Que hizo Wilhelm Conrad Röntgen para ganar el premio Nobel de física
Los rayos X han cambiado la vida de las personas, desde su descubrimiento hasta en la actualidad, han sido una herramienta muy útil en especial para los médicos. Sin embargo, en muchas otras áreas como en la ciencia de los materiales, gracias a su perfeccionamiento y adaptación han servido de impulso en la creación de técnicas de identificación y análisis de materiales. De igual forma abrió un nuevo y vasto horizonte de oportunidades e inspiración en la investigación de las ciencias naturales
Algunas personas aseguran que Röntgen no fue quien descubrió los rayos X, pero de algo si estamos totalmente seguros y es del alcance que tiene este tipo de radiación electromagnética.
Hablemos un poco sobre quién fue Wilhelm Conrad Röntgen
Este reconocido científico nació el 27 de marzo de 1845 en Alemania cuna de las mentes más brillantes durante toda la historia, específicamente en un pequeño pueblo en Lennep ubicado al occidente de ese país. Su familia era económicamente estable, donde sus padres eran comerciantes. luego del crecimiento en la industria textil y debido a la creación de la revolución, se mudaron a Holanda en la ciudad de Apeldoorn en los Países Bajos, donde William transcurrieron sus estudios y gran parte de su niñez. La idea de su padre era que al finalizar de estudios de preparatorio él se hiciera cargo de sus negocios, lo que no sabía era que su hijo en unos años más adelante sería una de las mentes más brillantes de la ciencia.
Años más tarde comenzó a estudiar en la escuela técnica para adquirir su título de secundaria, bajo la tutoría de un gran amigo de su padre el Dr. Willem Gunning. lamentablemente Röntgen no adquirió su título de secundaria, debido a problemas con algunos profesores. No obstante, su interés por las ciencias naturales había despertado. Aunque años más tarde era la física su verdadero amor.
Luego de haber sido expulsado de la escuela de Utrech, Röntgen se enteró por medio de un gran amigo que había fundado en Suiza la Polytechnikum en Zúrich, inmediatamente Röntgen se trasladó a dicho país donde presentó un simple examen de admisión y pudo entrar a la escuela donde finalmente obtuvo su título de educación media.
Su amor por la ciencia había despertado y decidió estudiar ingeniería mecánica en la universidad de Zurich, donde obtuvo su título e inmediatamente en 1868 realizó su maestría en Física, gracias a la influencia de August Kundt, fue el que lo ayudó a inclinarse definitivamente por la Física.
Los siguientes años siguió los pasos de Kundt, que en ese tiempo era unos de los científicos más reconocidos del viejo continente, en su laboratorio comenzaron a realizar diferentes investigaciones. Luego de completar su tesis doctoral en 1870, se vieron obligados a mudarse a diferentes laboratorios para recalar Estrasburgo en por causa de la de la guerra francoprusiana. Kundt obtuvo un gran puesto en una universidad de elite en Alemania y por supuesto Röntgen siguió los pasos de su gran maestro. Roentgen obtuvo la “habilitación” (un título académico de estudios superiores en Alemania que permite aceptar una cátedra universitaria . En el año 1875 se mudó a la universidad de Hofhenheim para dar clases de física y matemáticas, pero algo en él le decía que ese no era su destino, se daba cuenta que dar clases no era su pasión, prefería estar en un laboratorio haciendo ciencia, por lo que retorno a Estrasburgo y recibió el cargo profesor titular en la Universidad de Ludwig.
Muchos recuerdan a Roentgen como aquel investigador solitario, también era reconocido como un profesor muy exigente, pocos estudiantes asistían a sus clases en especial cuando se trataba de física experimental. aquellos privilegiados se daban cuenta de la maravilla que era Roentgen como investigador. Pero como en esa época la física experimental estaba a un lado y solo la física teórica era la que dominaba y los más reconocidos científicos descartaron que fuera una ciencia del futuro. Roentgen experimentaba en su hogar tomando a la física experimental como 2da opción. Sin embargo llevó a cabo varios experimentos que trajeron consigo interesantes descubrimientos tales como: como la convección dieléctrica, una pieza fundamental para la teoría del electromagnetismo que recién estaba surgiendo.
Roentgen tenía sus peculiaridades: no le gustaba dar conferencias y cuando la imparte no se extendía mucho, tampoco le gustaba asistir a reuniones con sus colegas. Muchas de sus publicaciones pasaron de desapercibidas, los jurados lo califican de tener poca creatividad, por lo tanto la receptividad de sus escritos era muy bajo, pero en gran parte se debía a que los científicos de esa época en su mayoría teóricos no eran de mente abierta, se basaban en lo ya descubierto y no estaban abiertos a nuevos avances e inventos en la física.
Pero cómo fue que Roentgen descubrió los rayos X
Al principio de la publicación comentaba que muchas personas dudaban de que Roentgen fue el descubridor de los rayos x, y esto es porque a mediados del siglo XIX el científico británico William Crookes realizó diferentes estudios de los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Dichos experimentos consistían en un pequeño tubo totalmente al vació que contenía electrodos para poder generar corriente, a estos tubos se le denominaron Tubos de Crookes. Luego de este proceso se produce una radiación de diversas partículas, a las que posteriormente se le denominaron electrones, que viajaban de punta a punta en el interior del tubo(catodo-anodo). Durante este proceso los electrones chocaban en la estructura atómica del tubo, trayendo consigo una luz brillante en su superficie llamada luminiscencia. Posterior a todo esto Crookes llegó a la conclusión que este tipo de luz se producía por algún fenómeno dentro del tubo, específicamente que provenía del cátodo, que al chocar con la pared de vidrio del tubo producía este particular fenómeno que lo denominaron rayos catódicos.
Esquema del tubo de Crookes. Licencia CC SA 1.0
Luego de estar cercano a diferentes placas fotográficas, estos podrían generar una especie de imágenes, pero en ese momento no se podía identificar qué tipo de imagen contenía la placa. Seguidamente Tesla en el año 1887 decidió continuar los estudios de este efecto creado por el experimento de Crookes, donde pudo asegurar que este tipo de radiación podría ser perjudicial para la personas, ya que podrían enfermarse por dicha radiación al estar expuestos por un periodo de tiempo determinado.
Todo esto despertó el interés de Wilhelm Conrad Röntgen de estudiar por qué se produce este particular fenómeno. Se formuló la gran pregunta de ¿qué era lo que sucedía en el exterior del tubo y poder comprobar si los rayos catódicos podían salir del mismo?
Fue en el año 1985 donde Röntgen descubrió los rayos x,
mientras experimentaba con los tubos de Hittorff-Crookes y la bobina de Ruhmkorff para investigar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos.Roentgen mientras realizaba sus experimentos entró en una habitación totalmente a oscuras tomó un tubo y posteriormente lo cubrió con una especie de cartón totalmente negro, esto para asegurarse que los rayos catódicos no ingresaran al tubo. Luego de todo esto observó algo muy peculiar un pequeño resplandor verde amarillento que provenía de una pantalla con tenía consigo una capa de platino-cianuro de bario, para comprobar esto si sucedía constantemente apagaba y encendía el tubo y pude verificar que sucedía siempre lo mismo. Él estaba totalmente seguro que su descubrimiento era importante y confirmaba los experimentos de Crookes, ya que algún tipo de rayo atravesaba el cartón y el tubo hasta llegar a la placa de bario y luego de recibir estas radiaciones podía emitir este tipo de luz.
Antes de llegar a una conclusión final, decidió seguir realizando experimentos para poder confirmar su teoría. El primero de ellos consistía en colocar una pantalla a una mayor distancia del tubo y realizar el mismo procedimiento. Inmediatamente observó que la luz fluorescente aún estaba ahí, entonces él dijo en su mente que esto podría ser un gran descubrimiento porque esta radiación era muy poderosa, debido a su alcance.
Luego realizó la prueba siguiente con la finalidad de poder medir este gran alcance de este tipo de radiación, ya pudo observar que esta tenía la capacidad de atravesar el aire hasta llegar a la placa, entonces se formuló una nueva pregunta, ¿Y si coloco otro tipo de material que esté en medio del tubo y las placas, que podría pasar?, ¿Tendrá la capacidad de atravesar este material que voy a colocar y llegar nuevamente a la pantalla? Entonces colocó materiales mucho más densos para medir el alcance de este tipo de radiación, lo primero que colocó fue un libro, observó que la radicación persistía, pero con menor intensidad. Sigue experimentando colocando materiales más gruesos y determinó que la radiación seguía disminuyendo, pero aun esta estaba ahí, hasta llegar a materiales muy densos como el plomo y el platino que opacaban totalmente esta radiación.
Pero la mejor de sus ideas estaba por venir y fue la estocada final para confirmar su teoría. Decidió utilizar su propia mano para ver si la esta radiación la atravesaba y pudo observar muy asombrado como los huesos de su mano se reflejaban sobre una placa. Fue ese el comienzo de una nueva era en la ciencia.
Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas fotográficas para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer. Los llamó "rayos incógnita", o "rayos X" porque no sabía qué eran, solo que eran generados por los rayos catódicos al chocar contra ciertos materiales.
En una entrevista Röntgen dice lo siguiente: “No había revelado nada a nadie sobre mi trabajo. Le dije a mi mujer que estaba haciendo algo que haría que la gente, cuando se enterara, dijera: ‘Röntgen ha perdido la cabeza”’, le contó a Ludwig Zehnder.
Tras su descubrimiento Röntgen pasó varias semanas estudiando cuidadosamente las propiedades de estos rayos, hasta por fin publicar su gran artículo, de hecho fue tan bueno su trabajo que transcurrieron más de 15 años para que otros científicos sumarán datos a su descubrimiento, gracias a su trabajo exacto, minucioso y dedicado.
Una de las acotaciones más importantes de su trabajo fue que los rayos descubiertos podían penetrar prácticamente todo el material que se deseara analizar, fue ahí donde tomo la mano de su esposa se podían ver todos los huesos de su mano y además se distinguía su anillo de compromiso, pero no los huesos (que dejan una sombra sobre una placa fotosensible. Los resultados de su investigación fueron publicados en el artículo “Sobre una nueva clase de rayos”.
Los llamó Rayos X, ya que en matemáticas la X es la representación de la incógnita.
La noticia del descubrimiento de los rayos X se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples reconocimientos: el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la Orden de la Corona y fue premiado con la Medalla Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901.
Diploma del Premio Nobel de Wilhelm Conrad Röntgen. Licencia CC BY-SA 3.0.
Pero qué son los Rayos X
Una onda electromagnética sinusoidal que se propaga a lo largo del eje z positivo y muestra losvectores del campo eléctrico (azul) y del campo magnético (rojo). Licencia CC BY-SA 3.0.
Son una forma de radiación electromagnética, que se refiere al número de ondas de tipo electromagnético que posteriormente son emitidas por los electrones que están dentro del átomo. La particularidad de estos rayos es que pueden penetrar diferentes objetos como por ejemplo el cuerpo humano, órganos o cualquier material no tan denso que tenga la capacidad de replicarse a través de una placa fotográfica, es decir producir imágenes proyectando una especie de sombra y así lograr finalmente la impresión fotográfica.
Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga.
Cómo se producen los Rayos X
Son producidos por la interacción entre la materia y los electrones que son acelerados a velocidad muy grandes. Cuando estos pierden velocidad o simplemente se detienen, la energía acumulada (cinética) es convertida instantáneamente en rayos X. Como mencione en su definición, las ondas electromagnéticas se producen dentro de un tubo que contienen en un extremo una placa A y en otros extremos una placa B, conocidos como (ánodo y cátodo). Al emitir el haz de electrones en la primera placa, estos son acelerados por medio de un electrodo que genera corrientes de alto voltaje entre A y B. Al llegar a la placa B son desacelerados bruscamente, lo que ocasiona que las ondas electromagnéticas adquieran una alta frecuencia y finalmente puedan producirse los rayos X.
Esquema de producción de Rayos X en un tubo de Crookes. Licencia CC BY-SA 3.0.
Hay que tomar en consideración ciertos parámetros para la generación de los rayos X, como por ejemplo, la cantidad de rayos X y la intensidad de corriente debe ser proporcional a la cantidad de electrones emitidos en el tubo, que posteriormente deben ser acelerados desde la placa superior (cátodo), entonces el número de electrones que van desde la primera placa deben ser la misma cantidad de intensidad de corriente generada dentro del tubo.
Para la producción de rayos X en laboratorios y hospitales se usan los tubos de rayos X, que pueden ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas.
Pero antes vamos a explicar la composición de un tubo de rayos X
Estos poseen una válvula que se encarga de producir la radiación, hay que tener en consideración que esta válvula también regula el vacío, es decir, que no entre aire dentro del tubo, para que se pueda producir la colisión y todo el proceso envuelto en la producción de los rayos X. Este tubo producirá una corriente que durante un tiempo determinado hará circular la corriente entre ambos polos para que se pueda producir una diferencia de potencial entre el cátodo y ánodo.
Hablemos un poco sobre el Cátodo. Contiene un Filamento donde emite los electrones cuando estos aumentan su temperatura, para que los electrones puedan ir de una capa a otra, debe haber una corriente aproximada de 5 Amperios para que puedan atravesar el filamento. Algo que debemos tomar en consideración es que la corriente del tubo es totalmente independiente de la del filamento, son circuitos separados uno del otro. Otro componente que tiene el cátodo es la Copa de enfoque, su función es enfocar la carga negativa que debe superar la repulsión de los electrones del cátodo, para que estos puedan condensarse en una pequeña zona ubicada en el ánodo.
Ahora hablemos sobre el Ánodo. Como todos sabemos este es la parte positiva ubicada en el tubo, también se caracteriza por dos tipos que se usan comúnmente en la identificación de rayos X.
Primero están los estacionarios, esto necesitan poca intensidad de corriente para su funcionamiento, y los Rotatorios, son todo lo contrario al primero, pueden producir altas intensidades de corriente.
Ambos poseen un componente en su soporte llamado "blanco", que es el lugar donde ocurren las colisiones que vienen del cátodo. Este componente se caracteriza por tener un metal de aleación de wolframio que a su vez vienen integrado en el ánodo con cobre. También poseen una especie de disco rotatorio que ayuda a disipar el calor en un área determinada, por ello es posible obtener una corriente mayor dentro del tubo.
La energía con que se aceleran los electrones desde el cátodo al ánodo dará lugar a radiaciones de diferentes frecuencias, más elevadas cuanto mayor sea la velocidad alcanzada por estos electrones.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos en sus extremos. El cátodo es un filamento de tungsteno y el ánodo es un bloque de metal con una línea característica de emisión de la energía deseada.
El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los electrones y un ánodo.
Espectro de Rayos X
El espectro de rayos X no es más que el resultado de la emisión de fotones dentro del tubo, que generan rayos X gracia a la energía emitida por dichos fotones.
Dentro del espectro de emisión de rayos X se presentan dos características muy importantes dadas por la radiación ocurrida en este fenómeno.
La primera de ellas es la radiación de frenado, donde las partículas que están cargadas en el el ánodo, tienden a experimentar un cambio de velocidad muy grande, como se mencionó al comienzo, estas irradian ondas electromagnéticas en paquetes de energía, necesario para poder experimentar las colisiones que lleguen finalmente al cátodo. Dicha radiación es conocida como frenado o bremsstrahlung. Su aplicación es muy importante en la obtención de rayos X en la radioterapia debido a la colisión radiactiva: con el electrón negativo del núcleo.
La segunda viene siendo la radiación característica, donde las partículas tiene la energía suficiente para poder dirigirse a las capas internas del átomo del componente blanco. En este tipo de radiación se da el par electrón-hueco, los electrones que provienen de las capas superficiales rellenar estos huecos con electrones, emitiendo así la radiación del espectro de rayos X del material analizado. La energía proveniente de esta radiación siempre debe ser discreta, porque estas depende exclusivamente de la los niveles energéticos del átomo y las transiciones que se dan en estos niveles son exclusivas de la colisión inelástica del electrón negativo del átomo.
Son los Rayos X perjudiciales para la salud de las personas
Para nadie es un secreto de los efectos secundarios que podría ocasionar para las personas al estar expuesto por tiempos prolongados a los rayos X. Quizás sabemos que ocasionan daños pero no sabemos científicamente porque?, yo les voy a explicar detalladamente que ocasiona este tipo de radiación.
Sabemos que la radiación ionizante es aquella energía liberada por los átomos en forma de ondas electromagnéticas, sí pero qué significa esto?.
Cuando se produce una especie de desintegración de estos atamos o partículas, a esto se le denomina radiactividad y es lo que conocemos como la energía liberada en forma de radiación ionizante, a su vez estos emiten una radiación llamada radionúclidos, que es aquella sustancia que utilizan los científicos para las pruebas de imagenología y su tratamiento.
La exposición a los radionúclidos se divide en dos formas, la primera es interna que es cuando una persona inhala, ingiere este tipo de sustancias y por consecuencia entra directamente a la sangre, como, por ejemplo, cuando una persona va a recibir un tratamiento por medio de inyecciones, curación de una herida. Cabe destacar que el cuerpo espontáneamente libera esta sustancias de torrente sanguínea por medio de excremento o simplemente si deseas hacerlo de forma más rápida y eficiente, se le aplica un tratamiento médico intravenoso.
La segundo es de forma externa, que es básicamente cuando la sustancia está en el medio ambiente, ya sea en el aire, polvo, líquidos o cualquier otro método. Por lo general este se adhiere a la vestimenta de las personas o cualquier otro material personal, de igual forma puede adherirse a la piel. La recomendación para eliminar este tipo de sustancias es que la persona se asea correctamente luego de estar expuesta a este tipo de radiación.
¿Pero cuáles son los verdaderos riesgos para la salud?
Cuando las personas tienen la necesidad de realizarse algún tipo de radiografía ya sea, de tórax, abdomen, huesos, entre otras. Por lo general siempre están expuestas a la radiación ionizante y reciben pequeñas dosis de este tipo de radiación. Es por ello que la mayoría de los operadores de estos equipos a largo plazo tiene efectos secundarios muy graves como pérdida del cabello, cataratas y hasta cáncer en la piel.
Un dato curioso que forma parte de mi experiencia personal es que hace algunos años atrás cuando estaba iniciando mis estudios de pregrado conocí a un chico que trabaja en un laboratorio de radiología, el me comento que tenía aproximadamente 15 años trabajando en el área y que los efectos secundarios ya estaban presentes en el. Me enseñó fotos del antes y después y pude corroborar que él había perdido gran parte de su vello facial, aproximadamente en 70%, de igual forma tu color de piel tenía un tono algo rojizo y presenta muchas manchas en todo su cuerpo. Pero lo más impactante fue cuando él me dijo apaga la luz y mira lo que va a suceder, apague la luz de la oficina y asombrosamente él presentaba en su aurora una especie de color verdoso, yo quede impactado con la situación, estar expuesto a tanta radiación ocasiona que la radiación ionizante en la persona formará parte de él.
Para finalizar debemos acotar que los rayos X poseen grandes ventajas, gracias a su descubrimiento proporciona grandes avances en las ciencias médicas, por ello muchas profesionales en el área han hecho de los rayos X una herramienta fundamental para poder detectar enfermedades y salvaguardar las vidas de sus pacientes. Sin embargo no todo es color de rosa, como acabo de mencionar estar expuestos a mucha radiación ocasiona daños graves en el ser humano, es por ello que muchas empresas han tomado medidas preventivas para sus empleados, creando trajes especiales, medicamentos que ayuden a preservar la salud de las personas.
Esto es todo por esta ocasión, espero que este contenido sea de tu agrado y espero que su receptividad sea muy buena, ya que a futuro pienso seguir recolectando información importante de diferentes ganadores del premio nobel de física y hacer resúmenes interesantes que muestran el valioso trabajo de estos científicos y lo mucho que han ayudado al desarrollo de la ciencia y de la humanidad.
Para más información
Produccion de rayos X de rayosxuptm.blogspot.com
Descubrimiento de los rayos X de areaciencias.com
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El aporte a la ciencia de este señor es grandioso, como explique en el post las aplicaciones de los rayos X en la medicina han cambiado por completo la vida de las personas, y asi como esta Roentgen también encontramos muchos cientificos mas en diferentes áreas de la ciencia que han merecido el galardón del Nobel por sus valiosos aportes.
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