Bases elementales de la física, electricidad y magnetismo

Medicina. Radioterapia. Radiología. Rayos X. Bases elementales de la física. Estructura atómica. Radiaciones electromagneticas. Radiactividad. Interacción de las particulas con la materia

  • Enviado por: Beatriz González
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 37 páginas
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TEMA I

BASES ELEMENTALES DE FISICA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO.

CARGA ELECTRICA.

Es la carga eléctrica de la interacción electrostática. Puede ser positiva o negativa. La carga está cuantificada; cualquier valor de la carga eléctrica es siempre un múltiplo de la carga elemental.

e- = 1,6 x 10-19 culombios.

La carga eléctrica se conserva siempre en cualquier proceso de la naturaleza.

FUERZA ELECTROSTATICA.

Es debida a las cargas eléctricas en reposo que puede ser positiva o negativa. Puede ser atractiva o repulsiva si es entre cargas de distintos o del mismo signo, respectivamente.

q = carga

r = distancia entre cargas.

  • Si duplicamos el valor de la carga duplicamos el valor de la fuerza.

  • Si duplicamos la distancia, la fuerza se divide por 4.

  • Es proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

  • Cumple el principio de superposición cuando son varias cargas las que interacciona.

  • Es descrita en términos de campo eléctrico.

CAMPO ELECTRICO.

Las magnitudes que describen el campo eléctrico son la intensidad del campo eléctrico en un punto (desde un enfoque dinámico) y el potencial eléctrico en un punto (desde un enfoque energético).

Ambas caracterizan lo mismo, el campo eléctrico, pero desde distintos enfoques.

Se define como la región del espacio cuyas propiedades son perturbadas por la presencia de una carga.

Si colocamos una carga en una zona que existe un campo eléctrico, habrá una fuerza sobre esta carga.

Se caracteriza desde el punto de vista dinámico por el vector intensidad de campo eléctrico, , que se defina en cada punto como la fuerza que actúa sobre la unidad de carga testigo positiva situada en ese punto.

se representa mediante líneas de fuerzas, saliente de la carga positiva y entrantes en las cargas negativas.

Unidades [N/c] = [V/m]

Se caracteriza desde el punto de vista energético por la magnitud escalar potencial eléctrico V, definido en cada punto como la energía potencial por unidad de carga testigo colocada en dicho punto [J/c] = V (voltio).

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El movimiento acelerado de partículas cargadas puede ser descrito como consecuencia de la fuerza eléctrica (desde el punto de vista dinámico) o como consecuencia de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos (desde el punto de vista energético).

Una partícula cargada positivamente se acelera (o incrementará su energía cinética) al moverse desde puntos de mayor potencial hacia puntos de menor potencia (V1 > V2).

Una partícula cargada negativamente se acelerará al moverse desde puntos de menor potencial hacia puntos de mayor potencial (V1 < V2).

CAMPO ELECTRICO.

El campo eléctrico realiza un trabajo W, cuando una carga positiva que se mueve desde un lugar A en el que el potencial es alto a otro B en el que el potencial es mas bajo.

Si q > 0 y VA > B entonces W >0.

Si el campo eléctrico realiza un trabajo cuando una carga negativa que se mueve desde un lugar B en el que el potencial es mas bajo a otro A en el que el potencial es mas alto.

Una fuerza externa tendrá que realizar un trabajo para trasladar una carga positiva, q, desde un lugar B en el que el potencial es mas bajo hacia otro lugar A, en el que l potencial es más alto; la fuerzas que tiene que hacer un trabajo para vencer el campo eléctrico.

Una fuerza externa tendrá que realizar un trabajo para trasladar una carga positiva q, desde un lugar A en donde el potencial es mas alto hacia otro lugar B en el que el potencial es mas bajo.

CORRIENTE ELECTRICA.

Intensidad se defina como la carga por unidad de tiempo que atraviesa una sección de conductor.

El Amperio es la unidad fundamental.

MAGNETISMO.

CAMPO MAGNETICO.

Un campo magnético B produce sobre una partícula de carga q y una velocidad V una fuerza F dada por la expresión adjunta:

Esta fuerza tendrá la dirección perpendicular al plano formado por una velocidad y el campo magnético.

Es fuerza será máxima cuando la velocidad y el campo magnético sean perpendiculares y será cero cuando tengan la misma dirección.

Bajo esta fuerza la partícula se mueve en una trayectoria circular (si V es perpendicular a B) o helicoidal (si V y B forman un ángulo oblicuo).

Cuando un e- entra en un campo magnético este le provoca hasta formar un círculo.

Cuando entre un e- con un ángulo provoca una hélice.

La unidad de inducción magnética es el TESLA, producirá una fuerza de un newton sobre la unidad de carga moviéndose e la velocidad de 1m/s perpendicular al campo.

B = [T]

Una carga en movimiento produce un campo magnético (pero en reposo no a diferencia del campo eléctrico). Este campo magnético forma circunferencias concéntricas perpendiculares a la trayectoria de la carga.

CONCLUSION.

Las cargas en reposo producen campos eléctricos y las cargas en movimiento además de producir campos eléctricos producen también campos magnéticos.

El campo magnético no realiza trabajo porque solo cambia la dirección de la partícula y no el modulo de la velocidad.

TEMA II

REPASO A BASES ELEMENTALES DE MATEMATICAS.

FUNCION

Para cada valor de la variable independiente le corresponde un único valor de la variable dependiente.

FUNCION LINEAL

Son aquellas funciones cuya representación gráfica es una recta.

Todas estas funciones admiten una expresión analítica de la forma y = ax + b, siendo a y b números reales cualesquiera.

Las funciones lineales se pueden clasificar en:

  • F unciones afines: son de la forma y = ax + b con a ≠ 0 y b ≠ 0

  • F unciones de proporcionalidad directa: son de la forma y = ax con a ≠ 0 y b = 0

  • F unción constante: son de la forma y = b con a = 0 y b un número real cualquiera.

En una recta de ecuación y = ax + b se llama pendiente al número a, a es la tangente del ángulo ά que forma la recta con la horizontal (0º < ά < 180º). Al número b se le llama ordenada en el origen, representa el punto de corte de la recta con el eje Y, en concreto (0, b).

Para calcular la ordenada se toman dos puntos y se restan tonto de y como de x. Cuando b = 0 pasa por el origen.

FUNCION EXPONENCIAL

  • Si a> 1 es creciente. Cuanto mayor sea a, mas rápido crece.

  • Si 0 < a < 1 es decreciente.

  • Cuando x es negativa la función tiende a ∞, la función tiene a cero pero nunca llega a acercarse a tal valor.

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  • Cuando x = 0 e y=1

TEMA III

ESTRUCTURA ATOMICA.

Los átomos contienen tres tipos de partículas elementales:

  • Electrones.

  • Protones.

  • Neutrones.

En los átomos se pueden dar dos procesos:

  • Inonicaciones.

  • Excitaciones.

ESTRUCTURA ATOMICA.

El átomo esta formado por el núcleo y la corteza.

El tamaño del núcleo es una 10-10 veces menor que el tamaño del átomo, pero contiene casi toda la sama de este.

La corteza electrónica define el tamaño del átomo.

NUCLEO ATOMICO.

El núcleo esta formado por protones y neotrones, estos están unidos por una fuerza nuclear muy fuerte.

En el núcleo se concentra prácticamente toda la masa del átomo.

La masa de los protones y de los neutrones es muy similar y por convenio se toma como una unidad de masa atómica, el UMA.

El numero masico A, es el numero de protones junto con el numero de neutrones.

La masa del átomo medida en unas es igual al número total de protones y neutrones que existan en el núcleo (A).

Los protones determinan la carga eléctrica total que contiene el núcleo.

  • Protones.-Carga eléctrica positiva del mismo valor que el electrón a una unidad de carga vec (unidad elemental de carga) que es igual a 1,6 x10-19c.

  • Neutrones.- No tienen carga eléctrica.

La especie química (elemental) a la que pertenece el átomo, esta determinada exclusivamente por el numero atómico (Z).

El numero Z es el numero de protones que posee ese átomo.

El lugar que ocupa en el tabla periódica un elemento cualquiera queda fijado por el número atómico.

Dos átomos que poseen en el núcleo el mismo número de protones (Z) y que por ello pertenezcan a la misma especie química, pero que psean distinto numero de neutrones, se denominan isótopos.

NOMENCLATURA

A (numero masico) = z (numero de protones) + N (numero de neutrones)

Ejemplo del carbono:

12C (6 neutrones, 14C (8 neutrones), 13C (7 neutrones)

Para caracterizar completamente el núcleo de un átomo es necesaria, además de indicar el nombre del elemento (o el número atómico), añadir el numero masivo, lo que especificara el isótopo concreto.

Orden de magnitud del tamaño del núcleo es de 10-15m

LA CORTEZA ATOMICA.

Esta formada por electrones que:

  • Tienen carga eléctrica del mismo valor que la del protón pero negativa (vec)

  • Su masa es unas 2000 veces menor que la de los nucleones (protones y neutrones).

  • La interacción atractiva entre la corteza (e-) y el núcleo es de tipo eléctrica mediante la carga.

Hay cuatro tipos de fuerzas:

  • Fuerza gravitatoria = masa.

  • Fuerza electromagnética = carga.

  • Fuerza nuclear fuerte.

  • Fuerza nuclear débil.

  • La corteza atómica es la que determina el tamaño total del átomo, su tamaño es de unas 100.000 veces el del núcleo.

    Un átomo es neutro, con carga total cero, cuando tiene el mismo número de electrones en la corteza que de protones en el núcleo.

    Si el átomo tiene exceso o defecto de electrones se le llama ión, siempre será un múltiplo de la carga elemental.

    Los electrones no pueden estar en cualquier parte de la corteza atómica, solo pueden estar en determinadas zonas y no pueden tener un continuo de energía, sino unas determinadas.

    Esta obligación de valores concretos se le llama cuantizacion.

    Hay varios modelos que explican estos fenómenos.

    • MODELO ATOMICO DE BOHN.

    Los electrones giran en orbitas circulares alrededor del núcleo.

    Las orbitas no están a cualquier distancia del núcleo, cada átomo tiene sus orbitas permitidas.

    Un electrón que esta mas cerca del núcleo esta mas ligado que otro que esta mas alejado y tiene menos energía, ya que esta energía tiene signo negativo, en valor absoluto seria mayor.

    Por convenio la energía de un electrón libre, infinitamente alejado del núcleo, es nula, de forma que los electrones ligados al átomo siempre poseen energías negativas llamadas de ligadura. Esta energía de ligadura es, en valor absoluto, igual a la energía que hay que comunicar al átomo para producir la expulsión de ese electrón.

    Cuanta mas alejada sea la orbita de un electrón menor será su energía de ligadura en valor absoluto.

    • MODELO ATOMICO CUANTICO.

    Los electrones no giran en orbitas circulares, sino que tienen una serie de distribuciones espaciales posibles con unas energías permitidas. Estas distribuciones espaciales posibles se llaman orbitales.

    Que el electrón este en un orbital u en otro depende del valor que tengan ciertas magnitudes que definen el estado del electrón, como son la energía, el momento angular y el espin.

    Cada orbital se caracteriza por:

    • Tener una Energía característica igual que en el modelo de Bohn.

    • Describir una distribución espacial del electrón.

    Ahora el electrón no viene determinado por una posición concreta sino por la mayor o menor probabilidad de encontrarse en los diversos puntos del átomo.

    El electrón en el átomo, más que una minúscula partícula concentrada en un punto, puede interpretarse como si estuviera disperso en forma de nube de carga negativa alrededor del núcleo. La densidad de la nube de carga no es uniforme, sino mas densa (mas probable) en unas zonas que en otras (como si fuera un enjambre de abeja).

    Los orbitales pueden agruparse en conjuntos con energías similares, llamadas capas electrónicas. Estas capas se designan, por motivos históricos con letras mayúsculas a partir de la K, siendo esta la mas profunda o cercana al núcleo.

    Los electrones que ocupan las capas más cercanas al núcleo son los que experimentan una mayor atracción y por tanto tienen energía de ligadura mayor.

    Los electrones más externos y menos ligados tienen energías de ligadura del orden del eV. Los mas internos y ligados pueden tener energías de ligadura del orden de KeV.

    En cada capa solo caben un número determinado de electrones. En la capa K, solo caben 2 electrones, en la L 8, en la M 18, etc. Cuando una capa esta llena se dice que es cerrada.

    EXCITACION Y DESEXCITACION.

    Los electrones tienden a ordenarse en la corteza eléctrica de manera que quedan ocupadas prioritariamente las capas más cercanas al núcleo. Cuando la capa K esta llena, el resto de electrones (si existen) comienzan a llenar la capa L, cuando esta queda llena se continua con la M y así sucesivamente.

    Con el esquema anterior, el átomo esta en el estado fundamental, este estado es el de menor energía y el mas estable.

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    Excitacion

    Un átomo estará excitado si alguno de los electrones absorbe energía por algún mecanismo y queda alojado en alguna capa superior más energética que estaba vacía, el átomo ahora tendrá un exceso de energía.

    Tras un cierto tiempo característico, el átomo se desexcitara, remitiendo la energía, aunque no necesariamente en la forma original.

    Un átomo excitado aislado no es estable, con el tiempo el átomo tendrá a evolucionar hacia estados de menor energía y para ello la corteza electrónica deberá reordenarse en un proceso llamado desexcitacion, liberando el excedente energético. En general, esta energía se liberara bajo una forma distinta que la absorbida.

    IONIZACION.

    Si un electrón atómico absorbe una energía igual o mayor que su energía de ligadura, abandonara el átomo convirtiéndose en un electrón libre. La energía final del electrón expulsado será igual a la energía total absorbida menos la energía de ligadura.

    El átomo residual, al perder un electrón queda con una carga neta positiva.

    Este fenómeno puede ocurrir siempre que al electrón se le da la energía suficiente.

    Los electrones externos, al estar poco ligados, pueden ser expulsados mediante la absorción de pequeñas cantidades de energía (del orden de eV). Los electrones mas internos, muy ligados, necesitan energías mucho mayores (del orden del KeV) para ser liberados.

    También se pueden crear iones negativos, esto es que el átomo neutro capte electrones.

    Esto se produce en aquellos casos en que las capas mas externas estén incompletas, que les falte un solo electrón o incluso dos, para quedar llenas y por tanto cerrar la capa.

    La formación de un ion negativo siempre es un proceso que libera energía.

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    Ionizacion.

    RADIACION ELECTROMAGNETICA.

    Se puede entender como perturbaciones del campo electromagnético (ondas) que se desplazan a la velocidad de la luz o como formada por haces de partículas, llamadas fotones, que se desplazan a dicha velocidad.

    Se clasifican de acuerdo a la energía de los fotones, igual que los átomos de los distintos elementos, se caracterizan por su masa.

    Carga en movimiento uniformemente acelerado

    Carga en reposo Carga en movimiento uniforme

    Genera un campo eléctrico estacionario E y B variables en t.

    Genera un campo magnético estacionario

    La diferencia entre unos fotones y otros esta en la energía:

    Pero todos los fotones de todas las energías se mueven siempre a la velocidad de la luz (c) y no tienen masa ni carga.

    Cuanto mayor sea la frecuencia mayor será la energía y cuanto mayor sea la longitud de onda, menor será la energía.

    La radiación electromagnética se puede considerar como una onda o como una partícula.

    • Para energías bajas (infrarrojo, microondas, ondas de radio) se describirá con el formalismo ondulatorio.

    • Para energías altas (rayos x y rayos gamma) se considera como una partícula (foton) para la interacción de la radiación con la materia.

    MECANISMOS DE EXCITACIÓN ATOMICA.

    • EXCITACIÓN RADIACTIVA.

    Un electrón de la corteza absorbe un foton y experimenta una transición desde un nivel inferior a otro superior, la energía del foton se invierte en superar la diferencia de energías que existe entre los dos niveles.

    Si el foton tiene suficiente energía, es posible que el electrón que lo absorbe quede desligado del átomo, produciéndose una iotización.

    Los fotones pueden aparecer y desaparece, es decir, de ser absorbidos y emitidos por partículas cargadas, solamente se exige que en el proceso de absorción o emisión se conserve la energía total y la carga total.

    • DESEXCITACION RADIACTIVA.

    Cuando un átomo esta excitado después de un tiempo característica tendera a caer al estado fundamental.

    Cuando un electrón cae de una capa superior a otra inferior, menos energética, la diferencia de energías se emite en forma de foton.

    Cuando se crea un vacío en una zona interna de la corteza debido a un proceso de excitación o ionizacion, los electrones que están en la capa electrónica inmediatamente superior al vacío tenderá a ocupar ese vacío en un corto tiempo, creando a su vez nuevos vacíos que serán ocupados por otros electrones e capas superiores, el átomo puede caer directamente al fundamental o pasar antes por otros estados excitados.

    • EXCITACIÓN COLISIONAL.

    Las excitaciones e ionizaciones también pueden ser producidas por otros mecanismos que transfieran energía, como el paso de partículas cargadas a gran velocidad por las cercanías del átomo, produciendo colisiones con los electrones o con el átomo en su conjunto.

    • DESEXCITACION COLISIONAL.

    El exceso de energía que un átomo puede tener en su corteza electrónica debido a una absorción energética previa puede liberarse por otros mecanismos que no es emitiendo un foton si el átomo no esta aislado (caso mas probable), por ejemplo mediante colisiones con otros átomos, de forma que el exceso de energía acabe en forma de energía térmica.

    'Bases elementales de la fsica, electricidad y magnetismo'
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    Cada átomo tiene sus niveles propios de energía: absorbe o emite fotones con unas energías propias de cada átomo.

    ESPECTRO DE EMISION O ABSORCION característico de cada átomo.

    TEMA IV

    RADIACION ELECTROMAGNETICA.

    Una carga eléctrica en reposo genera a su alrededor un campo eléctrico estático.

    Carga eléctrica en movimiento a velocidad constante genera un campo magnético estático además de un campo eléctrico.

    Si la carga se mueve con un movimiento acelerado, los campos eléctricos y magnéticos generados no serán estáticos sino oscilantes. Este tipo de emisión se llama RADIACION ELECTROMAGNETICA.

    Esta radiación se produce cuando las cargas eléctricas con aceleradas o frenadas:

    • Corrientes eléctricas variables en el tiempo: andas de televisión, radio, microondas.

    • Emisión por agitación térmica (infrarrojos).

    • Transiciones electrónicas en átomos (luz visible, ultravioleta y rayos x).

    • Frenado de electrones (rayos x)

    • Transiciones nucleares (radiación gamma).

    La radiación electromagnética es la superposición de un campo eléctrico oscilante (onda eléctrica) con un campo magnético oscilante (onda magnética) Vibrando ambos con la misma fase y en planos ortogonales.

    Misma fase: los campos eléctricos magnéticos alcanzan sus valores máximos y cero al mismo tiempo.

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    La radiación electromagnética se puede entender como perturbaciones del campo electromagnético (ondas) que se desplazan a la velocidad de la luz o como formada por haces de partículas llamadas fotones, que se desplazan a dicha velocidad.

    Cualquier partícula en movimiento tiene asociada una onda, propagándose a la misma velocidad de la partícula y con una longitud de onda de:

    Por lo tanto, la radiación electromagnética no es una onda ni una partícula, sino que es ambas cosas al misma o tiempo. Para explicar determinados fenómenos usaremos un modelo u otro.

    Posee características típicas del movimiento ondulatorio, como la reflexión, la refracción o la difracción y características propias del movimiento de partículas, como ocurre en el efecto fotoeléctrico o en el efecto Compton. Esto se conoce como la naturaleza dual (onda-partícula) de la radiación electromagnética.

    Las “partículas” componentes de la radiación electromagnética se denomina fotones.

    La relación entre la naturaleza ondulatoria y la corpuscular es:

    Donde E es la energía de cada foton, υ es la frecuencia de la onda y h es la constante universal

    La radiación electromagnética se puede considerar como una onda o como una partícula:

    • Para energías bajas (infrarrojos, microondas, ondas de radio) se describirá con el formalismo ondulatorio.

    • Para energías altas (rayos x, rayos gamma) se considerara como una partícula, foton, para la interacción de la radiación de la materia interna.

    • La radiación electromagnética es una onda y para caracterizarla usaremos los parámetros que caracterizan cualquier movimiento ondulatorio:

            • Longitud de onda :λ

            • Frecuencia : υ

            • Periodo: t

            • Velocidad de propagación: c

    NATURALEZA ONDULATORIA.

              • Longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o mínimos consecutivos [m].

              • Frecuencia es el número de oscilaciones que tiene la onda por unidad de tiempo. Sus unidades son de ciclos/tiempo, es decir, en el sistema internacional s-1, unidades que recibe el nombre de Hercios [Hz]

              • Periodo es el tiempo que dura una oscilación completa de la onda, sus unidades [s], T = 1/f.

              • Velocidad de propagación para las ondas electromagnéticas en el vacío es la velocidad de la luz, c= 3x108 m/s e medios materiales será distinta.

    Las ondas en general necesitan un medio material para su propagación, las ondas electromagnéticas no necesitan materia para su propagación.

    Todas viajan a la velocidad de la luz, independientemente de su energía.

    NATURALEZA CROPUSCULAR.

    Para explicar ciertos experimentos de interacción-radiación-materia, como el efecto Compton o el fotoeléctrico hay que considerar la radiación electromagnética como partículas ya que como ondas no se entiende.

    Todas las ondas son un transporte de energía y no de materia.

    Planck descubrió que esa energía en las ondas electromagnéticas no se transporta de forma continua como en las ondas, sino que viaja en forma de pequeños paquetes, cuya energía solo depende de la frecuencia

    Estos paquetes de energía pueden modelizarse como partículas sin masa, que se desplazan con velocidad C y que transportan la energía dicha.

    Momento (momento lineal), ya que los fotones no tienen masa.

    La diferencia entre los fotones viene dada por la energía (frecuencia).

    La radiación electromagnética esta formada por fotones. Estos son partículas que no tienen ni masa ni carga.

    Están caracterizados por su energía que determina el modo en que interacciona.

    Los de mas energía (a partir de rayos X) son capaces de ionizar indirectamente los átomos. Los rayos ultravioletas no traspasan mas que la piel.

    CARACTERISTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS.

    • No necesitan un soporte material para su propagación

    • Transporte de energía a través del espacio.

      • En forma de pequeños paquetes o cuantosშ Fotones

      • La energía de estos cuantos depende únicamente de la frecuencia E= hƒ

      • La energía que puede adquirir o ceder la onda se adquirirá o cederá en forma de cuantos შ múltiplo entero de su frecuencia

    • Velocidad de propagación en el vacío c= 3 108 m/s

    • Velocidad de propagación en un medio v=c/n

    ESPECTRO ELECTROMAGNETICO.

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    Las ondas de energía alta (fotones) son capaces de ionizar, producen cambios en la materia repercutiendo en enfermedades.

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    RADIACION CARACTERISTICA

    IONIZACION.

    Si mediante algún mecanismo se comunica a un electrón atómico una energía mayor o igual que su energía de enlace, será arrancado de la corteza, quedara libre, en estas condiciones el átomo queda ionizado.

    En la orbita en donde se encontraba el electrón expulsado se produce un hueco de forma que si es una orbita interna, se produce una reorganización de los electrones de la corteza, de tal forma que un electrón de un orbital superior (mas alejado del núcleo) pasa a ocupar dicha vacante y la vacante generada por este electrón en su orbital es rellenada por otro de un nivel superior, etc., de tal forma que al final todos los electrones se quedan ocupando los niveles mínimos de energía permitida.

    Transiciones electrónicas entre capas en un átomo ionizado, con producción de radiación característica.

    Cada átomo emite una radiación característica dependiendo de la naturaleza de dicho átomo.

    El salto de un electrón de una capa mas externa a otra mas interna para rellenar un hueco, solo se puede producir cuando el electrón emite una energía que es igual a la diferencia de energías entre las dos capas, esta energía se emite en forma de ondas electromagnéticas que puede corresponder a luz ultravioleta, rayos X, etc.

    Las transiciones mas energéticas serán Rayos X y las menos energéticas ser la luz visible.

    Como la energía emitida se corresponde con la diferencia de energía entre los niveles energéticos de las distintas capas, que son característicos en cada elemento, recibe el nombre de ESPECTRO DE EMISION.

    Este conjunto de fotones característico de las posibles transiciones en un átomo, se le llama espectro de emisión.

    La parte de los Rayos X del espectro de emisión se denomina RADIACION CARCTERISTICA.

    Si el hueco se produce en una capa muy interna, las transiciones podrán ser muy energéticas y ser Rayos X característicos.

    Si los átomos son pesados los Rayos X podrán ser mas energéticos.

    De un átomo pueden salir diferentes radiaciones pero la que nosotros llamamos radiación característica es la de los Rayos X.

    Las emisiones son concretas y los fotones de emisión de estas energías son característicos.

    RADIACION DE FRENADO.

    La interacción de un electrón con el núcleo (este electrón tiene que ser muy energético para que llegue a interaccionar con el núcleo) da lugar a una modificación importante de la trayectoria del electrón incidente, como consecuencia de la fuerza de atracción que el electrón (con carga eléctrica negativa) sufre cuando se encuentra sometido a la acción de la carga eléctrica positiva debida a los protones del núcleo.

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    El electrón puede frenarse mucho en otros casos poco, no siempre se frena de igual forma, por tanto se emitirán fotones desde cero hasta la energía máxima del electrón ( lo que se frene el electrón es la energía que tendrán esos fotones obtenidos).

    La diferencia de radiación característica es que se obtendrán fotones en un determinado numero pues depende de energías concretas y estos fotones son característicos por la ionizacion pues dependen del numero de saltos de los electrones.

    La radiación de frenado será siempre con partículas cargadas, con un foton no se puede hacer radiación de frenado, ya que el foton no tiene carga.

    El electrón en este proceso cambia bruscamente su trayectoria y se frena perdiendo energía.

    Esta energía perdida se emite en forma de radiación electromagnética que se conoce como radiación de frenado (Rayos X de frenado). Está formada por fotones con energías que van desde cero hasta la energía del electrón incidente.

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    ESPECTRO DE RAYOS X

    Los picos corresponden a Rayos X característicos y el resto de la curva a radiación de frenado.

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    RAYOS X EN EL HOSPITAL.

    Se producen artificialmente mediante frenado de electrones acelerados en dispositivos para ello como:

    • Tubo de Rayos X.

    • Aceleradores lineales.

    Los fotones son de radiación de frenado.

    Es radiación monoenergética, cada electrón tiene una energía.

    TEMA V

    RADIACTIVIDAD.

    RADIACIONES Y RADIACTIVIDAD.

    La radiactividad es la propiedad que exhiben ciertas sustancias (llamadas radiactivas) de producir espontáneamente algunos tipos de radiación (alfa, beta y gamma) en un proceso llamado desintegración radiactiva. La existencia de sustancias radiactivas implica la presencia de radiación

    La radiación es un fenómeno más amplio. No toda radiación está producida por desintegración de sustancias radiactivas

    Un tubo de rayos X o un acelerador lineal producen radiación, pero no son radiactivos. Sólo existe radiación cuando la producimos

    Las sustancias radiactivas emiten radioactividad continuamente

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    Un tubo de rayos X sólo emite al disparar

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    EL NUCLEO.

    Está formado por protones (carga +)y neutrones (sin carga) en general nucleones

    Los protones tienen carga y por tanto se repelen entre ellos, pero hay otra fuerza que mantiene unidos los nucleones, la fuerza nuclear fuerte

    La energía para arrancar un nucleón del núcleo es la energía nuclear de ligadura (B) y es del orden de 8 MeV (103-106 mayor que la de los electrones)

    La masa del núcleo es menor que la suma de la masa de los nucleones, ese defecto de masa en energía es la energía de ligadura

    Relación entre masa y energía E=mc2

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    A mayor energía de ligadura, mas estable es el núcleo.

    A Menor energía de ligadura, menos estable es el núcleo.

    NUCLEOS ESTABLES.

    No todos los elementos tienen núcleos estables, los núcleos con Z>83 son todos inestables.

    Hay una relación óptima entre protones y neutrones, para núcleos ligeros es 1:1, para núcleos pesados se necesitan más neutrones que protones.

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    ISOTOPOS, ISOTONOS E ISOBAROS.

    • Isótopos: mismo Z distinto A

    • Isótonos: mismo N distinto Z

    • Isóbaros: mismo A distinto Z y N

    NÚCLEOS INESTABLES.

    Un núcleo inestable tenderá a una configuración más estable mediante una desintegración radiactiva

    El tipo de desintegración dependerá de que regla de estabilidad nuclear se viole:

      • Excesiva masa nuclear

      • Demasiados neutrones

      • Demasiados protones

      • Apropiado número de nucleones pero demasiada energía

  • CONSTANTE DE DESINTEGRACION λ.

    • No se puede predecir cuando un átomo individual se va a desintegrar, lo que si se puede predecir es la probabilidad de que se desintegre en un período de tiempo. Si tenemos una muestra muy grande de partículas podremos saber cuantas se van a desintegrar en un período de tiempo determinado.

    • La probabilidad de que un núcleo se desintegre por unidad de tiempo = λ [s-1]

    • Ejemplo λ(42K)=0.056 h-1 lo que significa que la probabilidad de que se desintegre un núcleo en una hora es de 0.056 (5.6%), si tenemos 1000 núcleos se desintegrarán 56 en una hora.

  • ACTIVIDAD.

    • El número de núcleos en cualquier momento

        • Actividad: es el número de desintegraciones por unidad de tiempo SI: [Bq] o [Ci]

        • 1 Ci= 3.7*1010 Bq o 1mCi=37 MBq

        • Valores típicos de actividad. Ejemplos:

      Una fuente de alta tasa de orden de Curios (iridio) baja tasa de iridio son del orden de 10mCi.

      60Co = 5000 Cu.

      Se mide desintegración/S [Bq] unidad de actividad (Besquerelio).

    • PERIODO O SEMIVIDA.

      • Periodo de semidesintegración (t1/2): es el tiempo en reducir el número de núcleos radiactivos o el número de desintegraciones a la mitad.

      • Igual que la constante de desintegración el período es

      característico de cada sustancia

      • La vida media (no confundir con semivida) ၴ=ၬ-1

      Igual que la constante de desintegración, el periodo es característico de cada sustancia.

      Se reduce todo a 2n donde n es igual al numero de veces que tarda el núcleo en reducirse a la mitad.

    • VIDA MEDIA.

    • No se ha de confundir con semivida.

      El tiempo que tardaria la muestra en desintegrarse completamente si la actividad fuese constante:

      Se desintegra el numero e de núcleos.

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      CADENAS DE DESINTEGRACION RADIACTIVA.

      Un caso más complicado ocurre cuando el hijo también se desintegra

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      La actividad del hijo se AD(t) se puede expresar en general:

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      Casos posibles:

        • Si ၬD < ၬP tenemos el caso general

        • Si ၬD > ၬP tenemos equilibrio transitorio

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      • Si ၬD >> ၬP tenemos equilibrio secular

      • AD/AP=1

      • Esto es lo que pasa en el 60Co.

      DESINTEGRACION λ

      Átomos con masa atómica muy alta

      se pueden romper en fragmentos

      nucleares, la partícula α es el

      fragmento nuclear estable

      más pequeño

      • Excesiva masa nuclear

      • Donde es un núcleo 4He que llamamos partícula α: Un ejemplo de

      desintegración α es la desintegración:

      • Con t1/2 =1600 años

      FISION NUCLEAR.

      • Excesiva masa nuclear

      • Bajo algunas condiciones el núcleo se puede romper en varios fragmentos grandes (no suelen ser iguales), durante este proceso se produce calor y varios neutrones

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      DESINTEGRACION β-

      • Demasiados neutrones

      • En esta desintegración se vio que el electrón no tenía siempre la misma energía esto se debe a que la energía se la reparte con el antineutrino (este reparto puede ser de cualquier forma), el antineutrino es una partícula de masa muy pequeña sin carga difícilmente detectable

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      • Demasiados neutrones

      • El electrón y el antineutrino comparten la energía disponible y son expulsados del núcleo. Ejemplo:

      t1/2=5.26 años

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      • Demasiados protones

      • El positrón y el neutrino comparten la energía disponible y son expulsados del núcleo. Ejemplo:

      • t1/2= 110 minutos

      CAPTURA ELECTRONICA.

      • Demasiados protones

      • El núcleo captura uno de sus electrones de la capa K, un protón se convierte en un neutrón y un neutrino es expulsado. Ejemplo:

      • El 125Te está en un estado excitado y decae al estado fundamental a través de desintegración y conversión interna.

      La capa K resultante con un hueco es rellenada con electrones de capas superiores, la diferencia energética es emitida en forma de rayos X característicos y electrones Auger.

      DESINTEGRACION ၧ.

      • Demasiada energía

      • Un núcleo excitado AX*, generalmente producido a través de desintegración β-, β+ o captura electrónica alcanza su estado fundamental AX emitiendo uno o varios fotones.

      • Un ejemplo es la transición del estado excitado 60Ni* (proveniente de una desintegración β- del 60Co) en 60Ni estable emitiendo dos fotones de 1.17 y 1.33 MeV

      El 60Co mediante una desintegraciónβ pasa a 60Ni*

      y este se desintegra mediante ၧ a 60Ni estable

      con 2 fotones ၧ1=1.17 MeV y ၧ2=1.33 MeV

      CONVERSION INTERNA.

      • Demasiada energía

      • Además de emitiendo un fotón, la energía nuclear de excitación puede ser transferida a un electrón de la capa K que es expulsado del átomo con una energía cinética igual a la energía de excitación menos la energía de ligadura del electrón.

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      • La capa K resultante con un hueco es rellenada con electrones de capas superiores, la diferencia energética es emitida en forma de rayos X característicos y electrones Auger

      • Un ejemplo de conversión interna es la desexcitación del 125Te* (proveniente de una captura electrónica del 125I) en 125Te estable emitiendo fotones ၧ de 35 KeV (7%) y electrones de conversión interna (93%) que producen a su vez rayos X característicos de energías entre 27-35 KeV

      RADIACION NUCLEAR.

      • Bombardeo nuclear con partículas o fotones de alta energía.

      • El núcleo resultante puede ser inestable:

      • ¡RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL! B(p,p´)X

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      • REACCIONES DE DISPERSIÓN: El proyectil se dispersa. No hay núcleo compuesto

        • Colisión mecánica elástica: no hay alteración nuclear

        • Colisión inelástica: núcleo excitado

      • CAPTURA RADIATIVA: El núcleo compuesto emite radiación gamma (1 fotón o cascada de fotones)

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      • EMISIÓN DE PARTÍCULAS: El núcleo compuesto emite partículas(Típica de núcleos ligeros. En núcleos pesados hay una barrera culombiana mayor)

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      • FOTODESINTEGRACIÓN: El proyectil es un fotón

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      TEMA VI.

      RADIACIONES IONIZANTES.

      Se caracterizan por su habilidad para excitar e ionizar átomos de la materia con la que interaccionan

      La energía para hacer escapar a un electrón de valencia es entre 4-25 , por tanto para ionizar tendrán que tener una energía cinética igual o superior a esta

      Este criterio energético para los fotones incluiría la radiación ultravioleta. Pero por motivos prácticos el UV no se considera ionizante ya que es menos penetrante en la materia que la luz visible, mientras que otras radiaciones ionizantes son generalmente más penetrantes

      Radiación de partículas cargadas (radiación directamente ionizante)

      • Partículas cargadas pesadas (p, )

      • Electrones

      Radiación sin carga (radiación indirectamente ionizante)

        • Radiación electromagnética

        • Neutrones

      La radiación directamente ionizante produce la ionización en el medio por medio de la interacción coulombiana

      La radiación indirectamente ionizante que primero transfiere su energía a partículas cargadas en unos pocos encuentros y luego estas partículas cargadas producen mayor número de ionizaciones.

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      TIPOS Y FUENTES.

      • Rayos : Radiación electromagnética emitida de un núcleo o en reacciones de aniquilación entre materia y antimateria (e--e+). Rago 2.6 keV-7MeV

      • Rayos X: radiación electromagnética emitida por electrones al cambiar de niveles atómicos (característicos) o al frenarse cerca del núcleo (frenado)

      • El rango de energía de los Rayos X se suele referir en función del voltaje:

        • 0.1-20 kV: baja energía

        • 20-120 kV: diagnóstico

        • 120-300 kV: ortovoltaje

        • 300 kV- 1 MV: energía intermedia

        • Más de 1 MV: megavoltaje

      • Electrones rápidos (positrones +): emitidos en desintegraciones ၢ, resultante de un choque con una partícula cargada o un fotón, acelerados artificialmente en aceleradores

      • Neutrones: obtenidos de reacciones nucleares no pueden ser acelerados electrostaticamente

      • Partículas cargadas pesadas: acelerados en aceleradores de partículas, desintegración ၡ o en reacciones nucleares.

        • Protón (el núcleo de hidrógeno)

        • Partícula ၡ (núcleo de helio)

        • Otros nucleos de átomos más pesados que se han quitado todos o parte de los electrones

      TEMA VII.

      INTERACCIONES DE LAS PARTICULAS CON LA MATERIA.

      INTERACCION DE ELECTRONES.

      • Un electrón al atravesar la materia interactúa con los electrones de la corteza y con el núcleo por la fuerza eléctrica

      • En estas colisiones el electrón puede perder energía (mediante choques y perdidas radiativas) y desviarse de su trayectoria

      TIPOS DE COLISIONES.

      • Las colisiones con los electrones o el núcleo pueden ser:

        • Elásticas: el electrón se desvía pero pierde muy poca energía y no produce ionización

        • Inelásticas: además de desviarse pierde energía que comunica al electrón de la corteza, al átomo o que pierde en forma de radiación de frenado

      • Las interacciones dependiendo de la distancia entre el electrón y el átomo pueden ser :

        • Blandas

        • Duras

        • Con el núcleo

      A). COLISIONES ELESTICAS.

      • Con electrones atómicos: son colisiones blandas (bှှa) el electrón choca con todo el átomo y solo transfiere una pequeña cantidad de energía al átomo que es menor que la energía de ionización del átomo. Son las más numerosas

      • Con el núcleo (b<<a): Es relativamente bastante probable que ocurra cambia mucho la dirección del electrón. El electrón pierde poca energía pero ni excita al núcleo ni emite radiación de frenado. Esta colisión elástica es la principal razón por la que el electrón se desvíe tanto en su trayectoria

      B). COLISIONES INELASTICAS.

      • Duras (b ≈ a) el electrón pierde una gran cantidad de energía que transfiere al electrón atómico pudiendo ionizar el átomo y este electrón secundario a su vez puede excitar o ionizar a otros átomos. Son menos probables que las colisiones blandas pero la perdida de energía en una colisión es mayor. Después de una de estas colisiones se puede producir una cascada de rayos X característicos

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      REACCION CARACTERISTICA.

      • Transiciones electrónicas entre capas en un átomo ionizado, con producción de radiación característica

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      Con el núcleo (b<<a): el electron tiene una interacción radiativa con el núcleo frenándose bruscamente (radiación de frenado). El fotón tendrá una energía entre 0 y energía del electrón incidente. Cuanto más cerca pase el electrón del núcleo mayor será la energía del fotón.

      REACCION DE FRENADO.

      • Producción de radiación de frenado (v1<v)

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      COLISIONES RADIATIVAS.

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      • El electrón en estas colisiones inelásticas produce ionización y excitación de los átomos del material a expensas de su energía cinética

      • El electrón experimenta miles de colisiones hasta detenerse en las que normalmente pierde una pequeña cantidad de energía (colisiones blandas son más frecuentes)

      • La distancia recorrida se llama alcance

      IONIZACION

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      EXCITACIÓN.

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      DESEXCITACION.

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      CONSECUENCIAS.

      • Colisiones elásticas: transferencias térmicas a moléculas del medio

      • Colisiones inelásticas: Ionización, excitación y transferencia térmica

      • Colisión inelástica con el núcleo: radiación de frenado, esos fotones producirán ionización, excitación y al final transferencia térmica

      PODER DE FRENADO.

      • La pérdida energética de la partícula se describe mediante una función llamada poder de frenado que es la cantidad de energía perdida por unidad de longitud

      • Tiene en cuenta la perdida de energía por choques elásticos, inelásticos y por perdidas radiativas

      PODER DE FRENADO (S)

      • Suma de dos contribuciones

      • Poder de frenado de colisión + poder de frenado de radiación

      • Para electrones de alta energía S=2MeV/cm aproximadamente

      PODER DE FRENADO POR COLISION.

      • Dependencia con el medio de frenado: si Z disminuye S aumenta

      • Dependencia con la velocidad de la partícula: S decrece rápidamente si v aumenta

      • Dependencia con la carga de la partícula incidente: S crece rapidamente con z

      • Dependencia con la masa de la partícula: no aparece de forma explícita

      • A velocidades iguales, las partículas ၡ, que poseen dos unidades de carga, son frenadas de forma mucho más eficiente que los protones, que sólo poseen una unidad de carga (para tener igual velocidad las partículas ၡ tendrán que tener más energía que los protones ya que tienen más masa)

      • las partículas más lentas ceden su energía más rápidamente al medio que las más veloces

      PODER DE FRENADO POR RADIACION.

      • La pérdida energética en más importante para Z mayores, materiales pesados

      • Crece linealmente con la energía cinética T a altas energías ambos poderes llegan a igualarse

      • La emisión de radiación de frenado por partículas pesadas es despreciable

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      • La emisión de radiación de frenado es:

      • Principalmente en la dirección perpendicular a la dirección de la partícula para velocidades pequeñas

      • Principalmente hacia delante en la misma dirección de la partícula para velocidades grandes.

      • Por eso en radioterapia se hace girar el haz de electrones y en rayos X no.

      LET.

      • LET es el poder de frenado por colisión pero considerando solo los electrones secundarios por debajo de un cierto umbral.

      • No se consideran las pérdidas por radiación ni las pérdidas por colisión que produzcan electrones secundarios muy energéticos, es decir solo considera las pérdidas de energía que se depositen en las cercanías de la trayectoria de la partícula primaria

      • Mide la transferencia de energía que en una línea, deja una partícula cargada al atravesar un medio

      • Partículas con mayor LET causan mayor daño biológico a igualdad de energía absorbida

      • Las partículas pesadas tienen mayor LET que las partículas ligeras

      ALCANCE O RANGO.

      • El alcance depende de la energía, del tipo de partícula y de las propiedades del medio material

      • El alcance:

        • crece con la energía de la partícula

        • disminuye con la densidad del medio

        • A igualdad de energía el alcance es mayor para partículas más ligeras

      ALCANCE

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      ALCANCE EN AIRE Y AGUA (e-)

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      ALCANCE

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      AUTOABSORCION.

      • Las partículas con un alcance pequeño pueden ser absorbidas por la propia fuente antes de salir de la fuente

      • Cuando se mide la actividad de una muestra se mide actividad aparente que es lo que se puede medir

      • Las partículas pesadas están más afectadas que los electrones y estos más que los fotones. Esta es la razón por la que se filtra las fuentes de braquiterapia

      RETRODISPERSION.

      • Cuando los electrones se dispersan angulos mayores de 90º

      • Ocurre sobre todo en materiales pesados y de baja energía de la partícula incidente

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      Ciclo Formativo Superior de Radioterapia

      Protección Radiológica

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