VI. ¿QUÉ RAYOS SON LOS RAYOS X? ¿POR QUÉ USAR LOS RAYOS X?

EN EL año de 1895 el físico Wilhelm Conrad Rñntgen, profesor de la Universidad de Wñrzburg, Alemania, hizo un descubrimiento que tuvo gran importancia tanto en el desarrollo subsecuente de la ciencia como en sus aplicaciones prácticas.

Desde mediados del siglo pasado un buen número de investigadores había trabajado en experimentos con tubos de vidrio al vacío; en cada uno de sus extremos se encontraba una punta metálica. Si entre las puntas existe un voltaje eléctrico muy alto, entonces se genera una corriente eléctrica que va de una de las puntas a la otra. A esta corriente se le llamó rayos catódicos debido a que una de las puntas era el cátodo (la terminal negativa) y la otra, el ánodo (la terminal positiva). Años después se descubrió la naturaleza de estos rayos catódicos: resulta que son partículas eléctricamente cargadas llamadas electrones, que se desprenden del cátodo y llegan al ánodo.

Trabajando con tubos de rayos catódicos, Rñntgen descubrió que del ánodo (la terminal a la que llegan los rayos catódicos) salían emanaciones, a las que denominó rayos X, ya que no conocía su naturaleza. La manera en que los descubrió fue la siguiente: Rñntgen cubrió el tubo con un papel negro de manera que no pudiera salir o entrar luz en él. Hizo pasar los rayos catódicos dentro del tubo, con el laboratorio a oscuras, y se dio cuenta de que una placa pintada de platinocianuro de bario que se encontraba, de casualidad, en un banco a un metro de distancia, emitía una luz verdosa. Al principio Rñntgen creyó que esta luz se debía a que parte de los rayos catódicos que estaba produciendo dentro del tubo incidían, de alguna forma, sobre la placa. Sin embargo, al volver a repetir las descargas de rayos catódicos de tal manera que no pudiesen llegar a la placa, ésta seguía emitiendo luz. Rñntgen llegó a la conclusión de que el tubo de rayos catódicos emitía emanaciones que llegaban a la placa y como consecuencia se generaba la luz verdosa. Esto no fue todo. También se dio cuenta de que estas emanaciones, los rayos X, salían del ánodo.

En resumen, el proceso que ocurrió en el experimento de Rñntgen es el que a continuación describimos: los rayos catódicos van del cátodo al ánodo; al recibir el impacto de estas partículas el ánodo emite rayos X que llegan a la placa de platinocianuro de bario y esta sustancia emite, a su vez, luz verdosa.

Inmediatamente Rñntgen empezó a investigar algunas de las características de los rayos X. Encontró, entre otras, las siguientes propiedades:

1) Los rayos X son imperceptibles a la vista del hombre.

2) Al hacer llegar rayos a una sustancia, resulta que casi todas las sustancias son más o menos transparentes a estos rayos; es decir, los rayos X cruzan la sustancia. En orden de transparencia se tienen, por ejemplo, la madera, el aluminio y el plomo. El plomo figura entre las sustancias menos transparentes a los rayos X.

3) Además del platinocianuro de bario otras sustancias, al quedar expuestas a los rayos X, también emiten radiación luminosa. Como ejemplo de estas sustancias se pueden mencionar algunos compuestos de calcio, vidrio de uranio, cuarzo. Sin embargo, la luz emitida es distinta para compuestos diferentes.

4) Las emulsiones fotográficas resultan ser muy sensibles a los rayos X. Una placa fotográfica expuesta a un haz de rayos X se ennegrece.

5) Los rayos X se propagan en línea recta.

Otro hecho que descubrió Rñntgen fue que siempre que rayos catódicos incidan sobre un cuerpo sólido, éste emite rayos X. Además notó que al cambiar el metal del que estaba hecho el ánodo, los rayos X emitidos cambiaban sus características. Así descubrió que mientras más pesado sea el elemento que desempeña el papel del ánodo, produce rayos X de manera más eficiente. Esto ocurre si, por ejemplo, en lugar de aluminio se pone platino como ánodo.

Después del informe que presentó Rñntgen sobre sus descubrimientos el 28 de diciembre de 1895, se desarrolló una intensa actividad de investigación sobre la naturaleza y propiedades de los rayos X. Un año después de su descubrimiento se habían escrito, por lo menos, alrededor de cincuenta libros y folletos y más de mil artículos sobre los rayos X.

Dada la propiedad de los rayos X de atravesar sustancias y de ser absorbidos de maneras distintas por diferentes sustancias, dependiendo de su composición y densidad, fueron inmediatamente aplicados a lo que después se llamó radiografía. Esta es la aplicación más antigua y mejor conocida. Como es bien sabido, los rayos X se utilizan ampliamente en la medicina. También se usan radiografías en la industria para la correcta fabricación de materiales, así como en la detección de fallas en partes de maquinaria, solamente para mencionar algunas de sus aplicaciones.

A pesar de lo llamativo de estas primeras aplicaciones, quedaba la cuestión de cuál era la naturaleza de los rayos X.

El físico británico C. A. Barkla y varios de sus colaboradores realizaron una serie de experimentos con rayos X desde 1906 hasta 1912, en los que se vislumbraron diversos hechos que los llevaron a suponer que estos rayos eran ondas electromagnéticas. Para entonces se habían llevado a cabo numerosos intentos de verificar la naturaleza ondulatoria de los rayos X y al mismo tiempo estimar su longitud de onda. En efecto, en 1902, H. Haga y C. H. Wind hicieron pasar un haz de rayos X a través de una rendija, tal como se había hecho con la luz visible. Lo único que encontraron fue que la imagen formada en la pantalla se hacía un poco ancha. Como pantalla utilizaron una placa fotográfica. Más adelante, el gran físico alemán Arnold Sommerfeld, que trabajaba en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Munich, hizo ver que, si los rayos X eran ondas, entonces deberían tener un longitud de onda del orden de 10-8 cm (0.000 000 0l cm, es decir, una décima de millonésima de milímetro), o sea del orden de angstrom. 1 Como comparación recordemos que la longitud de onda de la luz visible (véase el capítulo 1) es del orden de diezmilésimas de milímetro, o sea de varios miles de angstrom.

Sin embargo, hasta 1912 no se había logrado hacer una demostración clara y sin ambigñedades de la hipotética naturaleza ondulatoria de los rayos X.

Un alumno de Sommerfeld, Peter Ewald, se interesó en el tema y escribió en 1910 su tesis doctoral al respecto. Sin embargo, después de doctorarse, varios resultados le seguían pareciendo pocos claros. Decidió manifestar sus dudas a Max von Laue, profesor de la misma universidad. Lane había trabajado durante mucho tiempo en el campo de la difracción de la luz visible por diversos tipos de rejillas.

Ewald había supuesto que los átomos en los cristales estaban ordenados como en una red, es decir, de manera regular. Laue, que ignoraba las entonces conocidas propiedades de los cristales, preguntó acerca de las razones de esta hipótesis, a lo cual Ewald contestó relatando los motivos de origen macroscópico que ya relatamos en el capítulo V. "¿Y qué distancia hay entre los átomos?" preguntó Laue. Ewald respondió que no se conocían con precisión estas distancias, pero que conociendo la densidad del cristal así como la masa de cada átomo se podría estimar que las distancias entre los átomos de un cristal deberían ser del orden de 10⁸ cm, o sea de varios angstrom. En ese momento de la conversación Lane se distrajo y dejó de escuchar lo que Ewald decía. Estaba recordando la estimación de la longitud de onda de los rayos X que había hecho Sommerfeld no hacía mucho tiempo. Laue tuvo una asociación de ideas muy feliz: si los rayos X tienen longitud de onda del orden de varios angstrom y si la distancia entre los átomos en un cristal también fuera del orden de varios angstrom, entonces... Laue recordó que se producía un patrón de difracción en una rejilla si, entre otras cosas, la longitud de onda de las ondas era del mismo orden de magnitud que la distancia entre las rendijas (véase capítulo IV).

Durante un buen tiempo Laue estuvo meditando, con el siguiente argumento. ¿Qué pasaría si un haz de rayos X atravesara un cristal? Si es cierto que los rayos X son ondas de longitud de onda pequeña y si además también fuera cierto que los cristales están construidos en forma de una red regular, en la que las distancias entre los átomos son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de los rayos X, ¿no funcionaria la red cristalina como una rejilla de difracción y los rayos X experimentarían este fenómeno? Dicho de otra manera, la red cristalina estaría funcionando como una rejilla de difracción para los rayos X de manera análoga a aquella en que una rejilla común funciona para la luz visible. Se recordará que el fenómeno de difracción solamente se presenta en haces que tienen características ondultorias. Por lo tanto, esto podría decidir la cuestión de si la naturaleza de los rayos X es ondulatoria y al mismo tiempo decidir si un cristal es un arreglo regular y ordenado de átomos.

Laue se excitó mucho y discutió esto con mucha gente. Tanto Rñntgen como Sommerfeld dudaron sobre sus ideas. Sin embargo, los físicos más jóvenes se entusiasmaron y Walther Friedrich se ofreció para ejecutar el experimento, ya que tenía experiencia en el manejo de rayos X. Sin embargo, Sommerfeld puso muchas objeciones y Friedrich empezó a dudar. Laue, entretanto, había convencido también a Paul Knipping de realizar el experimento. Finalmente, el 21 de abril de 1912 Knipping y Friedrich lo llevaron a cabo. El resultado que obtuvieron fue que el cristal sí difractaba los rayos X. Laue hizo la siguiente reseña en su autobiografía: "El fotograma de un trozo de sulfato de cobre expuesto a la radiación X mostró, junto a la radiación primaria, una corona de espectros difractados por la red cristalina (véase la figura 18). Profundamente sumido en mis reflexiones iba hacia casa... cuando Friedrich me mostró esta radiografía. Ya cerca de mi casa, ... me vino la idea para la teoría matemática del fenómeno".

Figura 18. Fotografía del patrón de difracción de un cristal de sulfato de cobre, obtenida en 1912 por Laue, Friedrich y Knipping.

Las zonas oscuras de la foto de la figura 18 corresponden a haces de rayos X que llegan a la película, que hizo las veces de pantalla. La zona central corresponde al haz directo que no se difractó, mientras que los puntos a su alrededor corresponden a haces difractados por el cristal.

El resultado del experimento se propagó entre la comunidad científica como un reguero de pólvora, causando una impresión muy profunda. Albert Einstein le envió a Laue el 10 de junio de 1912 una tarjeta postal en la que escribió: "Lo felicito cordialmente por su maravilloso éxito. Su experimento figura entre lo más bello que la física ha vivido." Laue se alegró mucho por esta felicitación.

Es así como Laue demostró dos cosas al mismo tiempo: en primer lugar, que la estructura cristalina consiste efectivamente en una red regular y ordenada, ya que el patrón de difracción muestra regularidad, y en segundo lugar, que los rayos X son ondas. Además, hizo ver que la red cristalina funciona como una rejilla de difracción para rayos X de la misma forma en que una rejilla lo hace para la luz visible. La idea de Laue fue que para que el patrón de difracción fuera apreciable, era necesario que la longitud de onda de la radiación incidente fuese del mismo orden de magnitud que la separación entre los elementos de la rejilla. Asimismo, Laue hizo ver que el cristal estaba funcionando como una rejilla en tres dimensiones, a diferencia de las rejillas en una y dos dimensiones con las que anteriormente había trabajado (véase el capitulo IV).

En 1914 Max von Laue obtuvo el premio Nobel de Física por su trabajo de difracción de rayos X en cristales.

Ahora bien, en la teoría matemática que desarrolló Laue, y de la que habla en su autobiografía arriba citada, lo que hizo fue encontrar la relación entre las posiciones de los puntos obtenidos en la figura 18, la geometría de la "rejilla", o sea del cristal, y la longitud de onda de los rayos X

Esto constituye, de hecho, una extensión de las relaciones que se conocían para rejillas en una y dos dimensiones de las que se habló en el capítulo IV. De esta manera se abrió el camino para el estudio de la estructura microscópica de los cristales.

Ahora debe quedar clara la respuesta a las preguntas que se hicieron en el título del presente capítulo. En primer lugar, los rayos X son ondas electromagnéticas de longitudes de onda muy pequeñas, invisibles al ojo humano. De hecho, son una parte del conjunto de todas las posibles ondas electromagnéticas (véase el capítulo 1). En segundo lugar, se usan en el estudio y análisis de las estructuras de sustancias cristalinas, debido a que tienen una longitud de onda del mismo orden de magnitud que la separación de los átomos en un cristal. Es por este motivo que el patrón de difracción de rayos X incidentes sobre un cristal es apreciable y contiene información sobre la estructura de la red.

NOTAS

1 Para la descripción de fenómenos microscópicos se suele utilizar la unidad de medida llamada angstrom (abreviada Å). Su definición es 1Å =l0^-8 cm