Rayos X, ¿ondas o partículas?

Experientia docet Átomos Artículo 13 de 29

Primera difracción de rayos X efectuada por el CheMin (rover Curiosity) del suelo marciano. Fuente: NASA/JPL-Caltech/Ames

Un problema que despertó un gran interés tras el descubrimiento de los rayos X se refería a la naturaleza de estos rayos misteriosos. A diferencia de las partículas cargadas (electrones, por ejemplo), no se desviaban por los campos magnéticos o eléctricos. Por lo tanto, parecía que tenían que ser partículas neutras u ondas electromagnéticas.

Era difícil elegir entre estas dos posibilidades. Por una parte, no se conocían partículas neutras de tamaño atómico (o más pequeñas) que tuvieran el poder de penetración de los rayos X. La existencia de unas partículas así sería extremadamente difícil de probar, porque no había manera de interactuar con ellas [1]. Sin embargo, se encontró que los rayos X tenían propiedades cuánticas, lo que significaba que también exhibían un comportamiento similar a las partículas. Por ejemplo, pueden causar la emisión de electrones de los metales. Estos electrones tienen mayores energías cinéticas que los producidos por la luz ultravioleta [2]. Por lo tanto, los rayos X también requieren de la teoría cuántica para explicar algunos de sus efectos.

Por otro lado, si los rayos X eran ondas electromagnéticas, tendrían que tener longitudes de onda extremadamente cortas porque solo en este caso, según la teoría, podrían tener un alto poder de penetración y no mostrar efectos de refracción o interferencia con aparatos ópticos ordinarios como era el caso. Como vimos al hablar de ondas, las propiedades claramente ondulatorias se hacen evidentes solo cuando las ondas interactúan con objetos, como las rendijas en una barrera, que son más pequeños que varias longitudes de onda. Las longitudes de onda hipotéticas para los rayos X tendrían que ser del orden de 10-10 m. Por lo tanto, para demostrar su comportamiento como onda requeriría una rejilla de difracción con hendiduras separadas aproximadamente 10-10 m. La teoría cinética y la química del XIX apuntaban a que los átomos tenían precisamente del orden de 10-10 m de diámetro. Parecía razonable, por tanto, que los rayos X puediesen ser difractados de forma medible por cristales en los cuales los átomos formasen capas ordenadas separadas 10-10 m.

Estos experimentos tuvieron éxito en 1912. Las capas de átomos actuaron como redes de difracción, y los rayos X sí actuaron como cabía esperar de una radiación electromagnéticas de longitud de onda muy corta (como la luz ultravioleta). Estos experimentos son más complicados de interpretar que la difracción de un haz de luz mediante una rejilla óptica bidimensional única. El efecto de difracción se produce en tres dimensiones en lugar de dos. Por lo tanto, los patrones de difracción son mucho más elaborados [3].

Walter Friedrich y Paul Knipping (del departamento de Arnold Sommerfeld en la Universidad de Munich), comprobaron la existencia de un patrón de difracción de rayos X en un cristal de sulfuro de cinc (ZnS). La explicación de este hallazgo llevaría a que un jovenzuelo llamado William Lawrence Bragg ganase el premio Nobel de física con solo 25 años.

La comunidad científica estaba ante otro hecho sorprendente: como le ocurre a la luz, los rayos X tienen propiedades de onda y de partícula.

Notas:

[1] Un problema parecido formalmente al que existe en la actualidad con la naturaleza de la materia oscura, que no interactúa con la radiación electromagnética y de la que solo se detectan efectos gravitatorios.

[2] La ionización de los gases por rayos X es también un ejemplo del efecto fotoeléctrico. En este caso, los electrones se liberan de los átomos y las moléculas del gas.

[3] Aunque tampoco es para tanto. En Generación X dimos una introduccion muy simple a la idea.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

2 comentarios

  • […] Este cronista no puede evitar sorprenderse cuando un artículo que debería pasar sin pena ni gloria por ser parte de una serie más amplia y contar algo que debería ser parte de la cultura científica general despierta la respuesta que ha despertado este. ¿Otro milagro del universo paralelo feisbuquiano? Rayos X, ¿ondas o partículas? […]

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