan en pequeñas cantidades como subproducto en dispositivos que utilizan cañones de electrones, como televisores y monitores de ordenador.
La producción de rayos X para fines prácticos se realiza mediante cañones de electrones en tubos de vacío. El más común es el tubo de Coolidge, que contiene un filamento que emite electrones por efecto termoiónico (cátodo) y un ánodo o anticátodo de metal pesado (W, Pt, Os, etc.). Al aplicar una diferencia de potencial de varias decenas de miles de voltios, los electrones se aceleran y colisionan con el anticátodo, produciendo rayos X. También se pueden utilizar otros tipos de aceleradores de partículas, como los aceleradores lineales y los sincrotrones, para generar rayos X de mayor energía, especialmente en radioterapia.
Interacción de los Electrones con el Ánodo
La interacción de los electrones con los átomos del ánodo provoca la desaceleración de los electrones. La energía cinética que pierden se manifiesta de diversas formas. Una parte importante se convierte en calor, que debe disiparse del ánodo mediante sistemas de refrigeración. Otra parte, la que nos interesa, se emite como rayos X. La proporción de energía emitida como rayos X (rendimiento) depende de varios factores, incluyendo el metal del ánodo. En general, para tubos como el de Coolidge, el rendimiento no supera unas pocas unidades por ciento.
Incluso en un metal pesado, la materia del ánodo se presenta como una estructura dispersa para un electrón. Por lo tanto, la probabilidad de una colisión frontal con un átomo, en la que el electrón cede toda su energía (E0) en el frenado, es muy baja.
Espectro de Rayos X
Si se aumenta la tensión de aceleración, el espectro de rayos X se desplaza hacia frecuencias mayores y aumenta la energía total radiada. A partir de ciertos valores de tensión, aparecen bruscamente series de líneas discretas que se superponen al espectro continuo. Este espectro discreto, llamado espectro característico, es diferente para cada metal utilizado en el ánodo.
Si la energía cinética de los electrones incidentes es suficiente (mayor o igual que la energía de enlace de un electrón en las capas internas del átomo), puede interactuar con él y expulsarlo del átomo. Un electrón de un nivel superior ocupará el nivel vacante, emitiendo la diferencia de energía en forma de un fotón con una frecuencia específica. En átomos pesados, las diferencias de energía entre las capas internas son del orden de magnitud de los rayos X y se manifiestan en el espectro discreto.
Aceleradores de Partículas
Además de los aceleradores directos de partículas como el tubo de Coolidge, se han desarrollado dispositivos más complejos que pueden proporcionar a las partículas cargadas energías mucho mayores (aceleradores lineales, sincrotrones, etc.). En consecuencia, las radiaciones obtenidas por este método pueden alcanzar energías considerablemente superiores. Por lo tanto, no se puede establecer un límite superior de energía para los rayos X, aunque generalmente se refiere a radiaciones de decenas o incluso centenas de keV.