radiografía

Los rayos X fueron detectados inicialmente en la ciencia como un tipo de radiación no identificada que emanaba de tubos de descarga por experimentadores que investigaban los rayos catódicos producidos por dichos tubos, que son haces de electrones energéticos observados por primera vez en 1869. Los primeros investigadores notaron efectos atribuibles a ellos en muchos de los primeros tubos de Crookes (inventados alrededor de 1875). Los tubos de Crookes creaban electrones libres mediante la ionización del aire residual en el tubo con un alto voltaje de CC de entre unos pocos kilovoltios y 100 kV. Este voltaje aceleraba los electrones provenientes del cátodo a una velocidad lo suficientemente alta como para que crearan rayos X al chocar con el ánodo o la pared de vidrio del tubo. ^{[ 6 ]}

Se cree que el primer experimentador que produjo rayos X (sin saberlo) fue William Morgan . En 1785, presentó un trabajo a la Royal Society de Londres describiendo los efectos de hacer pasar corrientes eléctricas a través de un tubo de vidrio parcialmente al vacío, produciendo un brillo creado por rayos X. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Este trabajo fue explorado más a fondo por Humphry Davy y su asistente Michael Faraday .

A partir de 1888, Philipp Lenard realizó experimentos para comprobar si los rayos catódicos podían atravesar el tubo de Crookes y llegar al aire. Construyó un tubo de Crookes con una "ventana" en el extremo, hecha de aluminio delgado, orientada hacia el cátodo para que los rayos catódicos incidieran sobre ella (posteriormente conocido como "tubo de Lenard"). Descubrió que algo atravesaba el tubo, lo que exponía placas fotográficas y provocaba fluorescencia. Midió el poder de penetración de estos rayos a través de diversos materiales. Se ha sugerido que al menos algunos de estos "rayos de Lenard" eran en realidad rayos X. ^{[ 10 ]}

Hermann von Helmholtz formuló ecuaciones matemáticas para los rayos X. Postuló una teoría de la dispersión antes de que Röntgen hiciera su descubrimiento y anuncio. La basó en la teoría electromagnética de la luz . ^{[ 11 ]} Sin embargo, no trabajó con rayos X reales.

A principios de 1890, el fotógrafo William Jennings y el profesor asociado de la Universidad de Pensilvania, Arthur W. Goodspeed, estaban fotografiando monedas con chispas eléctricas. El 22 de febrero, tras finalizar sus experimentos, quedaron dos monedas sobre una pila de placas fotográficas antes de que Goodspeed le mostrara a Jennings el funcionamiento de los tubos de Crookes . Mientras revelaba las placas, Jennings observó discos de origen desconocido en algunas de ellas, pero nadie pudo explicarlos y continuaron con el experimento. No fue hasta 1896 que se dieron cuenta de que, accidentalmente, habían realizado una radiografía (no reclamaron ningún descubrimiento). ^{[ 12 ]}

También en 1890, el asistente de Röntgen, Ludwig Zehnder, notó un destello de luz de una pantalla fluorescente justo antes de que se perforara el tubo cubierto que estaba encendiendo. ^{[ 13 ]}

Cuando Fernando Sanford, profesor de física de la Universidad de Stanford, realizó sus experimentos de "fotografía eléctrica" ​​entre 1891 y 1893 fotografiando monedas a la luz de chispas eléctricas, ^{[ 14 ]} al igual que Jennings y Goodspeed, es posible que, sin saberlo, haya generado y detectado rayos X. Su carta del 6 de enero de 1893 a la Physical Review fue debidamente publicada ^{[ 14 ]} y un artículo titulado « Sin lente ni luz, fotografías tomadas con placa y objeto en la oscuridad» apareció en el San Francisco Examiner . ^{[ 15 ]}

En 1894, Nikola Tesla notó en su laboratorio una película dañada que parecía estar asociada con experimentos con tubos de Crookes y comenzó a investigar esta energía radiante invisible . ^{[ 16 ] [ 17 ]} Después de que Röntgen identificara los rayos X, Tesla comenzó a hacer sus propias imágenes de rayos X utilizando altos voltajes y tubos de su propio diseño, ^{[ 18 ]} así como tubos de Crookes.

El 8 de noviembre de 1895, el profesor de física alemán Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X mientras experimentaba con tubos de Lenard y tubos de Crookes , y comenzó a estudiarlos. Escribió un informe inicial titulado "Sobre un nuevo tipo de rayo: una comunicación preliminar" y el 28 de diciembre de 1895 lo presentó a la revista de la Sociedad Físico-Médica de Würzburg . ^{[ 19 ]} Este fue el primer artículo escrito sobre rayos X. Röntgen se refería a la radiación como "X" para indicar que era un tipo de radiación desconocido. Algunos textos antiguos se refieren a ellos como rayos Chi, interpretando "X" como la letra griega mayúscula Chi , Χ . ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Existen relatos contradictorios sobre su descubrimiento, ya que Röntgen mandó quemar sus notas de laboratorio tras su muerte, pero esta es una reconstrucción probable por parte de sus biógrafos: ^{[ 23 ] [ 24 ]} Röntgen estaba investigando los rayos catódicos de un tubo de Crookes que había envuelto en cartón negro para que la luz visible del tubo no interfiriera, utilizando una pantalla fluorescente pintada con platinocianuro de bario . Observó un tenue resplandor verde en la pantalla, a aproximadamente 1 metro (3,3 pies) de distancia. Röntgen se dio cuenta de que algunos rayos invisibles provenientes del tubo atravesaban el cartón para hacer brillar la pantalla. Descubrió que también podían atravesar libros y papeles sobre su escritorio. Röntgen se dedicó a investigar sistemáticamente estos rayos desconocidos. Dos meses después de su descubrimiento inicial, publicó su artículo. ^{[ 25 ]} 

Röntgen descubrió su utilidad médica cuando fotografió la mano de su esposa en una placa fotográfica formada mediante rayos X. La fotografía de la mano de su esposa fue la primera fotografía de una parte del cuerpo humano realizada con rayos X. Cuando ella vio la imagen, dijo: «He visto mi muerte». ^{[ 28 ]}

El descubrimiento de los rayos X generó un gran interés. El biógrafo de Röntgen, Otto Glasser, estimó que, solo en 1896 , se publicaron hasta 49 ensayos y 1044 artículos sobre los nuevos rayos. ^{[ 29 ]} Probablemente se trataba de una estimación conservadora, si se tiene en cuenta que casi todos los periódicos del mundo informaron extensamente sobre el nuevo descubrimiento, y una revista como Science le dedicó hasta 23 artículos solo en ese año. ^{[ 30 ]} Las reacciones sensacionalistas al descubrimiento incluyeron publicaciones que vinculaban este nuevo tipo de rayos con teorías ocultas y paranormales, como la telepatía. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

El nombre de rayos X se mantuvo, aunque (a pesar de las fuertes objeciones de Röntgen) muchos de sus colegas sugirieron llamarlos rayos Röntgen . Todavía se les conoce con ese nombre en muchos idiomas, incluidos el alemán, el húngaro, el ucraniano, el danés, el polaco, el checo, el búlgaro, el sueco, el finlandés, el portugués, el estonio, el eslovaco, el esloveno, el turco, el ruso, el letón, el lituano, el albanés, el japonés, el neerlandés, el georgiano, el hebreo, el islandés y el noruego.

Röntgen recibió el primer Premio Nobel de Física por su descubrimiento. ^{[ 33 ]}

Röntgen notó de inmediato que los rayos X podían tener aplicaciones médicas. Junto con su presentación a la Sociedad Médico-Física del 28 de diciembre, envió una carta a médicos que conocía en toda Europa (1 de enero de 1896). ^{[ 34 ]} La noticia (y la creación de las "sombrasgramas") se extendió rápidamente, siendo el ingeniero eléctrico escocés Alan Archibald Campbell-Swinton el primero después de Röntgen en crear una fotografía de rayos X (de una mano). Hasta febrero, había 46 experimentadores que utilizaban la técnica solo en Norteamérica. ^{[ 34 ]}

El primer uso de rayos X en condiciones clínicas lo realizó John Hall-Edwards en Birmingham, Inglaterra, el 11 de enero de 1896, cuando radiografió una aguja clavada en la mano de un colega. El 14 de febrero de 1896, Hall-Edwards también fue el primero en utilizar rayos X en una operación quirúrgica. ^{[ 35 ]}

A principios de 1896, varias semanas después del descubrimiento de Röntgen, Ivan Romanovich Tarkhanov irradió ranas e insectos con rayos X, concluyendo que los rayos "no solo fotografían, sino que también afectan la función vital". ^{[ 36 ]} Casi al mismo tiempo, el ilustrador zoológico James Green comenzó a usar rayos X para examinar especímenes frágiles. George Albert Boulenger mencionó por primera vez este trabajo en un artículo que presentó ante la Sociedad Zoológica de Londres en mayo de 1896. El libro Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles (sciagraph es un nombre obsoleto para una fotografía de rayos X), de Green y James H. Gardiner, con un prólogo de Boulenger, se publicó en 1897. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

La primera radiografía médica realizada en Estados Unidos se obtuvo utilizando un tubo de descarga diseñado por Ivan Puluj . ^{[ 39 ]} En enero de 1896, tras leer sobre el descubrimiento de Röntgen, Frank Austin, del Dartmouth College , probó todos los tubos de descarga del laboratorio de física y descubrió que solo el tubo de Puluj producía rayos X. Esto se debía a que Puluj había incluido dentro del tubo un "objetivo" oblicuo de mica , utilizado para contener muestras de material fluorescente . El 3 de febrero de 1896, Gilman Frost, profesor de medicina en la universidad, y su hermano Edwin Frost, profesor de física, expusieron la muñeca de Eddie McCarthy, a quien Gilman había tratado semanas antes por una fractura, a los rayos X y recogieron la imagen resultante del hueso roto en placas fotográficas de gelatina obtenidas de Howard Langill, un fotógrafo local también interesado en el trabajo de Röntgen. ^{[ 40 ]}

Muchos experimentadores, incluido el propio Röntgen en sus experimentos originales, idearon métodos para ver imágenes de rayos X "en vivo" utilizando algún tipo de pantalla luminiscente. ^{[ 34 ]} Röntgen utilizó una pantalla recubierta con platinocianuro de bario. El 5 de febrero de 1896, el científico italiano Enrico Salvioni (su "criptoscopio") y William Francis Magie de la Universidad de Princeton (su "Skiascope") desarrollaron dispositivos de imágenes en vivo , ambos utilizando platinocianuro de bario. El inventor estadounidense Thomas Edison comenzó a investigar poco después del descubrimiento de Röntgen e investigó la capacidad de los materiales para fluorescer al ser expuestos a rayos X, encontrando que el tungstato de calcio era la sustancia más eficaz. En mayo de 1896, desarrolló el primer dispositivo de imágenes en vivo producido en masa, su "Vitascope", más tarde llamado fluoroscopio , que se convirtió en el estándar para los exámenes médicos de rayos X. ^{[ 34 ]} Edison abandonó la investigación de rayos X alrededor de 1903, antes de la muerte de Clarence Madison Dally , uno de sus sopladores de vidrio. Dally tenía la costumbre de probar tubos de rayos X en sus propias manos, desarrollando un cáncer tan persistente que le amputaron ambos brazos en un intento inútil por salvarle la vida; en 1904, se convirtió en la primera muerte conocida atribuida a la exposición a rayos X. ^{[ 34 ]} Durante el desarrollo del fluoroscopio, el físico serbio-estadounidense Mihajlo Pupin , utilizando una pantalla de tungstato de calcio desarrollada por Edison, descubrió que el uso de una pantalla fluorescente reducía el tiempo de exposición necesario para crear una radiografía para imágenes médicas de una hora a unos pocos minutos. ^{[ 41 ] [ 34 ]}

En 1901, el presidente estadounidense William McKinley fue víctima de un atentado con arma de fuego en dos ocasiones durante su asistencia a la Exposición Panamericana en Buffalo, Nueva York . Si bien una bala solo rozó su esternón , la otra se alojó en lo profundo de su abdomen y no pudo ser encontrada. Un asistente de McKinley, preocupado, envió un mensaje al inventor Thomas Edison para que enviara urgentemente una máquina de rayos X a Buffalo con el fin de localizar la bala perdida. La máquina llegó, pero no se utilizó. Aunque el disparo en sí no fue mortal, se desarrolló gangrena a lo largo de la trayectoria de la bala, y McKinley falleció seis días después a causa de un choque séptico provocado por una infección bacteriana. ^{[ 42 ]}

Con la experimentación generalizada con rayos X después de su descubrimiento en 1895 por científicos, médicos e inventores, surgieron muchas historias de quemaduras, pérdida de cabello y cosas peores en revistas técnicas de la época. En febrero de 1896, el profesor John Daniel y William Lofland Dudley de la Universidad de Vanderbilt informaron pérdida de cabello después de que Dudley fuera sometido a rayos X. Un niño que había recibido un disparo en la cabeza fue llevado al laboratorio de Vanderbilt en 1896. Antes de intentar encontrar la bala, se intentó un experimento, para el cual Dudley "con su característica devoción por la ciencia" ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} se ofreció voluntario. Daniel informó que 21 días después de tomar una fotografía del cráneo de Dudley (con un tiempo de exposición de una hora), notó una calva de 5 centímetros (2 pulgadas) de diámetro en la parte de su cabeza más cercana al tubo de rayos X: "Se fijó un soporte de placas con las placas hacia el costado del cráneo y se colocó una moneda entre el cráneo y la cabeza. El tubo se fijó en el otro lado a una distancia de media pulgada [ 1,3 cm ] del cabello". ^{[ 46 ]}  

En agosto de 1896, HD Hawks, graduado del Columbia College, sufrió quemaduras graves en la mano y el pecho durante una demostración con rayos X. El incidente fue publicado en Electrical Review y dio lugar a que se enviaran a la publicación muchos otros informes sobre problemas relacionados con los rayos X. ^{[ 47 ]} Muchos experimentadores, entre ellos Elihu Thomson en el laboratorio de Edison, William J. Morton y Nikola Tesla, también informaron de quemaduras. Elihu Thomson expuso deliberadamente un dedo a un tubo de rayos X durante un tiempo y sufrió dolor, hinchazón y ampollas. ^{[ 48 ]} En ocasiones, se atribuyeron otros efectos al daño, como los rayos ultravioleta y (según Tesla) el ozono. ^{[ 16 ]} Muchos médicos afirmaron que la exposición a los rayos X no tenía ningún efecto. ^{[ 48 ]} El 3 de agosto de 1905, en San Francisco, California, Elizabeth Fleischman , pionera estadounidense de los rayos X, falleció por complicaciones derivadas de su trabajo con rayos X. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

Hall-Edwards desarrolló un cáncer (entonces llamado dermatitis por rayos X) lo suficientemente avanzado en 1904 como para llevarlo a escribir artículos y dar discursos públicos sobre los peligros de los rayos X. En 1908 tuvieron que amputarle el brazo izquierdo a la altura del codo, ^{[ 52 ]} y poco después cuatro dedos del brazo derecho, quedándole solo el pulgar. Su mano izquierda amputada fue colocada en la Universidad de Birmingham como espécimen. ^{[ 53 ]} Murió de cáncer en 1926.

Las numerosas aplicaciones de los rayos X generaron de inmediato un enorme interés. Los talleres comenzaron a fabricar versiones especializadas de los tubos de Crookes para generar rayos X, y estos tubos de rayos X de cátodo frío o de Crookes de primera generación se utilizaron hasta aproximadamente 1920. ^{[ 54 ]}

Un sistema típico de rayos X médicos de principios del siglo XX consistía en una bobina de Ruhmkorff conectada a un tubo de rayos X Crookes de cátodo frío . Un descargador de chispas se conectaba típicamente al lado de alta tensión en paralelo al tubo y se utilizaba con fines diagnósticos. ^{[ 55 ]} El descargador de chispas permitía detectar la polaridad de las chispas, midiendo el voltaje por la longitud de las chispas y determinando así la "dureza" del vacío del tubo, y proporcionaba una carga en caso de que el tubo de rayos X se desconectara. Para detectar la dureza del tubo, el descargador de chispas se abría inicialmente a su posición más amplia. Mientras la bobina estaba en funcionamiento, el operador reducía el descargador hasta que comenzaban a aparecer chispas. Un tubo en el que el descargador de chispas comenzaba a generar chispas a unos 6,4 centímetros (2,5 pulgadas) se consideraba blando (bajo vacío) y adecuado para partes delgadas del cuerpo como manos y brazos. Una chispa de 13 centímetros (5 pulgadas) indicaba que el tubo era adecuado para hombros y rodillas. Una chispa de 18 a 23 centímetros (7 a 9 pulgadas) indicaría un vacío mayor, adecuado para obtener imágenes del abdomen de individuos de mayor tamaño. Dado que el espacio de chispa estaba conectado en paralelo al tubo, este debía abrirse hasta que cesara la chispa para que el tubo funcionara correctamente para la obtención de imágenes. El tiempo de exposición para las placas fotográficas era de aproximadamente medio minuto para una mano y de un par de minutos para un tórax. Las placas podían contener una pequeña cantidad de sal fluorescente para reducir los tiempos de exposición. ^{[ 55 ]}   

Los tubos de Crookes eran poco fiables. Debían contener una pequeña cantidad de gas (invariablemente aire), ya que la corriente no fluiría en un tubo completamente vacío. Sin embargo, con el tiempo, los rayos X hacían que el vidrio absorbiera el gas, lo que provocaba que el tubo generara rayos X más duros hasta que dejaba de funcionar. Los tubos más grandes y de uso más frecuente incorporaban dispositivos para reintroducir el aire, conocidos como "ablandadores". Estos solían consistir en un pequeño tubo lateral que contenía un trozo de mica , un mineral que atrapa cantidades relativamente grandes de aire en su estructura. Un pequeño calentador eléctrico calentaba la mica, liberando una pequeña cantidad de aire y restaurando así la eficiencia del tubo. Sin embargo, la mica tenía una vida útil limitada y el proceso de reintroducción era difícil de controlar.

En 1904 , John Ambrose Fleming inventó el diodo termoiónico , el primer tipo de tubo de vacío . ^{[ 56 ]} Este utilizaba un cátodo caliente que provocaba el flujo de una corriente eléctrica en el vacío . Esta idea se aplicó rápidamente a los tubos de rayos X, y así los tubos de rayos X de cátodo caliente, llamados "tubos Coolidge", ^{[ 57 ]} reemplazaron por completo a los problemáticos tubos de cátodo frío hacia 1920. ^{[ 58 ]}

Hacia 1906, el físico Charles Barkla descubrió que los rayos X podían dispersarse por los gases y que cada elemento tenía un espectro de rayos X característico . Ganó el Premio Nobel de Física de 1917 por este descubrimiento. ^{[ 59 ]}

En 1912 , Max von Laue , Paul Knipping y Walter Friedrich observaron por primera vez la difracción de rayos X por cristales. Este descubrimiento, junto con los primeros trabajos de Paul Peter Ewald , William Henry Bragg y William Lawrence Bragg , dio origen al campo de la cristalografía ^de rayos X. [ ^{60 ]}

En 1913 , Henry Moseley realizó experimentos de cristalografía con rayos X que emanaban de varios metales y formuló la ley de Moseley , que relaciona la frecuencia de los rayos X con el número atómico del metal. ^{[ 61 ]}

El tubo de rayos X de Coolidge fue inventado ese mismo año por William D. Coolidge . Hizo posible la emisión continua de rayos X. Los tubos de rayos X modernos se basan en este diseño, empleando a menudo blancos giratorios que permiten una disipación de calor significativamente mayor que los blancos estáticos, lo que a su vez permite una mayor cantidad de rayos X para su uso en aplicaciones de alta potencia, como los escáneres de tomografía computarizada rotacional.

El uso de rayos X con fines médicos (que derivó en el campo de la radioterapia ) fue impulsado por el mayor John Hall-Edwards en Birmingham , Inglaterra. En 1908, tuvieron que amputarle el brazo izquierdo debido a la propagación de dermatitis por rayos X en el mismo. ^{[ 62 ]}

La ciencia médica también utilizó el cine para estudiar la fisiología humana. En 1913, se filmó en Detroit una película que mostraba un huevo duro dentro de un estómago humano. Esta primera película de rayos X se grabó a una velocidad de una imagen fija cada cuatro segundos. ^{[ 63 ]} El Dr. Lewis Gregory Cole de Nueva York fue un pionero de la técnica, que denominó "radiografía serial". ^{[ 64 ] [ 65 ]} En 1918, se utilizaron rayos X junto con cámaras de cine para capturar el esqueleto humano en movimiento. ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} En 1920, se utilizó para registrar los movimientos de la lengua y los dientes en el estudio de los idiomas por el Instituto de Fonética en Inglaterra. ^{[ 69 ]}

En 1914 , Marie Curie desarrolló vehículos radiológicos para ayudar a los soldados heridos en la Primera Guerra Mundial . Estos vehículos permitirían obtener imágenes de rayos X rápidas de los soldados heridos para que los cirujanos en el campo de batalla pudieran operar con mayor rapidez y precisión. ^{[ 70 ]}

Desde principios de la década de 1920 hasta la de 1950, se desarrollaron máquinas de rayos X para ayudar en la prueba de calzado ^{[ 71 ]} y se vendieron a zapaterías comerciales. ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]} En la década de 1950 se expresaron preocupaciones sobre el impacto del uso frecuente o mal controlado, ^{[ 75 ] [ 76 ]} lo que llevó a la eventual disminución de la práctica. Canberra propuso una prohibición en 1957, ^{[ 77 ]} mientras que Suiza prohibió las máquinas en 1989. ^{[ 78 ]}

El microscopio de rayos X se desarrolló a finales de la década de 1940 y principios de la de 1950. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}

El Observatorio de Rayos X Chandra , lanzado el 23 de julio de 1999 , ha permitido explorar los violentos procesos del universo que producen rayos X. A diferencia de la luz visible , que ofrece una visión relativamente estable del universo, el universo de rayos X es inestable. En él se observan estrellas destrozadas por agujeros negros , colisiones galácticas y novas , así como estrellas de neutrones que acumulan capas de plasma que luego explotan en el espacio .

En la década de 1980, como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica de la administración Reagan , se propuso un dispositivo láser de rayos X , pero la única prueba realizada (una especie de "bláster" láser o rayo de la muerte , alimentado por una explosión termonuclear) arrojó resultados inconclusos. Por razones técnicas y políticas, el proyecto en su conjunto (incluido el láser de rayos X) fue desfinanciado (aunque posteriormente fue retomado por la segunda administración Bush como Defensa Nacional Antimisiles, utilizando tecnologías diferentes).

La imagen de rayos X de contraste de fase se refiere a una variedad de técnicas que utilizan la información de fase de un haz de rayos X para formar la imagen. Debido a su buena sensibilidad a las diferencias de densidad, es especialmente útil para la obtención de imágenes de tejidos blandos. Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en una amplia gama de estudios biológicos y médicos. Existen varias tecnologías que se utilizan para la imagen de rayos X de contraste de fase, todas ellas empleando diferentes principios para convertir las variaciones de fase en los rayos X que emergen de un objeto en variaciones de intensidad. ^{[ 82 ] [ 83 ]} Estas incluyen el contraste de fase basado en la propagación, ^{[ 84 ]} la interferometría de Talbot , ^{[ 83 ]} la imagen mejorada por refracción, ^{[ 85 ]} y la interferometría de rayos X. ^{[ 86 ]} Estos métodos proporcionan un mayor contraste en comparación con la imagen de rayos X normal basada en la absorción, lo que permite distinguir entre sí detalles que tienen una densidad casi similar. Una desventaja es que estos métodos requieren equipos más sofisticados, como fuentes de rayos X de sincrotrón o de microfoco , óptica de rayos X y detectores de rayos X de alta resolución.

Los rayos X con energías de fotones elevadas, superiores a 5–10  keV (  longitud de onda inferior a 0,2–0,1 nm), se denominan rayos X duros , mientras que aquellos con menor energía (y mayor longitud de onda) se denominan rayos X blandos . ^{[ 87 ]} El rango intermedio, con energías de fotones de varios keV, se suele denominar rayos X blandos . Debido a su capacidad de penetración, los rayos X duros se utilizan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos (por ejemplo, en radiografía médica y seguridad aeroportuaria ). El término "rayo X" se utiliza metonímicamente para referirse a una imagen radiográfica producida mediante este método, además del método en sí. Dado que las longitudes de onda de los rayos X duros son similares al tamaño de los átomos, también son útiles para determinar estructuras cristalinas mediante cristalografía de rayos X. Por el contrario, los rayos X blandos se absorben fácilmente en el aire; la longitud de atenuación de los rayos X de 600  eV (~2 nm) en agua es inferior a 1 micrómetro. ^{[ 88 ]}  

No existe consenso sobre una definición que distinga entre rayos X y rayos gamma . Una práctica común es distinguir entre los dos tipos de radiación según su fuente: los rayos X se emiten por desexcitación de electrones , mientras que los rayos gamma se emiten por la desintegración de núcleos atómicos . ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]} Esta definición tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, dado que hay superposición en los rangos de energía de los rayos gamma y los rayos X, si no se conoce el origen de un fotón , podría no estar claro cómo clasificarlo. Otra práctica es distinguir la radiación X y gamma en función de la longitud de onda (o, equivalentemente, la frecuencia o la energía del fotón), definiendo como radiación gamma aquella más corta que una longitud de onda arbitraria, como 10 ⁻¹¹ m (0,1 Å ). ^{[ 93 ]} Este criterio asigna un fotón a una categoría inequívoca, pero solo es posible si se conoce la longitud de onda. (Algunas técnicas de medición no distinguen entre longitudes de onda detectadas). Sin embargo, estas dos definiciones suelen coincidir, ya que la radiación electromagnética emitida por los tubos de rayos X generalmente tiene una longitud de onda mayor y una energía fotónica menor que la radiación emitida por los núcleos radiactivos . ^{[ 89 ]} En ocasiones, se utiliza un término u otro en contextos específicos debido a precedentes históricos, en función de la técnica de medición (detección) o de su uso previsto, en lugar de su longitud de onda o fuente. Así, los rayos gamma generados para usos médicos e industriales, por ejemplo, la radioterapia , en el rango de 6 a 20 MeV , también pueden denominarse rayos X en este contexto. ^{[ 94 ]}   

La probabilidad de una absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a${\textstyle Z^{3}/E^{3}}$, dónde${\textstyle Z}$es el número atómico y${\textstyle E}$es la energía del fotón incidente. ^{[ 98 ]} Esta regla no es válida cerca de las energías de enlace de los electrones de la capa interna donde hay cambios abruptos en la probabilidad de interacción, los llamados bordes de absorción . Sin embargo, la tendencia general de altos coeficientes de absorción y, por lo tanto, profundidades de penetración cortas para bajas energías de fotones y altos números atómicos es muy fuerte. Para el tejido blando, la fotoabsorción domina hasta aproximadamente 26  keV de energía de fotones donde la dispersión Compton toma el relevo. Para sustancias con números atómicos más altos, este límite es mayor. La alta cantidad de calcio (${\textstyle Z=20}$) en los huesos, junto con su alta densidad, es lo que hace que se vean tan claramente en las radiografías médicas.

Un fotón fotoabsorbido transfiere toda su energía al electrón con el que interactúa, ionizando así el átomo al que estaba unido y produciendo un fotoelectrón que probablemente ionice más átomos en su trayectoria. Un electrón externo ocupará la posición electrónica vacante y producirá un rayo X característico o un electrón Auger . Estos efectos pueden utilizarse para la detección de elementos mediante espectroscopia de rayos X o espectroscopia de electrones Auger .

La dispersión Compton es la interacción predominante entre los rayos X y los tejidos blandos en la imagen médica. ^{[ 99 ]} La dispersión Compton es una dispersión inelástica del fotón de rayos X por un electrón de la capa externa. Parte de la energía del fotón se transfiere al electrón dispersor, ionizando así el átomo y aumentando la longitud de onda del rayo X. El fotón dispersado puede ir en cualquier dirección, pero es más probable que lo haga en una dirección similar a la original, especialmente para rayos X de alta energía . La probabilidad para diferentes ángulos de dispersión se describe mediante la fórmula de Klein-Nishina . La energía transferida se puede obtener directamente del ángulo de dispersión a partir de la conservación de la energía y el momento .

La dispersión de Rayleigh es el mecanismo de dispersión elástica dominante en el régimen de rayos X. ^{[ 100 ]} La dispersión inelástica hacia adelante da lugar al índice de refracción, que para los rayos X es solo ligeramente inferior a 1. ^{[ 101 ]}

Los rayos X se pueden generar mediante un tubo de rayos X , un tubo de vacío que utiliza un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente a alta velocidad. Los electrones de alta velocidad chocan con un blanco metálico, el ánodo , creando los rayos X. ^{[ 104 ]} En los tubos de rayos X médicos, el blanco suele ser de tungsteno o una aleación más resistente a las grietas de renio (5%) y tungsteno (95%), pero a veces molibdeno para aplicaciones más especializadas, como cuando se necesitan rayos X más suaves, como en la mamografía. En cristalografía, el blanco de cobre es el más común, y el cobalto se usa a menudo cuando la fluorescencia del contenido de hierro en la muestra podría presentar un problema. Cuando se necesitan energías aún más bajas, como en la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X , se suelen usar los rayos X Kα _de un blanco de aluminio o magnesio.

La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje del tubo multiplicado por la carga del electrón; por lo tanto, un  tubo de 80 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 80  keV. Cuando los electrones impactan en el blanco, los rayos X se crean mediante dos procesos atómicos diferentes:

1. Emisión característica de rayos X (electroluminiscencia de rayos X): Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa electrónica interna del átomo objetivo. Posteriormente, electrones de niveles de energía superiores llenan las vacantes y se emiten fotones de rayos X. Este proceso produce un espectro de emisión de rayos X en unas pocas frecuencias discretas, a veces denominadas líneas espectrales. Generalmente, se trata de transiciones de las capas superiores a la capa K (llamadas líneas K), a la capa L (llamadas líneas L), y así sucesivamente. Si la transición es de 2p a 1s, se denomina Kα, mientras que si es de 3p a 1s, se denomina Kβ. Las frecuencias de estas líneas dependen del material del objetivo y, por lo tanto, se denominan líneas características. La línea Kα suele tener mayor intensidad que la Kβ y es más deseable en experimentos de difracción. Por lo tanto, la línea Kβ se filtra mediante un filtro. El filtro suele estar hecho de un metal que tiene un protón menos que el material del ánodo (por ejemplo, un filtro de Ni para un ánodo de Cu o un filtro de Nb para un ánodo de Mo).
2. Radiación de frenado (Bremsstrahlung ): Esta radiación es emitida por los electrones al dispersarse por el intenso campo eléctrico cerca de los núcleos. Estos rayos X tienen un espectro continuo . La frecuencia de la radiación de frenado está limitada por la energía de los electrones incidentes.

Así pues, la salida resultante de un tubo consiste en un espectro de Bremsstrahlung continuo que disminuye hasta cero en el voltaje del tubo, más varios picos en las líneas características. Los voltajes utilizados en los tubos de rayos X de diagnóstico oscilan entre aproximadamente 20  kV y 150  kV, por lo que las energías más altas de los fotones de rayos X oscilan entre aproximadamente 20  keV y 150  keV. ^{[ 105 ]}

Ambos procesos de producción de rayos X son ineficientes, ya que solo alrededor del uno por ciento de la energía eléctrica utilizada por el tubo se convierte en rayos X; por lo tanto, la mayor parte de la energía eléctrica consumida por el tubo se disipa en forma de calor residual. Para producir un flujo útil de rayos X, el tubo de rayos X debe diseñarse para disipar el exceso de calor.

Una fuente especializada de rayos X que se está utilizando ampliamente en la investigación es la radiación sincrotrón , generada por aceleradores de partículas . Sus características únicas son una emisión de rayos X varios órdenes de magnitud mayor que la de los tubos de rayos X, un amplio espectro de rayos X, una excelente colimación y polarización lineal . ^{[ 106 ]}

 Es posible producir de forma fiable breves pulsos de rayos X de nanosegundos con una energía máxima de 15 keV al despegar cinta adhesiva sensible a la presión de su soporte en un vacío moderado. Esto probablemente se deba a la recombinación de cargas eléctricas producidas por la carga triboeléctrica . La intensidad de la triboluminiscencia de rayos X es suficiente para utilizarla como fuente de imágenes de rayos X. ^{[ 107 ]}

Los rayos X también pueden ser producidos por protones rápidos u otros iones positivos. La emisión de rayos X inducida por protones o por partículas se utiliza ampliamente como procedimiento analítico. Para energías elevadas, la sección transversal de producción es proporcional a Z ₁ ² Z ₂ ⁻⁴ , donde Z ₁ se refiere al número atómico del ion y Z ₂ al del átomo objetivo. ^{[ 108 ]} En la misma referencia se ofrece una descripción general de estas secciones transversales.

Los rayos X también se producen en los relámpagos que acompañan a los destellos de rayos gamma terrestres . El mecanismo subyacente es la aceleración de electrones en campos eléctricos relacionados con los relámpagos y la producción subsiguiente de fotones a través de Bremsstrahlung . ^{[ 109 ]} Esto produce fotones con energías de algunos pocos keV y varias decenas de MeV. ^{[ 110 ]} En descargas de laboratorio con un tamaño de espacio de aproximadamente 1  metro de longitud y un voltaje pico de 1 MV, se observan  rayos X con una energía característica de 160 keV. ^{[ 111 ]} Una posible explicación es el encuentro de dos serpentinas y la producción de electrones fugados de alta energía ; ^{[ 112 ]} sin embargo, simulaciones microscópicas han demostrado que la duración del aumento del campo eléctrico entre dos serpentinas es demasiado corta para producir una cantidad significativa de electrones fugados. ^{[ 113 ]} Recientemente, se ha propuesto que las perturbaciones del aire en las proximidades de las serpentinas pueden facilitar la producción de electrones fugados y, por lo tanto, de rayos X de las descargas. ^{[ 114 ] [ 115 ]} 

La radiografía de proyección es la práctica de producir imágenes bidimensionales mediante radiación de rayos X. Los huesos contienen una alta concentración de calcio , que, debido a su número atómico relativamente alto , absorbe los rayos X de manera eficiente. Esto reduce la cantidad de rayos X que llegan al detector en la sombra de los huesos, haciéndolos claramente visibles en la radiografía. Los pulmones y el gas atrapado también se muestran claramente debido a su menor absorción en comparación con los tejidos, mientras que las diferencias entre los tipos de tejido son más difíciles de observar. ^{[ 120 ]}

Las radiografías de proyección son útiles para detectar patologías del sistema esquelético , así como para detectar algunos procesos patológicos en los tejidos blandos . Algunos ejemplos notables son la radiografía de tórax , muy común , que se puede utilizar para identificar enfermedades pulmonares como neumonía , cáncer de pulmón o edema pulmonar , y la radiografía abdominal , que puede detectar obstrucciones intestinales , aire libre (por perforaciones viscerales) y líquido libre (en la ascitis ). Las radiografías también se pueden utilizar para detectar patologías como cálculos biliares (que rara vez son radiopacos ) o cálculos renales , que a menudo (pero no siempre) son visibles. Las radiografías simples tradicionales son menos útiles para la obtención de imágenes de tejidos blandos como el cerebro o los músculos . Un área donde las radiografías de proyección se utilizan ampliamente es para evaluar cómo se sitúa un implante ortopédico , como una prótesis de rodilla, cadera u hombro, en el cuerpo con respecto al hueso circundante. Esto se puede evaluar en dos dimensiones a partir de radiografías simples, o en tres dimensiones si se utiliza una técnica denominada «registro 2D a 3D». Se supone que esta técnica elimina los errores de proyección asociados a la evaluación de la posición del implante a partir de radiografías simples. ^{[ 121 ]}

La radiografía dental se utiliza comúnmente en el diagnóstico de problemas orales comunes, como las caries . ^{[ 122 ]}

En las aplicaciones de diagnóstico médico, los rayos X de baja energía (suaves) son indeseables, ya que son totalmente absorbidos por el cuerpo, aumentando la dosis de radiación sin contribuir a la imagen. Por lo tanto, se suele colocar una lámina metálica delgada, a menudo de aluminio, llamada filtro de rayos X , sobre la ventana del tubo de rayos X, que absorbe la parte de baja energía del espectro. Esto se denomina endurecimiento del haz, ya que desplaza el centro del espectro hacia rayos X de mayor energía (o más duros). ^{[ 123 ] [ 124 ]}

Para generar una imagen del sistema cardiovascular , incluyendo arterias y venas ( angiografía ), se toma una imagen inicial de la región anatómica de interés. A continuación, se toma una segunda imagen de la misma región tras inyectar un agente de contraste yodado en los vasos sanguíneos de dicha zona. Estas dos imágenes se restan digitalmente, obteniendo una imagen que muestra únicamente el contraste yodado delimitando los vasos sanguíneos. El radiólogo o cirujano compara la imagen obtenida con imágenes anatómicas normales para determinar si existe algún daño u obstrucción en el vaso.

La tomografía computarizada (TC) es una técnica de imagen médica que permite obtener imágenes o cortes tomográficos de áreas específicas del cuerpo a partir de una serie de imágenes de rayos X bidimensionales tomadas en diferentes direcciones. ^{[ 125 ]} Estas imágenes transversales se pueden combinar para formar una imagen tridimensional del interior del cuerpo. ^{[ 126 ]} Las tomografías computarizadas son una técnica de imagen más rápida y rentable que se puede utilizar con fines diagnósticos y terapéuticos en diversas disciplinas médicas. ^{[ 126 ]}

La fluoroscopia es una técnica de imagen comúnmente utilizada por médicos o radioterapeutas para obtener imágenes en movimiento en tiempo real de las estructuras internas de un paciente mediante un fluoroscopio. ^{[ 127 ]} En su forma más simple, un fluoroscopio consta de una fuente de rayos X y una pantalla fluorescente, entre las cuales se coloca al paciente. Sin embargo, los fluoroscopios modernos acoplan la pantalla a un intensificador de imagen de rayos X y una cámara de video CCD , lo que permite grabar y reproducir las imágenes en un monitor. Este método puede utilizar un material de contraste. Algunos ejemplos incluyen el cateterismo cardíaco (para examinar obstrucciones de las arterias coronarias ), los procedimientos de embolización (para detener el sangrado durante la embolización de las arterias hemorroidales ) y la deglución de bario (para examinar trastornos esofágicos y de la deglución). Recientemente, la fluoroscopia moderna utiliza pulsos cortos de rayos X, en lugar de un haz continuo, para reducir eficazmente la exposición a la radiación tanto para el paciente como para el operador. ^{[ 127 ]}

El uso de rayos X como tratamiento se conoce como radioterapia y se utiliza principalmente para el manejo (incluida la paliación ) del cáncer; requiere dosis de radiación más altas que las recibidas para la obtención de imágenes únicamente. Los haces de rayos X se utilizan para tratar cánceres de piel con haces de rayos X de baja energía, mientras que los haces de mayor energía se utilizan para tratar cánceres internos como los de cerebro, pulmón, próstata y mama. ^{[ 128 ] [ 129 ]}