Los Rayos X [Viva el Ingenio]

Los Rayos X [Viva el Ingenio]: "

Siguiendo con nuestra colección de inventos, vamos a tomarnos de dos temas anteriores para generar un tercero. Como habrán visto, elegimos los inventos y descubrimientos a destacar de manera de mostrar que unos se erigieron sobre otros, y que el trabajo de cada científico e inventor se basó de alguna manera en planteamientos y experiencias incompletas de algún precursor.

Les contamos cómo las pantallas CRT son herencia del Tubo de Crookes y que fueron mejoradas usando el Efecto Edison, el mismo que derivó en los Tubos de Vacío. Por otro lado, también mencionamos que el RADAR es una aplicación que se tomó de un efecto secundario en las transmisiones de ondas de radio. Sin embargo, la historia no estaría completa si no mencionamos que el conocimiento derivado de investigar las ondas de radio y el Tubo de Crookes le permitió a otro científico descubrir, por accidente, los rayos X.

Tesla Generó Rayos X

Como explicamos en el artículo sobre la Radio, la radiación electromagnética obedece a las ecuaciones planteadas por Maxwell a mediados del siglo XIX. Maxwell lo hizo pensando en una manera de relacionar electricidad con luz, pero le quedaron tan bien hechas que se aplican a todo el espectro, incluyendo ondas que el científico no sabía que existían y otras cuya existencia sospechaba pero no tenía cómo generar en ambiente controlado.

Mencionamos esto porque en realidad las ondas de radio, la luz y los rayos X son sólo distintos sabores del mismo producto, y en la naturaleza este producto se presenta muchas veces abarcando un amplio espectro, del que nosotros captamos apenas un fragmento. Por ejemplo, percibimos la luz que nos llega del sol, pero ésta llega en realidad como un subconjunto de radiación electromagnética mucho más amplia que involucra (lo habrán visto en TV) una generosa gama de la franja ultravioleta.

De la misma manera, cuando los científicos experimentaron con los tubos de Crookes y más adelante con los tubos de vacío, eran conscientes de los resultados parametrizados en torno al objetivo que se fijaban, pero no en términos de los resultados que no esperaban y que no notaban. Los rayos X son un ejemplo de esto. Es probable que desde Crookes en adelante todos los tubos CRT hayan generado cierta emisión de rayos X, sólo que nadie se preocupó de ellos en el momento.

Sabemos por ejemplo -y se los comentamos en el artículo de los tubos de vacío- que en 1887 Nikola Tesla experimentó con un tubo al vacío provisto de un solo electrodo. Los electrones no se movían por la atracción del ánodo cargado positivamente, sino por el campo cambiante impreso en el cátodo por la alimentación de corriente alterna. Es como el servicio en el tenis. Primero se levanta la pelota y luego se le pega. En el tubo de Tesla la emisión termoiónica producida al calentar el cátodo “soltaba” los electrones, y el violento cambio en el campo eléctrico los repelía en una ráfaga de alta velocidad. Al impactar contra el vidrio de la pared opuesta del tubo, se produce la llamada Radiación de Frenado, uno de los dos métodos más comunes para generar Rayos X. Básicamente, en el momento del impacto el electrón se ve frenado y desviado (pierde energía) y esa energía debe transformarse en algo. Ese algo es un fotón de altísima frecuencia.

Tesla documentó su existencia pero no le encontró uso sino que lo trató como un efecto secundario indeseable. Anotaciones similares se pueden encontrar en las notas de diversos físicos que experimentaron con tubos de Crookes y otros tipos de tubos de rayos catódicos.

El descubrimiento de Wilhelm Röngten

Ocho años más tarde, en Alemania, el físico Wilhelm Conrad Röntgen se encontraba experimentando con tubos de Crookes y ensayando con el mismo principio que derivó en la pantalla CRT, que es recubrir un tubo de rayos catódicos con una pantalla de material fluorescente, para convertir la mayor cantidad de radiación UV en luz visible. Hoy sabemos que el recubrimiento más común en estas pantallas es de base fosfórica, pero en esa época decidieron experimentar con muchos otros compuestos buscando el mejor candidato. Algunos probaron con una lámina de queso, otros con un cartón, y Röntgen con una placa de Platinocianuro de Bario. Como les dije, era prueba y error asi que cualquier recubrimiento era admisible.

Lo que Röngten no tenía como saber es que, si bien su recubrimiento no era particularmente útil para generar fluorescencia, sí era óptimo para generar Rayos X. Ocurre que un electrón que venga con la suficiente energía como para chocar y sacar volando un electrón del átomo de un elemento metálico obligará a que la estructura cuántica del elemento se recomponga. Los electrones no pueden ocupar una capa de mayor energía si la capa previa está incompleta, así que cuando el tubo de Röngten le sacó electrones al Platinocianuro de Bario, el espacio remanente tuvo que ser llenado por electrones de una capa superior. El bajar de capa implica deshacerse de la diferencia de energía que diferencia una capa de otra, y esa energía tiene que irse a otra parte. Puntualmente, en este caso esa energía abandona el átomo metálico en la forma de un fotón de altísima frecuencia. Esto se llama Fluorescencia de Rayos X.

A diferencia del fenómeno observado por Tesla, acá el fotón proviene de un electrón del ánodo que baja a una órbita de menor energía. En la Radiación de Frenado, el fotón proviene del mismo electrón que venía viajando a alta velocidad desde el cátodo.

Röngten había estado trabajando con un tubo de Crookes recubierto en cartón negro para eliminar la luz visible como factor en el experimento, y pronto notó que los Rayos X (que él bautizó asi por que eran “desconocidos”) podían atravesar el cartón, los libros y los muebles, aunque se veían atenuados.

A menudo dicen que Röngten descubrió los rayos X porque sin querer dejó papel fotográfico cerca de su banco de pruebas y luego notó que se había velado pese a estar en un envoltorio opaco. En realidad esto es un mito. Las observaciones sobre el extraño comportamiento del papel fotográfico en las cercanías de los tubos de Crookes fueron un fenómeno observado tanto por Johann Hittorf en Alemania como por Ivan Pulyui en Austria, quienes documentaron el fenómeno más o menos al mismo tiempo que Tesla pero no intentaron explicarlo ni le buscaron alguna utilidad.

Por el contrario, Röngten se maravilló con esta propiedad de “atravesar objetos” y al año siguiente mandó un artículo a una revista de medicina. En ese artículo, además de describir exhaustivamente la Radiación X, sus propiedades y el método para generarla, adjuntó una foto que le tomó a la mano de su esposa usando el mismo fenómeno que Hittorf y Pulyui habían visto sin aprovechar: la capacidad de los Rayos X de atravesar el tejido blanco y dejar una huella en el papel fotográfico, la cual se veía atenuada ahí en donde el obstáculo era más denso, o sea los huesos de la señora.

Es la primera “radiografía” de la historia. Esto despertó mucho interés tanto en la comunidad médica como en la física, y 4 años después Röngten recibió como reconocimiento el Premio Nóbel de Física. Era 1901 y era la primera vez que se entregaba ese galardón. Adicionalmente entre los físicos se volvió común llamarle Rayos Röngten a los rayos X, pese a que el científico se oponía a esa costumbre que le parecía frívola. Finalmente, la única que no estaba contenta era la esposa, que se sintió muy afectada al ver una foto de sus huesos y le dijo a Röngten: “Me has mostrado mi muerte“, enviándolo a dormir al sillón durante una larga temporada.

En los años que siguieron…

El invento de Röngten no sobrevivió a las inclemencias del tiempo. Se perdió en un incendio que afectó al laboratorio del científico junto con muchos de sus papeles. Por lo mismo, podría decirse que el aparato de Rayos X más antiguo que se conserva es el de Russell Reynolds, quien lo construyó en 1896 y lo donó al Museo de Ciencias de Londres. Ahí está todavía y es la foto que corona este artículo.

Como no podía ser de otra manera, al otro lado del Athlántico don Thomas Edison escuchó del descubrimiento y rápidamente empezó a fabricar tubos de Rayos X, pero mejoró la construcción de Röngten usando scheelita que no es un apodo de cerveza sino un cristal que contiene Tungsteno y Calcio. El fluoroscopio de scheelita era tan eficiente que en poco tiempo se convirtió en estándar en la comunidad médica.

Sin embargo, pese a que el fluoroscopio y la especialidad que hoy conocemos como radiología empezó a florecer y perfeccionarse, ese perfeccionamiento no vino de la mano de Edison. Ocurre que en su fábrica de fluoroscopios el jefe de los sopladores de vidrio hacía el control de calidad de los dispositivos probando su emisión de rayos X usando sus manos. Después de un par de años probando cientos de tubos, este señor desarrolló un cáncer muy violento que primero requirió amputarle ambos brazos, y pocos meses después terminó por matarlo.

No sabemos si Tesla en el fondo de su corazón habrá pensado “te lo dije!” pero si acaso lo pensó tenía razón. Él había documentado el efecto nocivo de los rayos X, señalando que iban deteriorando la piel a medida que ésta se exponía a ellos. Nikola Tesla pensaba, dicho sea de paso, que no eran los rayos X lo que provocaba el daño, sino el ozono generado como producto residual. Como sea, luego de la muerte de su operario, sabemos que Edison se sintió consternado y decidió no volvió a investigar los rayos X, dejándole el camino libre a otras empresas. En ese sentido Edison tenía un curioso código de conducta. Si bien no dudaba en perfeccionar inventos ajenos y patentarlos, tenía una fijación en contra de los inventos que fueran potencialmente letales para el hombre.

Con Edison fuera de competencia otras empresas se adueñaron del mercado, y se pusieron a investigar cómo mejorar los defectos de los fluoroscopios. Éstos tenían la misma debilidad de los tubos de Crookes. A medida que el aire al interior se iba agotando, la radiación ionizante dejaba de tener efecto y a la larga ya no generaba rayos X. Cuando se inventaron los tubos de vacío durante la primera década del siglo XX, los científicos dedicados a los rayos X vieron en ello una oportunidad de generar una variante capaz de generar rayos X. Quien lo logró fue William D. Coolidge en 1913, y su invento se conoció como Tubos de Coolidge. Una manera de generar rayos X en forma contínua, duradera y barata.

Junto con los múltiples usos de los rayos X en medicina, otros científicos encontraron usos innovadores para su comportamiento. William Lawrence Bragg , William Henry Bragg (Padre e Hijo) y el inglés Charles Barkla (no confundir con Charles Barkley) descubrieron distintas partes de la espectroscopía y cristalografía de rayos X, determinando que cada elemento emite una radiación de una frecuencia única al ser estimulado con este tipo de rayos. Los Bragg y Barkla ganaron sucesivamente el Premio Nóbel de Física en 1915 y 1917 respectivamente.

Ya nos quedan cada vez menos artículos para completar la colección Viva el Ingenio. Espero que lo que llevamos hasta ahora les haya gustado y que sigan atentos al material que nos queda por publicar!

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