Materia Y Energia

MATERIA Y ENERGIA Física de las Radiaciones. UPCH - Escuela de Tecnología Médica 2009 - I

MATERIA  Cualquier

cosa que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa

 Todo

aquello nos rodea.

que

 La

materia está constituida por moléculas y estas a su vez por átomos.

MASA

 Medida

objeto.

de la cantidad de materia en un

PESO

 Fuerza

que ejerce la gravedad sobre un objeto.

 La

masa o cantidad de materia de un objeto es constante en el conjunto del universo.

ENERGIA

 Capacidad

de realizar un trabajo o producir un cambio.

Energía Potencial

 Capacidad

de producir un trabajo según la posición que ocupa un objeto.

Energía Cinética

 Energía

debida al movimiento, dependiente de la velocidad.

Energía Química

 Energía

liberada en una reacción química.

 La

energía liberada por los alimentos en el organismo es estudiada por la bioquímica.

Energía Eléctrica  Trabajo

realizado por un electrón a lo largo de un elemento conductor cuando es sometido a una diferencia de potencial.

Energía Térmica

 Es

la energía cinética a un nivel molecular.

Energía Nuclear

 Energía

contenida en el núcleo de los átomos.

Energía Electromagnética  Es

la forma de energía más importante en la Radiología por ser la forma de energía contenida en los rayos X y usada en la resonancia magnética entre otras.

Relación MASA - ENERGIA

 Albert

Einstein propuso por primera vez la relación entre masa y energía en su célebre teoría de la relatividad.

Relación MASA - ENERGIA

 La

ecuación de la equivalencia de la masa y la energía es una de las piedras angulares de la teoría de la relatividad.

Relación MASA - ENERGIA

Energía Electromagnética  Es

la forma de energía más importante en la Radiología por ser la forma de energía contenida en los rayos X.

 La

energía electromagnética emitida por una fuente y que viaja por el espacio se llama radiación electromagnética.

 Vibración

de las cuerdas de una

guitarra.  Olas del mar.  Luz visible.

 La

materia que intercepta una forma de radiación y absorbe una parte de su energía se dice que está siendo irradiada o expuesta.

TEORIA ATOMICA Física de las Radiaciones. UPCH - Escuela de Tecnología Médica 2009 - I

Materia y Energía - repaso

 El

concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia.  Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas



El concepto de átomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filósofos griegos Demócrito, Leucipo y Epicuro, sin embargo, no se generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la realidad,

 En

1773 Lavoisier postula el enunciado “ la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

 En

1869 Mendeleiev creó la tabla periódica de los elementos.

Modelo de Dalton  Primer

modelo con bases científicas 1808.  La materia está formada por átomos indivisibles e indestructibles.  Este modelo no explica la radioactividad.

CRITICA A LA TEORIA DE DALTON

ÁTOMOS INDIVISIBLES 

?

ÁTOMOS DE UN MISMO ELEMENTO IDENTICOS EN MASA Y PROPIEDADES ?

ÁTOMOS-COMPUESTOS

?

Modelo de Thompson  Luego

del descubrimiento del electrón en 1897, se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva.  La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel

Un pastelito?? Thomson, descubrió la carga eléctrica negativa del átomo, concibió a este como un continuo de carga positiva con partículas positivas embebidas en el, como pasas en un pastel. Con esto el átomo deja de ser indivisible y además adquiere carácter eléctrico El atomo sigue siendo eléctricamente neutro

- - + - -

Modelo de Rutherford 

Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos.

MODELO DE RUTHERFORD. REVOLUCION EN LA CONCEPCIÓN ATÓMICA DE LA MATERIA.

 La

experiencia de Ernest Rutherford , y posteriormente la presentación de su modelo ,invalida en gran parte el modelo anterior y supone una revolución en el conocimiento intimo de la materia.

Modelo de RUTHERFORD. 







Rutherford bombardeó una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de Helio, provinientes de la desintegración del Polonio) Observó que la mayor parte de las partículas que atravesaban la lámina seguían una línea recta o se desviaban un ángulo muy pequeño de la dirección inicial. Solamente, muy pocas partículas se desviaban grandes ángulos, lo que contradecía el modelo atómico propuesto por Thomson. Rutherford supuso que dichas desviaciones provenían de una única interacción entre la partícula proyectil y el átomo.

MODELO DE RUTHERFORD 

Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío



El rebote de las partículas indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa de la masa.

MODELO DE RUTHERFORD. Podemos mencionar que el modelo de Rutherford ofrecía las siguientes afirmaciones:  El átomo esta constituido por una parte central a la que se le llama núcleo y la que se encuentra concentrada casi toda la masa del núcleo y toda la carga positiva.  En la parte externa del átomo se encuentra toda la carga negativa y cuya masa es muy pequeña en comparación con el resto del átomo, esta está formada por los electrones que contenga el átomo.  Los electrones giran a gran velocidad en torno al núcleo, en orbitas circulares.  El tamaño del núcleo es muy pequeño en comparación con el del átomo, aproximadamente 10000 veces menor.

MODELO EN BASE A LA EXPERIENCIA.

INVALIDACION DEL MODELO DE THOMSON EN BASE A LA EXPERIENCIA DE RUTHERFORD.

Modelo de Bohr 

El átomo propuesto por Bohr consiste en un núcleo de hidrógeno alrededor del cual gira en órbitas circulares un electrón, ocupando la órbita permitida de menor energía, es decir, la más cercana al núcleo.



El número de órbitas permitidas para el electrón se encuentra restringido por su nivel energético, y el electrón puede pasar a una órbita de mayor energía solamente absorbiendo una cantidad de energía específica (cuanto).

Estructura Atómica  La

teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa

Dimensiones Atómicas

NUCLEO n p

NUCLEON QUARK

ELECTRON

Nomenclatura

Número Másico (A)

Helio

4 2

Símbolo Químico

He

Número Atómico (Z)

A : número de nucleones (neutrones + protones) Z : número de protones (= número de electrones)

Núcleo Atómico Está formado por protones y neutrones:

Masa de un nucleón: ≈1,6 × 10-27 kg (masa de un electrón : 9,1 × 10-31 kg)

Núcleo Atómico Los nucleones están compuestos de quarks Cada nucleón está compuesto de tres quarks: – Protón: 2 quarks u y un quark d – Neutrón: 2 quarks d y un quark u

p u

n u d

d

d u

Núcleo Atómico Los núcleos se clasifican en: • Isótopos: núcleos con igual Z pero diferente número de neutrones N. 1 1

H , 21 H , 31 H

• Isótonos: núcleos con igual número de neutrones N pero diferente Z. 13 6

C,

14 7

N

•Isóbaros: núcleos con igual número de masa A.

14 6

C,

14 7

N

Isotopos del Carbono  C12: 6 protones + 6 neutrones, 98.89 % de abundancia en la naturaleza.

 C13: 6 protones + 7 neutrones, 1.11 % de abundancia en la naturaleza.

 C14: 6 protones + 8 neutrones, menor al 0.01 % de abundancia en la naturaleza.

Isótopos del hidrógeno

Número atómico y número másico

Interacciones eléctricas entre protones y electrones.  La

estabilidad del átomo se debe a la acción de dos fuerzas opuestas que hacen mantenerse a distancia a los electrones del núcleo.  Los protones están fuertemente cargados de electricidad positiva y los electrones negativamente.  La interacción entre estas partículas hace que los electrones se sientan poderosamente atraídos por la carga eléctrica contraria de los protones, dando como resultado una centrípeta que tiende a atraer a los electrones hacia el núcleo.

Interacciones eléctricas entre protones y electrones.  La

existencia de una fuerza antagónica (fuerza centrífuga), la cual es debida a la increíble velocidad a la que gira el electrón sobre el núcleo, contrarresta a la fuerza de atracción y hace posible que los electrones se mantengan siempre a determinadas distancias del núcleo.

Modelo actual. CORTEZA ÁTOMO

electrones. protones.

NÚCLEO neutrones. -Los electrones no describen orbitas definidas ,sino que se distribuyen en una determinada zona llamada ORBITAL. -En esta región la probabilidad de encontrar al electrón es muy alta (95%) -Se distribuyen en diferentes niveles energéticos en las diferentes capas.

DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES EN LA CORTEZA.  Según

modelo fijado en nuestro trabajo, los electrones se distribuyen en diferentes niveles, que llamaremos niveles de energía. Con un número máximo de electrones en cada nivel .

Nivel

1 2 3 4 5

Numero máximo de electrones 2 8 18 32 32

DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES EN LA CORTEZA.  Así

, en un elemento como el potasio en estado neutro:

19

K

19 protones; 19 electrones; 20 neutrones

1ª capa : 2e2ª capa : 8e3ª capa : 9e-

DISTRIBUCIÓN ELECTRONICA(CONT.)  Hemos

visto como los átomos se distribuyen en niveles o capas de energía.  Dentro de cada nivel ,existen además subniveles con probabilidad de encontrarnos electrones.

Max Sub Nivel de e- nivel 1 2 s s 2 8 p s 3 18 p d

Max de e2 2 6 2 6 10

IONES.  Los

átomos pueden a su vez perder o ganar electrones para estabilizarse.  Cuando un átomo gana electrones, adquiere un exceso de carga negativa.  Formando un ión negativo o anión ,que se representa como : X Cuando un átomo pierde electrones , tiene defecto de carga negativa .O más carga positiva que negativa. Formando un ión positivo o catión: X+

Ionización  Un

átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro.  Si un átomo gana o pierde electrones, éste queda ionizado.  No es posible ionizar un átomo variando el número de protones.

RADIACION Física de las Radiaciones. UPCH - Escuela de Tecnología Médica 2009 - I

Introducción:  La

física clásica distingue dos clases de objetos en el universo: materia y radiación.  Materia: afectada por las leyes de Newton.  Radiación: fenómeno ondulatorio regido por leyes electromagnéticas.

Radiactividad:  En

1896 Henri Becquerel descubrió accidentalmente que los cristales de unas sales de uranio oscurecían las placas radiográficas.  Concluyó que los cristales emitían una radiación desconocida y que no necesitaban estímulos externos.

 Becquerel

y otros observaron tres tipos diferentes de radiación, pero no supieron exactamente lo que era ninguna de ellas, así que simplemente las llamaron alfa, beta y gamma, por las primeras letras del alfabeto griego. Solo después se demostró que la radiación consistía en cosas familiares: núcleos de helio, electrones y ondas electromagnéticas de alta energía.

El Núcleo: Estabilidad de los núcleos : Existencia de una fuerza nuclear fuerte La más intensa que se conoce : superior a la de repulsión eléctrica Actractiva : Mantiene los protones y neutrones unidos De corto alcance, solamente actúa a nivel nuclear

Energéticamente : El núcleo está constituido por nucleones La suma de la masas de todos los nucleones es mayor que la masa del núcleo Existe un defecto de masa en la formación del núcleo : Defecto de masa ≡ ∆m = Σm nucleones − m núcleo ∆m = (Z ⋅ m protón + (A - Z) ⋅ m neutrón ) − m núcleo

Es estable porque : La energía del núcleo es menor que la energía de los nucleones por separado Tiende a poseer menor energía Energía que se libera en la formación del núcleo : ∆E = ∆mc 2 Esta energía sería la neceasaria para disgregar un núcleo, es decir, es la energía de enlace nuclear. Dividiendo por el número másico : ∆E = En A(número de nucleones que lo constituyen)

Energía de enlace por nucleón

Onda:

 Perturbación

vibracional mediante la cual se transmite la energía.

 La

velocidad de la onda depende del tipo de onda y de la naturaleza del medio donde se propaga.

Características de una onda

Amplitud (A)

 Distancia

máxima de un punto respecto de la posición de equilibrio (punto en el que la onda pasa de positiva a negativa y viceversa)

Frecuencia (f)

 Número

de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en ciclos por segundo o Hertz (Hz).

Longitud de onda (λ)  Distancia

entre dos puntos análogos consecutivos. Se mide en metros (m).  λ=c/f  f=c/λ  c = velocidad de la luz

Período (T)

 Tiempo

invertido en efectuar un ciclo o vibración completa.  T=1/f  f=1/T

Velocidad (v)  Velocidad

con propaga la onda.  c = 3 x 108 m/s.  v=λxf

que

se

 La

velocidad de la onda depende de su frecuencia y de su amplitud.  La velocidad de las ondas electromagnéticas es de 3x108 m/s.

Radiación Electromagnética:  Es

una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.

Propiedades:

A

diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío.

Propiedades:

 Independientemente

de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. asumiendo un valor aproximado de 3x108 m/s.

Propiedades:  Las

longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión c = λ·f , son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características

Espectro Electromagnético



Se denomina espectro electromagnético al conjunto de ondas electromagnéticas o, más concretamente, a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia.

Dualidad onda-corpúsculo

 Dependiendo

del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro de partículas, llamadas fotones.

Dualidad onda partícula 

La dualidad ondacorpúsculo, también llamada onda partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.

Dualidad onda partícula  De

acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Dualidad onda partícula  Actualmente

se considera que la dualidad ondapartícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa.” (Stephen Hawking, 2001)

Dualidad onda-corpúsculo  Esta

dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck: 

 donde

E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.

 Así

mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

Relación relativista entre masa y energía :

∆E = ∆m ⋅ c 2 Relaciona las dos magnitudes hasta ese momento consideradas independientes, es decir, la masa es una forma de energía. Cualquier variación pequeña de masa supone una gran variación energética y viceversa Ambas relaciones mediante la velocidad de la luz ≡ c m Ejemplo : ∆m = 1gr → ∆E = 10 -3 Kg ⋅ (3 ⋅10 8 ) 2 = 9 ⋅1013 J s Para masas muy pequeñas, se utiliza la unidad de masa atómica, equivalente : 1 10 −3 1u.m.a = ( gr ) = ( Kg ) NA NA

1ev =1,6x10-19J

Radiactividad  Fenómeno

físico natural, por el cual algunas sustancias o elemento químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc.

 Debido

a esa capacidad se las suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas en forma de rayos X o rayos gamma, o bien partículas, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.

 La

radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética.

 Esto

se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo Rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtiéndose en plomo

 Es

aprovechada para la obtención de energía, usada en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades entre otras).  La radiactividad puede ser:  Natural: Manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.  Artificial o inducida: Manifestada por radioisótopos producidos en transformaciones artificiales

Clases de Radiación  Radiación

alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de Helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Y son muy energéticos.

Clases de Radiación  Radiación

beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa.

Clases de Radiación  Radiación

gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlos

Repaso:

Leyes de la Desintegración Radiactiva  Cuando

un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico en 2.  Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico aumenta en una unidad y la masa atómica no varía.  Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía hv.

 Las

dos primeras leyes nos indican que cuando un átomo emite una radiación alfa o beta se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándose en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas

Serie radiactiva del Uranio