Espectrografía de rayos X

En el número de mayo de 1923 de la revista francesa "La Science et la Vie" aparecía un artículo sobre el estudio espectrográfico de los materiales, utilizando rayos X.

Según se puede leer en la citada revista, el químico inglés Moseley ha elaborado un método para el estudio de la composición de los cuerpos a través del análisis de los espectros de alta frecuencia de los rayos X proyectados sobre los mismos. Todos los cuerpos existentes han sido estudiados, clasificados y catalogados. Este método también ayuda al descubrimiento de nuevas sustáncias, al descubrir espectros aún no registrados hasta el momento. Los científicos franceses de Broglie y Dauvillier y otros como Irving, Longmuir, Hull y Davey han perfeccionado el método, trabajando en el laboratorio de la General Electric de Schenectady, en donde han construido un aparato de uso industrial para la realización práctica de estos análisis físico-químicos.

Un rayo luminoso se compone de un tren de ondas emitido por la vibración de los electrones del cuerpo luminoso. Cada electrón produce un tren de ondas diferente, de forma similar a como lo hace una piedra que cae en una superficie de aguas tranquilas. Esta comparación nos ayudará a entender el fenómeno de la reflexión sobre un cuerpo, es decir, el fenómeno de la formación de los espectros. Imaginemos la caida de una piedra sobre una superficie de aguas tranquilas. Alrededor del punto en donde cae la piedra se forman ondas circulares concéntricas, que parecen desplazarse sobre la superficie del agua, aumentando constantemente de diámetro. Si a cierta distancia del punto en el que la piedra ha golpeado el agua se encuentra algún objeto flotante, este objeto, al ser alcanzado por las ondas, comenzará a oscilar en sentido vertical, pero no en sentido horizontal. En realidad este objeto describirá una serie de elipses con el centro en su posición inicial. La distancia que separa dos crestas de ondas consecutivas, que es absolutamente constante, es lo que se conoce como longitud de onda del movimiento vibratorio. Si se corta, mediante un plano vertical, la superficie del agua obtendremos una forma sinusoide, pero si en lugar de una sola piedra, se tirán dos a una cierta distancia una de otra, se crean dos grupos de ondas circulares que se encuentran y penetran el uno en el otro.

Si el objeto flotante se encuentra en la zona de influencia de uno solo de los trenes de ondas adquiere un movimiento oscilatorio regular, pero cuando se encuentra en la zona común a los dos trenes de ondas su movimiento de oscilación cambia y puede resultar que sea mucho más amplio o, por el contrario, anularse completamente, debido a estar sometido a la acción de los dos movimientos sinusoidales diferentes. El resultado es debido a que si la diferencia entre las distancias desde el objeto flotante (B) a los dos puntos de impacto de las piedras BP1 y BP2 es tal que una cresta del primer tren de ondas P1 llega al objeto al mismo tiempo que una cresta del segundo tren de ondas P2 (Se dice que los dos trenes de ondas están en fase en el punto B) la amplitud de la oscilación del objeto flotante resulta ser la suma de las amplitudes que alcanzaría si solo estuviese sometido a uno de los dos trenes de ondas. Si, por el contrario, una cresta del primer tren de ondas P1 llega al objeto B al mismo tiempo que un valle del segundo tren de ondas P2, la amplitud de las oscilaciones del objeto resultará ser la diferencia entre las amplitudes de la oscilación que tendría si solo fuese afectado por uno de los dos trenes de ondas. Para que las dos crestas de los dos trenes de ondas lleguen al mismo tiempo al objeto flotante B, la diferencia entre las distancias BP1 y BP2 ha de ser múltiplo de la longitud de onda. En caso contrario la amplitud del movimiento de oscilación del objeto flotante disminuirá y podrá llegar a desaparecer si los dos trenes de ondas tienen la misma logitud y la misma amplitud.

Se sabe que los diferentes colores impresionan el ojo de forma diferente y son producidos por vibraciones de frecuencias diferentes. El producto de esta frecuencia variable por la longitud de onda da como resultado el valor constante de la velocidad de la luz. Es decir, la longitud de onda es diferente para cada color de la luz. En el espectro solar las longitudes de onda, en millonésimas de milímetro, son de 423 para el violeta, 449 para el índigo, 475 para el azul, 521 para el verde, 551 para el amarillo, 583 para el naranja y 620 para el rojo. La longitud de onda de los rayos X es 10.000 veces más pequeña.

Si queremos ver un espectro procedente de un rayo luminoso blanco se utiliza una rejilla. Para comenzar se ha de conseguir un haz de luz paralela utilizando una lente colocada después de una fina rendija. La luz resultante se dirige hacia una retícula creada en una placa de vidrio o de nikel rallada con múltiples rallas paralelas, muy juntas y equidistantes. Los electrones a b c de la superficie de la retícula oscilarán a la vez con las vibraciones de la luz incidente, convirtiéndose cada uno en una fuente luminosa. De esta forma la retícula envía luz en todas direcciones. Si se observa desde el punto P, de forma que la diferencia entre las distancias Pa y Pb sea múltiplo de la longitud de onda del azul, será este el color que se vea con más intensidad, anulándose los otros colores. Si se desplaza el punto P de observación este efecto de amplificación se producirá para el resto de colores del espectro. Si se reemplaza el ojo del observador por una película fotográfica se puede obtener la impresión del espectro completo de la luz blanca.

Para los rayos X se necesita una retícula con las rallas mucho más juntas que lo que podría conseguirse rallando una superficie cualquiera.Por este motivo se pensó en utilizar como rejilla las distintas capas de átomos de un material. Si se proyecta sobre un cristal determinado un haz de rayos X, las diversas capas de átomos se veran afectadas por los rayos X, actuando como una rejilla que refleja los mismos, pudiéndose registrar este espectro reflejado, producido por las diversas capas de átomos, en una película fotográfica. Mediante este sistema los físicos Barkla, Laue, de Broglie, Rutherford y Langmuir han podido estudiar diversos materiales mediante los rayos X.

Algunos científicos han conseguido tubos de rayos X monocromáticos, utilizando filtros para eliminar el resto de longitufes de onda. Con estos rayos de una sola longitud de onda han irradiado diversas sustancias. A partir de las lineas que aparecen en los espectros de las sustancias estudiadas han realizado cálculos que les han permitido conocer las distancias que hay entre las diversas capas de átomos de una sustancia. De esta manera se ha estudiado la composición atómica de las sustancias conocidas y se han descubierto nuevas sustancias, y todo ello sin destruir las muestras de material, como ocurriría en un análisis químico.

En aparato de la General Electric dispone de un transformador sobre el que se encuentra situado el tubo de rayos X, del tipo Coolidge, de cátodo incandescente y anticátodo refrigerado por circulación de agua. Estos dos elementos se encuentran encerrados dentro de una cubierta metálica. La parte cilíndrica, situada a la altura del tubo de rayos X, dispone de 15 pequeñas ventanas, dispuestas en círculo, a la altura de la parte emisora del tubo de rayos X. Delante de estas ventanillas se colocan unas cajas metálicas con forma de cuarto de círculo, que impiden que entre la luz. En el fondo de estas cajas, en su interior se situa la película fotográfica en esa forma de cuarto de círculo, sujeta mediante dos clips. Delante de la película se coloca un filtro que absorbe todas las longitudes de onda no aprovechadas en el análisis. La muestra a examinar se situa delante de la ventanilla, por donde pasará el haz de rayos X. Estos rayos la atraviesan y el haz resultante pasa a impresionar la película fotográfica, en donde las diversas capas atómicas quedan marcadas por las lineas correspondientes a las distancias entre esos átomos. Este será el espectro de la sustancia estudiada. A partir de este espectro se puede conocer la distancia entre sus átomos, a partir de la distancia existente entre la muestra y la película fotográfica, la distancia entre las rayas del espectro y la longitud de onda del haz de rayos X. Con estos datos, utilizando métodos matemáticos contrastados en espectros de sustancias conocidas, se puede encontrar la posición de los átomos en la sustancia estudiada. Las muestras de material se colocan dentro dentro de pequeños tubos de vidrio de dimensiones muy reducidas, en forma de fino polvo. Estos tubos se colocan en horizontal mediante dos clips, dentro de las cajas metálicas que alojan la película fotográfica, a la altura de la ventanilla por la que pasa el haz de rayos X. El tubo de vidrio permite mantener el material al abrigo del oxígeno y de la humedad del aire. Estos tubos calibrados se encuentran colocados en el camino por el que ha de pasar el haz de rayos X. En la máquina se pueden colocar a la vez hasta 15 muestras para analizarlas al mismo tiempo.

Sobre una misma película fotográfica se pueden exakminar al mismo tiempo dos sustancias, dividiendo la cámara oscura por una pared intermedia, resultando dos cámaras en una, colocando un tubo que en cada una de sus dos mitades tendrá cada una de las sustancias. De esta forma los dos espectros de las dos sustancias se impresionan sobre la misma película, lo que es muy útil para poderlos comparar. Si se quieren realizar medidas entre planos atómicos con gran exactitud se puede rellenar la mitad del tubo de muestras con cloruro sódico, pues sus distáncias atómicas se conocen muy bien. El espectro del cloruro sódico servirá de referencia en el caso de que la película haya sufrido alguna dilatación.

Para regular el aparato y situar el tubo de Coolidge a la altura necesaria para que el haz de rayos X pase por las ventanillas se situa sobre una de ellas una caja en la que el fondo sea una pantalla fluorescente, que se pueda ver desde el exterior. En lugar del tubo de muestras se coloca un hilo de tungsteno, cuya sombra ha de quedar en la linea del cero.

Mediante el espectrógrafo de rayos X se puede conocer la estructura cristalina de los materiales, tanto con fines científicos como para el control de calidad en la industria. Conociendo la posición de los átomos en una retícula tridimensional se puede determinar si ese material está cristalizado en el sistema cúbico, hexagonal o tetragonal. La mayor parte de los metales, aleaciones, compuestos halógenos, nitratos y carbonatos cristalizan en alguno de estos tres sistemas. Otra aplicación importante es la identificación de sistancias. Los metales y sus aleaciones son materiales con estructura cristalina y de ellos se pueden obtener imágenes de difracción de rayos X. Mediante estas imágenes se pueden estudiar algunas características de las sustancias, como la proporción entre sus componentes, su solubilidad, el punto de fusión o la posibilidad de formar compuestos químicos. En el caso de que dos sustancias tengan imágenes de difracción similares se puede concluir que tendrán una estructura cristalina similar.

Para realizar este tipo de análisis solo se necesita la centésima parte de un centímetro cúbico del material reducido a polvo. Al no destruirse, se pueden realizar tantas pruebas como se desee, con la misma muestra de material. Se pueden analizar a la vez mezclas de dos sustancias. Se utilizan mucho estos sistemas para el análisis de aleaciones y sus coeficientes de dilatación.