Efecto luminiscente

Qué es el efecto luminiscente

El efecto luminiscente designa la capacidad de ciertas sustancias para emitir luz visible cuando son excitadas por una fuente de energía externa, como la radiación ionizante. En física médica se aplica al fenómeno descrito por Wilhelm Röntgen la misma noche en que descubrió los rayos X, el 8 de noviembre de 1895: una pantalla recubierta de platinocianuro de bario colocada al lado de un tubo de Crookes envuelto en cartón negro emitía un tenue resplandor verdoso, señal de que unos rayos invisibles atravesaban el cartón y excitaban el material fluorescente de la pantalla. Ese fue el primer indicio experimental del efecto luminiscente inducido por rayos X.

El término procede del latín lumen, luminis ("luz") y el sufijo -escere, que indica "empezar a" o "estar en proceso de". Literalmente, "que empieza a emitir luz". La luminiscencia engloba varios fenómenos con mecanismos físicos parecidos pero cronología distinta, y todos se caracterizan por producirse "en frío", sin necesidad de calentar el material que emite. Esta emisión sin calor es lo que distingue conceptualmente la luminiscencia de la incandescencia del filamento de una bombilla, por ejemplo.

Bases físicas

Cuando un fotón de rayos X colisiona con un átomo del material luminiscente, transfiere energía a uno de los electrones del átomo y lo desplaza a un nivel de energía superior. Ese estado excitado es inestable. Al volver el electrón a su nivel de base, la diferencia de energía se libera en forma de un fotón de menor energía, casi siempre en el rango del espectro visible. La longitud de onda emitida depende de la estructura electrónica del fósforo, no de la energía del fotón incidente, lo que explica que un mismo material produzca siempre el mismo color al ser irradiado.

Se distinguen dos formas principales de luminiscencia relevantes en medicina, diferenciadas por el tiempo que persiste la emisión después de cesar la excitación. La fluorescencia se produce en un intervalo del orden de nanosegundos: la emisión desaparece prácticamente en cuanto se apaga la fuente. En cambio, la fosforescencia mantiene la emisión durante microsegundos, segundos o incluso minutos después de la excitación, debido a estados excitados metaestables. En la imagen radiológica interesa la fluorescencia rápida y no la fosforescencia; un fósforo con fosforescencia prolongada produciría afterglow o "estela", con contaminación entre imágenes sucesivas.

Aplicaciones históricas y actuales

Pantalla fluorescente y fluoroscopia. Los primeros exploradores manejaban directamente pantallas fluorescentes recubiertas de platinocianuro de bario o de sulfuro de zinc-cadmio, y observaban la imagen a simple vista tras interponer al paciente entre el tubo de rayos X y la pantalla. Este procedimiento, que dio nombre a la fluoroscopia, permitió las primeras exploraciones dinámicas del aparato digestivo y del corazón. Su intensidad era escasa y obligaba a explorar en salas oscuras con adaptación previa del ojo. La irradiación recibida por el explorador era alta y muchos radiólogos pioneros sufrieron lesiones cutáneas y neoplasias.

Pantallas de refuerzo o intensificadoras. Presentadas por Thomas Edison en 1896 y perfeccionadas por Patterson en 1918, son láminas de fósforo que se colocan en contacto con la película radiográfica dentro del chasis. Su utilidad es multiplicar la sensibilidad del sistema: los rayos X excitan el fósforo, que emite luz visible, y esa luz impresiona la película con mucha más eficiencia que los rayos X directos. Permitieron reducir sustancialmente la exposición del paciente para obtener una radiografía útil. Materiales clásicos fueron el tungstato de calcio y, desde los años setenta, los oxisulfuros de gadolinio o lantano dopados con tierras raras, más rápidos y luminosos.

Intensificador de imagen. Introducido en los años cincuenta, transformó la fluoroscopia: un tubo de vacío contenía en un extremo una pantalla de yoduro de cesio que convertía los rayos X en luz visible; esa luz liberaba electrones de un fotocátodo, que se aceleraban y focalizaban sobre una segunda pantalla fluorescente, más pequeña, con una imagen mucho más luminosa. Permitió observar la fluoroscopia en salas iluminadas y con menor exposición.

Radiología digital. Los detectores actuales de panel plano indirecto y los sistemas de radiografía computarizada emplean también fósforos luminiscentes. En los detectores indirectos, una capa de yoduro de cesio o de oxisulfuro de gadolinio absorbe los rayos X y emite luz visible que un sensor de silicio amorfo o de CCD convierte en señal eléctrica digital. En la radiografía computarizada se utilizan placas de fósforo fotoestimulable de fluorohaluro de bario que almacenan la información radiológica en electrones atrapados y la liberan por barrido láser posterior.

Diferenciación con conceptos afines

Efecto fotográfico. Capacidad de los rayos X para impresionar una emulsión sensible (haluros de plata) y producir una imagen tras el revelado. Ambos efectos se emplean juntos en la radiografía convencional: la pantalla intensificadora aprovecha el efecto luminiscente, y la película, el fotográfico. Se aborda en la entrada efecto fotográfico.

Fluorescencia y fosforescencia. Son las dos modalidades de luminiscencia por excitación fotónica, distinguidas por la duración de la emisión. La fluorescencia cesa al desaparecer el estímulo; la fosforescencia persiste. Ambas son subtipos del fenómeno más general.

Efecto biológico y efecto químico de los rayos X. Junto al luminiscente y al fotográfico, se describen clásicamente otros dos efectos: la ionización de la materia con producción de radicales libres, que fundamenta la radiobiología, y la alteración química directa de moléculas, base de la radioterapia. El efecto luminiscente es solo uno de los cuatro efectos clásicos.

Termoluminiscencia. Emisión de luz al calentar un material que ha sido previamente irradiado. Se aprovecha en los dosímetros termoluminiscentes utilizados para vigilar la exposición del personal sanitario. Es un fenómeno relacionado, pero distinto: la emisión no coincide con la irradiación, sino que se libera después mediante estímulo térmico.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra luminiscente?

Del latín lumen, luminis ("luz") y el sufijo -escere, que en latín indica el inicio o el proceso de una acción. Literalmente, "que empieza a emitir luz". Aplicado a los rayos X designa el fenómeno por el que ciertos materiales, denominados fósforos, emiten luz visible en cuanto son alcanzados por la radiación.

¿Cuál es la diferencia entre fluorescencia y fosforescencia?

La distinción está en el tiempo que persiste la emisión de luz después de cesar la excitación. La fluorescencia se apaga en nanosegundos, prácticamente al retirar el estímulo. La fosforescencia se prolonga microsegundos, segundos o incluso minutos por estados excitados metaestables. En imagen radiológica interesa la fluorescencia; la fosforescencia produce afterglow y degrada la calidad de las imágenes sucesivas.

¿Sigue empleándose el efecto luminiscente en la radiología moderna?

Sí. Aunque la película fotográfica y las pantallas intensificadoras clásicas han desaparecido de la práctica cotidiana, muchos detectores digitales indirectos y las placas de radiografía computarizada siguen basándose en un fósforo luminiscente que convierte los rayos X en luz visible o en energía almacenada. El principio físico es el mismo que Röntgen observó en 1895.

¿Es el mismo fenómeno el que produce las estrellas fluorescentes que se pegan al techo?

Es parecido, pero en el caso de las estrellas domésticas la excitación proviene de la luz visible o ultravioleta y la emisión es de tipo fosforescente, con persistencia de segundos a minutos. En radiología médica la excitación proviene de rayos X y la emisión buscada es la fluorescencia rápida.

¿Qué material emitía la pantalla del experimento de Röntgen?

Platinocianuro de bario. Röntgen la había preparado para otro experimento sobre rayos catódicos y estaba apoyada sobre la mesa cuando observó su resplandor.

Referencias

1. International Atomic Energy Agency. Radiology Equipment. Human Health Campus.
2. Behling R. Wilhelm Conrad Röntgen: Finding X. Journal of Radiographic Science and Technology, PMC.
3. American Physical Society. November 8, 1895: Roentgen's Discovery of X-Rays. APS News.
4. Spectroscopy Online. Wilhelm Conrad Röntgen and the Discovery of X-Rays.