Que es la espectroscopia de rayos X

La espectroscopia de rayos X es una técnica que detecta y mide fotones, o partículas de luz, que tienen longitudes de onda en la porción de rayos X del espectro electromagnético. Se utiliza para ayudar a los científicos a comprender las propiedades químicas y elementales de un objeto.

Hay varios métodos diferentes de espectroscopia de rayos X que se utilizan en muchas disciplinas de la ciencia y la tecnología, incluyendo la arqueología, la astronomía y la ingeniería. Estos métodos pueden ser usados independientemente o juntos para crear una imagen más completa del material u objeto que se está analizando.

Historia

Wilhelm Conrad Röntgen, un físico alemán, recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901 por su descubrimiento de los rayos X en 1895. Su nueva tecnología fue rápidamente puesta en uso por otros científicos y médicos, según el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.

Charles Barkla, un físico británico, llevó a cabo una investigación entre 1906 y 1908 que le llevó a descubrir que los rayos X podían ser característicos de sustancias individuales. Su trabajo también le valió el Premio Nobel de Física, pero no fue hasta 1917.

A principios del siglo XX, William Henry Bragg (aquí) y su hijo, William Lawrence Bragg, fueron los primeros en utilizar la espectroscopia de rayos X para estudiar cómo la radiación de rayos X interactuaba con los átomos dentro de los cristales.
A principios del siglo XX, William Henry Bragg (aquí) y su hijo, William Lawrence Bragg, fueron los primeros en utilizar la espectroscopia de rayos X para estudiar cómo la radiación de rayos X interactuaba con los átomos dentro de los cristales.

El uso de la espectroscopia de rayos X comenzó en realidad un poco antes, en 1912, a partir de un equipo padre-hijo de físicos británicos, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg. Usaron la espectroscopia para estudiar cómo la radiación de rayos X interactuaba con los átomos dentro de los cristales. Su técnica, llamada cristalografía de rayos X, se convirtió en el estándar en este campo al año siguiente y ganaron el Premio Nobel de Física en 1915.

Cómo funciona la espectroscopia de rayos X

Cuando un átomo es inestable o es bombardeado con partículas de alta energía, sus electrones pasan de un nivel de energía a otro. A medida que los electrones se ajustan, el elemento absorbe y libera fotones de rayos X de alta energía de una manera que es característica de los átomos que componen ese elemento químico en particular. La espectroscopia de rayos X mide esos cambios de energía, lo que permite a los científicos identificar los elementos y comprender cómo interactúan los átomos dentro de diversos materiales.

Espectro electromagnético, a la izquierda se puede observar la región de rayos X
Espectro electromagnético, a la izquierda se puede observar la región de rayos X

Existen dos técnicas principales de espectroscopia de rayos X: la espectroscopia de rayos X de dispersión por longitud de onda (WDXS) y la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDXS). La WDXS mide los rayos X de una sola longitud de onda que son difractados por un cristal. EDXS mide la radiación de rayos X emitida por electrones estimulados por una fuente de alta energía de partículas cargadas.

En ambas técnicas, la forma en que se dispersa la radiación indica la estructura atómica del material y, por lo tanto, los elementos dentro del objeto que se está analizando.

Múltiples aplicaciones

Hoy en día, la espectroscopia de rayos X se utiliza en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, incluyendo la arqueología, la astronomía, la ingeniería y la salud.

Los antropólogos y arqueólogos son capaces de descubrir información oculta sobre los artefactos antiguos y los restos que encuentran analizándolos con la espectroscopia de rayos X. Por ejemplo, Lee Sharpe, profesor asociado de química en el Colegio Grinnell en Iowa, y sus colegas, usaron un método llamado espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF) para identificar el origen de las puntas de flecha de obsidiana hechas por los pueblos prehistóricos en el suroeste de América del Norte. El equipo publicó sus resultados en octubre de 2018 en el Journal of Archaeological Science: Reports.

Uso en la exploración del espacio

La espectroscopia de rayos X también ayuda a los astrofísicos a aprender más sobre cómo funcionan los objetos en el espacio. Por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Washington en San Luis planean observar los rayos X que provienen de los objetos cósmicos, como los agujeros negros, para aprender más sobre sus características. El equipo, dirigido por Henric Krawczynski, un astrofísico experimental y teórico, planea lanzar un tipo de espectrómetro de rayos X llamado polarímetro de rayos X. A partir de diciembre de 2018, el instrumento estará suspendido en la atmósfera de la Tierra por un globo de larga duración, lleno de helio.

Este espectrómetro de fotoelectrones de rayos X utiliza los principios de la espectroscopia de rayos X para medir la composición elemental de los materiales. (Imagen: © Shutterstock)
Este espectrómetro de fotoelectrones de rayos X utiliza los principios de la espectroscopia de rayos X para medir la composición elemental de los materiales. (Imagen: © Shutterstock)

Yury Gogotsi, químico e ingeniero de materiales de la Universidad de Drexel en Pensilvania, crea antenas de rociado y membranas de desalinización de agua con materiales analizados por espectroscopia de rayos X.

Las antenas de spray invisibles tienen sólo unas pocas docenas de nanómetros de espesor, pero son capaces de transmitir y dirigir las ondas de radio. Una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) ayuda a asegurar que la composición del material increíblemente delgado es correcta y ayuda a determinar la conductividad. “Se requiere una alta conductividad metálica para el buen funcionamiento de las antenas, por lo que tenemos que vigilar de cerca el material“, dijo Gogotsi.

Gogotsi y sus colegas también utilizan la espectroscopia de rayos X para analizar la química de la superficie de las complejas membranas que desalinizan el agua filtrando iones específicos, como el sodio.

Campo medico

El uso de la espectroscopia de rayos X también se puede encontrar en varias áreas de la investigación y la práctica médica, como en las modernas máquinas de tomografía computarizada. La recolección de espectros de absorción de rayos X durante las tomografías computarizadas (a través del conteo de fotones o el escáner espectral de tomografía computarizada) puede proporcionar información más detallada y contraste sobre lo que está sucediendo dentro del cuerpo, con menores dosis de radiación de los rayos X y menor o ninguna necesidad de usar materiales de contraste (tintes), según Phuong-Anh T. Duong, director de tomografías computarizadas del Departamento de Radiología y Ciencias de la Imagen de la Universidad de Emory, en Georgia.

Para más información Imaging X-Ray Polarimetry Explorer, What Is X-Ray Spectroscopy?