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Características de los Rayos-X y Rayos Gamma


Características de los Rayos-X y Rayos Gamma


En los capítulos de Estructura del Atomo y Materiales Radiactivos se le ha dado un pequeño panorama teórico de la estructura del átomo y el fenómeno de la radiactividad. Hablemos ahora acerca de los rayos-x y rayos gamma específicamente para poder entender mejor la naturaleza de estos rayos.

En realidad, existen dos clases de radiación usadas en radiografía, rayos gamma y rayos-x. La radiación gamma, como usted sabe, es uno de los productos de la desintegración nuclear o decaimiento. Los rayos-x son producidos artificialmente en un tubo de electrones de alto voltaje.

EXCEPTO POR SUS FUENTES, LOS RAYOS GAMMA Y RAYOS-X SON EXACTAMENTE LA MISMA CLASE DE RADIACION.

Mismo tipo de radiación electromagnética

 

En este capítulo usted descubrirá algunas de las características de los rayos-x y gamma, aquellas que son básicas para el tema de la radiografía.

Los rayos-x y rayos gama no son pedacitos de materia o partículas como lo son la radiación alfa y beta. Estos no tienen ni masa ni peso. En lugar de eso, son ondas de energía. Estas son invisibles, no tienen olor y no pueden sentirse. En otras palabras, nuestros sentidos normales no pueden detectar los rayos-x ni los rayos gamma.

El hecho de que no podamos ver o sentir los rayos no debería ser una razón para que los tratemos tan a la ligera. La radiación x y gamma puede ser muy dañina al cuerpo humano como se verá más adelante; sin embargo, siguiendo los procedimientos ya establecidos de seguridad, no debería haber razón para preocuparse al usar estas herramientas invisibles.

Entonces repetimos que la radiación x y gamma son idénticas y no pueden ser detectadas por nuestros sentidos.

Exactamente, ¿qué es la fuerza invisible?. Los rayos-.x y rayos gamma son parte de lo que los científicos llaman el "espectro electromagnético". Muchos de sus vecinos en este espectro nos son familiares. Aquí está el espectro:

 

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

 

Como lo hemos indicado en el diagrama de arriba, los rayos gamma y rayos-x son en realidad ondas, como también los son los otros miembros del espectro electromagnético. Cada punto en el espectro representa una onda electromagnética de una longitud de onda diferente. Las líneas entre las agrupaciones generales no son divisiones precisas, cada agrupación está en fase con la siguiente. Examinando el espectro, podemos apreciar que las ondas de rayos-x y rayos gamma son más cortas que cualquiera de las otras ondas en el espectro.

Al acercarnos al extremo izquierdo del espectro, las ondas se hacen cada vez más cortas y cuando nos acercamos al extremo derecho éstas se hacen más largas.

Las ondas de las que hablamos pueden ser representadas así:

La distancia entre los picos de las ondas o los mínimos de estas, es la longitud de onda.

Estas ondas varían tremendamente en longitud de un extremo a otro en el espectro. Algunas ondas de radio en el extremo derecho del espectro son de varias millas de largo; mientras que los rayos-x y gamma en el extremo izquierdo del espectro, son medidas en "unidades angstrom" y fracciones de unidades angstrom. Una unidad angstrom es igual a 0.00000001 (diez mil millonésimas) de centímetro.

Ya que un centímetro (cm) es igual a 0.394 de pulgada, puede usted ver que una unidad angstrom es una distancia extremadamente corta.

Ya hemos afirmado que los rayos-x y rayos gamma no tienen peso ni masa. Tampoco tienen carga eléctrica. Esto significa, que no son influenciados por campos eléctricos y por lo tanto viajarán en líneas rectas.

Otra característica de los rayos-x y rayos gamma, que también la tienen todos los otros miembros del espectro electromagnético, es el hecho de que todos viajan a la misma velocidad, 300,000 kilómetros por segundo aproximadamente, (186,000 millas por segundo). Esta es la tan llamada "velocidad de la luz". Realmente esta es la velocidad de toda radiación electromagnética.

Aquí hay dos rayos-x de diferentes longitudes de onda. (Aumentados enormemente, por supuesto).

Ahora, piense un poco en las cosas que hemos discutido acerca de los rayos-x y rayos gamma; ¿qué encontraríamos si pudiéramos contar el número de ondas del rayo-x A y del rayo-x B (arriba) que pasan por un punto dado en un segundo?. Pues que "pasan más ondas de A que ondas de B".

Usted reconoce el hecho de que cada punto en los dos rayos se moverá a la velocidad de la luz, por lo tanto pasarán más ondas de A que ondas de B.

Si este concepto no está claramente fijo en su mente, sugerimos que vuelva a estudiar desde la primera parte para una amplia comprensión antes de que continúe.

Prosigamos. El número de ondas electromagnéticas que pasan por un punto dado en un segundo, se denomina la "frecuencia" de ese rayo en particular. En lugar de etiquetar a la frecuencia con "ondas por segundo", diremos "ciclos por segundo", siendo un ciclo una onda completa, mínimo a mínimo, o pico a pico.

Aquí hay varios rayos:

Suponga que los 8 segmentos de los 3 rayos pasarán por el contador en un segundo. ¿Cuál es la frecuencia de cada rayo en ciclos por segundo?. La frecuencia es "A = 8 c.p.s, B = 4 c.p.s, C = 2 c.p.s.".

El rayo A tiene 8 ondas completas, B tiene 4 ondas completas y C tiene 2 ondas completas.

Vea de nuevo el mismo diagrama.

 

Comparando las longitudes de onda de cada rayo, vemos que las ondas B son dos veces más largas que las ondas A, y las ondas C son dos veces más largas que las ondas B.

Pongamos en una tabla lo que sabemos sobre las ondas.

 

Ancho de onda Frecuencia

Rayo A

1 Unidad

8 c.p.s

Rayo B

2 Unidades

4 c.p.s.

Rayo C

4 Unidades

2 c.p.s.

 

"Cuando la longitud de onda de una onda electromagnética se incrementa, la frecuencia de la onda disminuye".

La frecuencia y la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, son inversamente proporcionales, lo que significa que cuando una se incrementa, la otra disminuye en una cantidad proporcional.

Se duplica una y la otra e reduce a 1/2
Se triplica una y la otra se reduce a 1/3

Los rayos-x y rayos gamma, son una sub-familia de los rayos dentro del espectro electromagnético. Si separamos el segmento de los "rayos-x y rayos gamma" del espectro electromagnético, tendríamos un sub-espectro tal como este:

Nótese que al final del lado izquierdo del espectro, las longitudes de onda son cortas y tienen una gran frecuencia. En el extremo derecho; son largas y tienen una baja frecuencia.

Examinemos el espectro de rayos-X/rayos gamma más de cerca.

Si tomamos dos rayos-x, uno del extremo izquierdo del espectro y otro del extremo derecho, éstos se observarían así:

Además de ser ambos rayos-x, los dos rayos tienen algo más en común. ¿Lo puede notar?.

Sí, las ondas de ambos rayos tienen la misma "amplitud", o altura.

Todas las ondas x y gamma, se pueden decir que tienen la misma amplitud o altura.

Las dos ondas mostradas arriba tienen diferentes longitudes de onda y frecuencias; sin embargo, tienen la misma amplitud o altura.

Aquí están de nuevo los dos rayos-x, ¿qué podríamos decir de ellos?

El rayo de alta frecuencia tiene más energía que el rayo de menor frecuencia. Cada onda tiene la misma energía pero en un rayo de alta frecuencia hay más ondas, por lo tanto más energía.

LOS RAYOS-X Y GAMMA DE ALTA FRECUENCIA Y CON LONGITUD DE ONDA CORTA, POSEEN MAS ENERGIA QUE LOS RAYOS CON BAJA FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA LARGA.

Los rayos-x y rayos gamma en el extremo izquierdo del espectro, son rayos de alta energía. Estos rayos, son algunas veces llamados rayos-x "duros".Los rayos-x y rayos gamma en el extremo derecho del espectro, son rayos de baja energía. Estos rayos, son algunas veces llamados rayos-x "suaves".Antes de que sigamos adelante, discutamos el método de medición de la "energía".Estaremos hablando más y más de energía de aquí en adelante.La energía de los rayos-x y rayos gamma está medida en miles de electrón-voltios (KeV) o millones de electrones voltios (MeV).

Un electrón-voltio, es una cantidad de energía igual a la energía ganada por un electrón, cuando éste es acelerado por un voltio.

Por ejemplo, si un electrón fuera acelerado por un potencial de 100 mil voltios (100 KV), el electrón tendría una energía de 100 mil electrón-voltios (100 KeV). Si toda esta energía fuera convertida a radiación electromagnética, el resultado sería un rayo-x de 100 KeV.Las energías de los rayos-x y rayos gamma típicamente usados en radiografía, van desde unos pocos KeV a varios MeV o más, dependiendo del tipo de equipo de rayos-x que se esté usando o el radioisótopo particular que esté siendo empleado.¿Qué tiene que ver la "energía" de un rayo gamma o un rayo-x con usted como radiólogo?. Esta es la base sobre la cual se constituye la radiografía.Es la energía de los rayos-x y rayos gamma, la que le da a éstos la capacidad para penetrar objetos sólidos.Otros rayos del espectro electromagnético, rayos de luz por ejemplo, tienen la misma cantidad de energía en cada onda, pero sus frecuencias son muy bajas para permitirles que penetren en la forma que lo hacen los rayos-x.

Los rayos-x y rayos gamma, son aquellos que se encuentran en la parte izquierda final del espectro electromagnético, y que tienen energía suficiente para penetrar objetos sólidos.

Los rayos-x y rayos gamma incluyen un rango variado de energías, por lo tanto, éstos varían en sus propiedades penetrantes.Los rayos-x de baja energía o "suaves", no pueden penetrar tan profundamente como los rayos-x de alta energía o rayos-x "duros".

Nótese que todos los rayos-x no penetran exactamente a la misma profundidad. Esto lo hablaremos más tarde. El punto que estamos tratando de establecer ahora, es que el rayo "promedio" duro, penetrará más profundamente que el rayo promedio blando.La "energía" es la clave para una buena radiografía. Muy poca penetración o demasiada penetración en la muestra a ser radiografiada, producirá una mala radiografía.Sería muy bueno que el radiólogo tuviera a su disposición un amplio rango de fuentes de radiación x o gamma de varias energías únicas. El podría entonces, escoger la energía que se adaptara mejor para el trabajo. Tal radiación, en la cual todos los rayos son de una sola longitud de onda, o energía, se le denomina radiación MONOCROMATICA. Desafortunadamente, la radiación monocromática es muy rara.Lo rayos-x, los cuales si usted recuerda son producidos en un tubo de electrones de alto voltaje, son una mezcla heterogénea de un gran número de rayos de varias energías. Los rayos de máxima energía en esta mezcla; son el resultado del voltaje que se le aplique al tubo de rayos-x y son identificados mediante este voltaje. Por ejemplo, si 50 mil voltios (50 KV) son aplicados al tubo de rayos-x, los rayos-x resultantes, son una mezcla en la cual los rayos de más alta energía, son rayos-x de 50 mil electrón voltios (50 KeV). Además estarán presentes grandes cantidades de rayos-x de energías más bajas.Si 150,000 voltios (150 KV) fueran aplicados a un tubo de rayos-x, la radiación-x resultante consistiría de una mezcla en la cual la energía máxima de los rayos-x, sería de 150 mil electrón voltios (150 KeV).

Normalmente, habría muy pocos rayos-x de máxima energía, teniendo la mayoría de los rayos-x energías algo menores que la máxima. También habría algunos rayos-x con energías muy bajas, mucho menores que la máxima.

Los rayos gamma de un isótopo radiactivo, no son tanto una mezcla de energía como lo son los rayos-x, es más, en algunos casos éstos son monocromáticos.

Cada isótopo productor de gamma, emite rayos de una o más energías específicas. Estas energías son siempre iguales para un mismo isótopo.

Por ejemplo, el cobalto 60 (Co-60) siempre emite dos rayos gamma duros. Uno de estos rayos, tiene una energía equivalente al rayo más duro que sería producido por una máquina de rayos-x de 1.33 MeV. El otro rayo, es equivalente al rayo más duro que sería producido por una máquina de rayos-x de 1.17 MeV, por lo tanto, a éste se le llama un rayo gamma de 1.17 MeV.

El Co-60 siempre emite rayos gamma de 1.33 MeV y 1.17 MeV. El operador de este elemento no tiene control sobre las energías de estos rayos-x (éstas son siempre las mismas).

¿Cuál sería el resultado, si el tamaño de una fuente de Co-60 de una actividad específica dada, fuera duplicada?. Pues que la actividad se duplicaría pero la energía permanecería igual.

Usted recuerda lo que aprendió acerca de la actividad. La energía y la actividad son cosas diferentes, no tienen relación una con otra.

La actividad es simplemente una medida del número de desintegraciones por segundo, y varía con la cantidad del isótopo. Esta es medida en curies.

La energía es una medida de la capacidad de penetración de los rayos individuales y es independiente de la cantidad de radiación. La energía es medida en KeV o en MeV.

 

Note que las actividades de Co-60 e Ir-192, varían con el tamaño de las fuentes, pero las energías de los rayos gamma emitidos permanecen siendo las mismas. Unicamente el número de rayos cambia, no la energía de los rayos individuales.

Analicemos algunas de las energías de los rayos gamma emitidas por los isótopos radiactivos comunes, con los que usted estará trabajando.

Cobalto 60 (Co-60) emite rayos de
rayos de
1.17 MeV
1.33 MeV
 
Iridio 192 (Ir-192) emite rayos de
rayos de
rayos de
310 KeV
470 KeV
600 KeV
(0.31 MeV)
(0.47 MeV)
(0.60 MeV)
Tulio 170 (Tm-170) emite rayos de
rayos de
84 KeV
52 KeV
(0.84 MeV)
(0.052 MeV)
Cesio 137 (Cs-137) emite rayos de 660 KeV (0.66 MeV)

 

Algunos de estos isótopos, emiten rayos de otras energías en adición a los ya listados, pero en cantidades tan pequeñas que para usos radiográficos éstos pueden ser ignorados.

Los isótopos listados siempre emitirán rayos con las energías mostradas. El número de estos rayos variará dependiendo del número de curies, o actividad, del isótopo que está siendo usado.

¿Cuál de los dos isótopos listados tendría la radiación más penetrante y cuál menos?

Obviamente el Co-60 es más penetrante y Tm-170 es menos, ya quel Co.60 emite rayos gamma con mayor energía, sus rayos son más penetrantes.

Usted no tiene que aprenderse de memoria las energías de estos rayos gamma. Pero sí debería recordar sus rangos aproximados. El Cobalto 60, tiene rayos muy duros; el Iridio 192 y el Cesio 137, tienen rayos moderadamente duros y el Tulio 170 tiene rayos suaves.

Las energías de los rayos gamma son fijas para cada isótopo. Por otra parte, los rayos-x pueden ser generados en un rango casi limitado. Dependiendo del equipo que se esté usando, el operador de estos equipos puede seleccionar cualquier energía que él desee, desde unos pocos KeV a varios MeV. Sin embargo, en adición a la energía máxima que seleccione, también obtendrá todas las energías inferiores a ese valor.

Hemos tratado de establecer en los capítulos anteriores, que la "energía" y la "actividad" de una fuente radiactiva son cosas diferentes y no dependen una de otra.

La energía se determina por la longitud de onda o frecuencia de cada rayo; y se refleja en la capacidad de penetración del rayo. La energía es medida en KeV o MeV.

La actividad de una fuente radiactiva, está relacionada con el número de desintegraciones que toman lugar en un segundo. La actividad se mide en curies.

Ahora, extendamos nuestro pensamiento un paso más hacia delante. Usando lo que sabemos acerca de los patrones o formas de decaimiento de varios isótopos, aseveramos que un curie, es una medida precisa del número de desintegraciones (37 mil millones/segundo), sin importar el isótopo que sea, sin embargo, cada isótopo tiene su propio patrón particular de decaimiento. Por lo tanto debemos saber, de cuál isótopo estamos hablando y así poder relacionar la actividad al número de rayos gamma.

Aquí está nuestro punto. Cuando estamos tratando con cualquier isótopo, la fuerza en curies no es únicamente una medida de la actividad, sino que también es una medida del número de rayos gamma emitidos, o la intensidad de la radiación gamma.

Por ejemplo, la intensidad gamma (número de rayos) de una fuente de Co-60 de 5 curies, puede ser duplicada usando una fuente de 10 curies de Co-60.

O, la radiación gamma de una fuente de 50 curies de Ir-192, es 5 veces más intensa que la radiación de una fuente de 10 curies de Ir-192.

Sin embargo, la radiación gamma de 10 curies de Ir-192, no tiene el doble de la intensidad de la radiación de 5 curies de Co-60.

La fuerza en curies, determina la intensidad de la radiación gamma para los radioisótopos. Podemos comparar estas intensidades directamente cuando hablamos acerca de dos o más fuentes del mismo isótopo.

La intensidad de los rayos-x (número de rayos), como en los rayos gamma, no tienen nada que ver con la energía de los rayos individuales. Como discutimos anteriormente, la energía de los rayos-x es controlada por el voltaje que se le aplica al tubo de rayos-x.

Sin embargo, la intensidad de la radiación x (número de rayos-x), es directamente proporcional a la corriente o amperaje que se le aplique al tubo. (Usted encontrará razón de ello más tarde).

Veamos lo que esto significa:

La intensidad de la radiación de un tubo de rayos-x, se duplicará si la corriente es duplicada, digamos de 10 miliamperes (mA) a 20 miliamperes, considerando que el voltaje (energía) permanece igual.

De esta discusión, usted puede ver que la fuerza en curies y la corriente, tienen un significado común. Ambos determinan la intensidad de la radiación o número de rayos. Pero no cambian la energía o capacidad de penetración de los rayos individuales.

 

Repasemos un poco lo que hemos aprendido en este capítulo.

Primero. Excepto por sus fuentes, los rayos-x y rayos gamma, son exactamente la misma clase de radiación.

Segundo. Los rayos-x y rayos gamma son ondas de energía pura. Estas no tienen masa ni peso y viajan a la velocidad de la luz.

Tercero. Los rayos-x y rayos gamma, no pueden ser detectados por nuestros sentidos normales.

Cuarto. Los rayos-x y rayos gamma son radiación electromagnética.

Quinto. Los rayos-x y rayos gamma tienen longitudes de onda muy cortas y frecuencias muy altas en comparación a otros miembros del espectro electromagnético.

Sexto. Los rayos-x y rayos gamma con longitudes de onda cortas y frecuencias altas, tienen más energía que los rayos con longitudes de onda largas y frecuencias bajas.

Séptimo. La energía de los rayos-x y rayos gamma, es medida en KeV o MeV. Un electrón-voltio es la cantidad de energía ganada por un electrón, cuando éste es acelerado por un voltio.

Octavo. La energía de un rayo-x o un rayo gamma determina su capacidad de penetración.

Noveno. La radiación monocromática, es radiación con una energía o longitud de onda única.

Décimo. Cualquier isótopo dado productor de gamma, siempre emitirá rayos gamma con la misma energía o energías.

Undécimo. Las máquinas de rayos-x producen una mezcla de rayos-x. Los rayos-x de más altas energías son dependientes del voltaje aplicado al tubo.

Duodécimo. Las energías de los rayos gamma, están determinadas por el tipo de isótopo. La intensidad de los rayos gamma, o numero de rayos está determinada por la actividad o fuerza en curies del isótopo.

Décimo tercero. Las energías de los rayos-x están determinadas por el voltaje aplicado al tubo de rayos-x. La intensidad de los rayos-x está determinada por la corriente, o miliamperaje aplicado al tubo.

   

Hasta aquí hemos descrito la radiación x y la radiación gamma como ondas de carácter muy similar. Tienen frecuencias o longitudes de onda que pueden ser calculadas y se comportan como ondas (hasta cierto punto). Casi a mediados del siglo XX, los investigadores encontraron que la radiación electromagnética, tenía algunas características que no se ajustaban a la teoría de las ondas. Algunas veces, la radiación electromagnética actuaba casi como partículas.

Una nueva idea fue presentada, la cual describía la radiación electromagnética en términos de porciones o paquetes de energía. Las porciones de energía fueron llamadas "quanta". La idea de la quanta es muy útil para explicar algunas de las propiedades de la radiación electromagnética; y actualmente viene a formar parte del conocimiento científico aceptado sobre esta materia.

La palabra "quanta" ya no es muy frecuente, es más común escuchar el término FOTON. Las palabras son intercambiables.

Para un físico, la radiación electromagnética es dos cosas, ondas o paquetes de energía llamados fotones. Usted oirá, que ambos términos serán usados cuando se discuta acerca de los rayos-x y rayos gamma. Hasta donde nos concierne en nuestro estudio de radiografía, la discusión científica completa de las ondas contra los fotones no es necesaria; nosotros aceptaremos únicamente, el hecho de que los rayos-x y rayos gamma son uno u otro o ambos.

En los siguientes capítulos, a menudo usaremos la palabra fotón, debido a que es el término más conveniente en muchos casos.

Una palabra de precaución para ustedes. No confundan la palabra "fotón" con "protón". Un protón, es una partícula cargada positivamente( ); mientras que un fotón, es una porción o un paquete de energía sin masa o carga.

 

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