Curso de PR para DIRIGIR instalaciones de Rayos X con fines de diagnóstico médico (IRD). GENERAL. TEXTOS

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1 Curso d PR para DIRIGIR instalacions d Rayos X con fins d diagnóstico médico (IRD). GENERAL. TEXTOS Curso d PR para DIRIGIR instalacions d Rayos X con fins d diagnóstico médico (IRD) ESPECIALIDAD: GENERAL TEXTOS CSN- 2009

2 TEMA 1: ESTRUCTURA ATOMICA CSN- 2009

3 TEMA 1: ESTRUCTURA DE LA MATERIA 1.- INTRODUCCIÓN 2.- ESTRUCTURA ATÓMICA 2.1 La cortza lctrónica 2.2 El núclo 2.3 Nomnclatura Nuclar 2.4 Excitación ionización 3.- UNIDADES DE MASA Y ENERGÍA EN FÍSICA ATÓMICA 4.- RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA 4.1 Naturalza d la radiación lctromagnética 4.2 El fotón CSN- 2009

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5 1. INTRODUCCIÓN A lo largo d los siglos s han idntificado una sri d sustancias, qu hoy llamamos lmntos químicos, lmntos simpls o sncillamnt lmntos, qu aparcn n la composición d las dmás sustancias llamadas compustos o combinacions químicas, pro qu no pudn considrars constituidas por otras sustancias más sncillas qu mantngan sus propidads. Así, l agua s un compusto químico qu stá constituido por Hidrógno y Oxígno, qu son lmntos simpls. El studio d las propidads d los lmntos químicos y d las lys qu rgulan las raccions ntr llos y dan lugar a la formación d los compustos químicos condujo a las conclusions siguints: Toda la matria stá constituida por individualidads, llamadas átomos, qu consrvan su idntidad n las raccions químicas. Los átomos d cada lmnto son iguals ntr sí, pro distintos d los d otros lmntos, d los qu difirn, al mnos n l pso. Las sustancias compustas o compustos químicos s forman por la combinación d los átomos d sus constituynts, sgún proporcions sncillas y dfinidas formando moléculas. En la actualidad s conocn algo más d un cntnar d lmntos distintos. La mayor part d llos s ncuntran n la Naturalza y solamnt unos pocos han sido obtnidos artificialmnt. Esto quir dcir qu xistn más d un cntnar d spcis d átomos. Cada lmnto químico o spci atómica s dsigna con un nombr y un símbolo químico: Hidrógno (H), Hlio (H), Carbono (C), Oxígno (O), Azufr (S), Potasio (K)... Los difrnts tipos d átomos s combinan para formar structuras más compljas qu rcibn l nombr d moléculas. Una molécula s l mnor constituynt d una sustancia qu consrva las propidads químicas d la misma. Las moléculas d los lmntos simpls o lmntos químicos stán constituidas por átomos d la misma spci. Las moléculas d las sustancias compustas stán constituidas por átomos d spcis difrnts. Todas las moléculas d una misma sustancia compusta o combinación química son iguals ntr sí. Así, todas las moléculas d agua H 2 O stán constituidas por dos átomos d Hidrógno y un átomo d Oxígno unidos d una misma forma. Sus propidads físicas y químicas suln sr muy difrnts d las d los lmntos qu la componn; por jmplo las propidads dl agua son muy distintas d las dl Hidrógno y dl Oxígno. 1

6 2. ESTRUCTURA ATOMICA El átomo s compon sncialmnt d un núclo, d unos -14 m d radio, qu contin prácticamnt toda la masa dl átomo y s ncuntra formado por protons y nutrons, s dcir, cargado positivamnt, y la cortza, formada por un cirto númro d lctrons, cuya carga total s igual y d signo contrario a la dl núclo, por lo qu la matria s prsnta como léctricamnt nutra 2.1 La Cortza Elctrónica Los lctrons constituynts d la cortza atómica posn una nrgía dfinida dpndindo dl stado n l qu s ncuntran. La manra concrta d dscribir la asociación d los lctrons al núclo s complicada, pro una forma d rprsntar los difrnts stados s mdiant órbitas circulars qu los lctrons dscribirían alrddor dl núclo a modo d sistma solar. Los stados d mnor nrgía corrspondn con aqullos n los qu la distancia promdio d los lctrons al núclo s mnor y n st squma vndrían rprsntados por las órbitas más crcanas al núclo. Los stados s agrupan n capas qu s dsignan con las ltras K, L, M, N, O, P y Q, n ordn d mnor a mayor distancia promdio al núclo. A cada stado l corrspond un nivl nrgético qu aumnta a mdida qu nos sparamos dl núclo y por tanto, una nrgía d ligadura dtrminada para los lctrons situados n lla. La nrgía d ligadura dl lctrón o nrgía d nlac s dfin como la nrgía mínima qu hay qu suministrar a un lctrón para spararlo d la capa corrspondint. Esta nrgía dpnd d la capa n qu s ncuntr l lctrón y dl lmnto químico d qu s trat. Los lctrons qu s ncuntran n las capas más crcanas al núclo tinn una nrgía d ligadura mayor qu aqullos qu s ncuntran n las capas más aljadas. Estas nrgías tinn valors caractrísticos para cada lmnto. Los lctrons d cualquir átomo ocupan normalmnt las capas más crcanas al núclo, a las qu corrspondn los nivls más bajos d nrgía. En sta situación l átomo s ncuntra n su stado fundamntal o d mínima nrgía, qu s la situación más stabl. 2.2 El Núclo Sgún s ha podido dtrminar xprimntalmnt, l cntro dl átomo s ncuntra ocupado por un núclo cargado positivamnt, cuyo radio s dl ordn d -14 m, n l qu s ncuntra concntrada prácticamnt la totalidad d la masa atómica. 2

7 Tnindo n cunta qu l radio atómico s dl ordn d - m, s llga a la curiosa conclusión d qu l átomo s ncuntra casi vacío. Conocida la masa nuclar y su radio, s pud calcular la dnsidad d la matria nuclar, qu rsulta sr 14 g/cm 3, valor norm, inconcbibl n macrofísica. El núclo stá compusto por dos tipos d partículas llamadas conjuntamnt nuclons: los protons, idénticos al núclo d un átomo d hidrógno y con una unidad lmntal d carga positiva, y los nutrons, d masa ligramnt suprior a la d los protons, pro léctricamnt nutros. El númro d protons d un átomo s dnomina númro atómico, Z, y s caractrístico dl lmnto n custión. Como ya s ha indicado, los átomos, normalmnt, s ncuntran n stado léctrico nutro, s dcir, con l mismo númro d lctrons n la prifria qu d protons n l núclo. Todos los átomos qu tngan l mismo númro atómico, Z, tinn las mismas propidads químicas. Los númros atómicos d los lmntos xistnts n la naturalza comprndn todos los númros ntros dsd Z = 1 para l hidrógno, hasta Z = 92 para l uranio. A éstos hay qu añadir los lmntos artificials gnrados por l hombr, como son l plutonio, l amricio, l californio, tc. La clasificación ordnada d todos los lmntos, n ordn crcint d Z, constituy la "tabla priódica" (Figura 1). Figura 1: Tabla priódica d los lmntos. 3

8 2.3 Nomnclatura Nuclar Un núclo quda caractrizado, por l llamado númro atómico Z, qu s igual al númro d protons, y l númro másico A, igual al númro d nuclons. El númro atómico dtrmina las propidads químicas dl átomo corrspondint. A los difrnts núclos atómicos qu xistn n la Naturalza o qu pudn producirs artificialmnt s ls llama, n gnral, nuclidos y s ls dsigna mdiant l símbolo: A X Z sindo X l símbolo dl lmnto químico corrspondint, A l númro másico y Z l númro atómico qu usualmnt no s incluy al vnir implícitamnt dfinido por l símbolo químico. Todos los átomos qu posn l mismo númro d protons n su núclo tinn l mismo númro atómico y prtncn al mismo lmnto. Los nuclidos qu posn l mismo númro d protons (igual númro atómico Z), d modo qu corrspondn a un mismo lmnto químico, pro distinto númro d nutrons (distinto númro másico A) rcibn l nombr d isótopos dl lmnto n custión. Los isótopos d un mismo lmnto posn las mismas propidads químicas. Por jmplo para l caso dl carbono srán isótopos los nuclidos: C, 11 C, 12 C, 13 C, 14 C, 15 C Los nuclidos qu posn l mismo númro másico, pro distinto númro d protons (distinto Z) rcibn l nombr d isóbaros; y los nuclidos qu tinn igual númro d nutrons pro distinto númro d protons y distinto númro másico, rcibn l nombr d isótonos. 1p K 2p 2n K p n K L Hidrógno Z = 1 A = 1 Hlio Z = 2 A = 4 Carbono Z = A = 12 Figura 2: Rprsntación squmática d algunos lmntos 4

9 2.4 Excitación Ionización En l stado fundamntal d un átomo, los lctrons ocupan los nivls d nrgía más bajos, sto s, las capas más intrnas. Cuando l átomo rcib un aport d nrgía, pud pasar a un stado xcitado, n l qu uno o varios d los lctrons habrán pasado a ocupar nivls nrgéticos supriors. Cuando la nrgía suministrada s suficint, s posibl sparar d él uno o varios lctrons. Cuando a un átomo s l ha privado d un lctrón s dic qu stá ionizado. La nrgía ncsaria para arrancar un lctrón atómico s dnomina nrgía o potncial d ionización y s caractrística d cada átomo. Mdiant la aportación d la nrgía ncsaria, los átomos pudn xcitars, sto s, dsplazar los lctrons a órbitas más xtrnas, sin llgar a formar ions. S dic ntoncs qu l átomo s ncuntra xcitado. En gnral los átomos xcitados tindn a dsxcitars inmdiatamnt y por sí mismos, ya qu los stados d mnor nrgía d cualquir sistma son los más stabls. Por consiguint, los lctrons qu hayan sido dsplazados d sus nivls normals vulvn a llos spontánamnt, librando su xcso d nrgía n forma d radiación lctromagnética. 3. UNIDADES DE MASA Y ENERGIA EN FISICA ATOMICA La xprsión d las masas atómicas n forma absoluta (gramos o kilogramos) planta l inconvnint d qu su valor s muy pquño, por lo qu s vio la convnincia d utilizar otras unidads más adcuadas. S dfin la unidad d masa atómica (uma) como la docava part d la masa d un átomo d 12 C, qu s l más abundant n la naturalza y cuya masa atómica s xactamnt 12. Las rlacions d quivalncia ntr la unidad másica y l kilogramo, s xprsan n las formas siguints: 1 uma = 1,0 x -27 Kg 1 kg = 1/1,0 x -27 uma =,22 x 2 uma Mdidas n unidads d masa atómica, las masas dl protón m p y dl nutrón m n, aislados, son ambas muy próximas a la unidad: m p = 1,0073 uma m n = 1,008 uma 5

10 A su vz, la masa dl lctrón n rposo rsulta sr: m = 5,49 x -4 uma Por l mismo motivo, para la mdida d nrgías n física atómica s mpla una unidad spcial: l lctronvoltio (V). S dfin l lctronvoltio como la nrgía igual a la nrgía cinética qu pos un lctrón, inicialmnt n rposo, al atravsar n l vacío una difrncia d potncial d un voltio. Es una unidad muy pquña, sindo su valor xprsado n julios: 1 V = 1, x -19 Julios Es muy frcunt l uso d los múltiplos dl lctronvoltio, n particular l kilolctronvoltio (kv), l Mgalctronvoltio (MV) y l Gigalctronvoltio (GV) sindo: 1 kv = 3 V 1 MV = V 1 GV = 9 V La quivalncia ntr masa y nrgía vin dada por la xprsión: E = m c 2 Dond m s la masa d la partícula y c la vlocidad d la luz n l vacío, aproximadamnt c = 3 x 8 m/s. 4. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA 4.1 Naturalza d la radiación lctromagnética La radiación lctromagnética s una modalidad d propagación d nrgía sin l soport d un mdio matrial. La radiación lctromagnética pud considrars como una dobl onda, formada por dos campos, léctrico (E) y magnético (B), qu s ncuntran n fas y cuyos planos d propagación son prpndiculars. (Figura 3).

11 λ Z O X Figura 3. Ondas lctromagnéticas La vlocidad d propagación n l vacío d tals ondas, c, s una constant fundamntal, cuyo valor s aproximadamnt: c = 3 x 8 m/s Las ondas lctromagnéticas, como ocurr n gnral con cualquir onda, stán caractrizadas por su frcuncia υ, y su longitud d onda λ. La frcuncia rprsnta l númro d oscilacions qu fctúa l campo lctromagnético n cada sgundo y s xprsa n hrtzios (Hz). La longitud d onda rprsnta la distancia más corta qu spara a dos puntos d la onda qu s ncuntran n la misma fas o stado d oscilación, s mid n unidads d longitud. Entr la frcuncia, la longitud d onda y la vlocidad d propagación n l vacío xist la rlación: c = ν λ Cuando una onda lctromagnética s propaga n un mdio matrial, s dic qu l mdio considrado s transparnt para sa onda. Un mdio pud sr transparnt u opaco para distintas longituds d onda: así una hoja d cartón s opaca a la luz visibl y n cambio bastant transparnt para la radiación X. El conjunto d todas las radiacions lctromagnéticas conocidas s pudn ordnar d mayor a mnor frcuncia (d mnor a mayor longitud d onda). Esta ordnación constituy lo qu s 7

12 conoc con l nombr d spctro d radiación lctromagnética. Dicho spctro s d una amplitud xtraordinaria, como vin indicado n la Figura 4, y s xtind dsd las ondas radioléctricas hasta los rayos gamma, d mayor frcuncia. Admás d las ondas luminosas visibls y d las ondas d radio, son también ondas lctromagnéticas, los rayos infrarrojos, los ultraviolta, los rayos X y los rayos gamma. Como pud obsrvars las longituds d onda, así como las frcuncias, son muy distintas para las difrnts class d radiacions lctromagnéticas. Frcuncia Hz Tlfonía móvil Enrgía V 8 4 Rayos TV Nombr d la radiación Rayos X FM Onda mdia UH F Longitud d onda m Anstron, A 2-8 Ultraviolta 1-1 Micrón, µ - 2 Visibl Infrarrojo Onda corta Onda larga Cntímtro, cm 1 Mtro, m 1 kilómtro, km I O N I Z A N T E S N O I O N I Z A N T E S Figura 4. Espctro d la radiación lctromagnética 4.2 El Fotón El caráctr ondulatorio d la radiación lctromagnética xplicó una sri d fnómnos físicos, pro la dscripción puramnt ondulatoria, rsultaba insuficint para xplicar otros fnómnos tals como la intracción d la radiación con la matria, o la absorción y misión d nrgía por part d los átomos. Tals fnómnos furon corrctamnt intrprtados a principios dl siglo XX (Planck, Einstin), Cuando las ondas lctromagnéticas intraccionan con la matria, intrcambian su nrgía n pquñísimos paquts, llamados fotons o cuántos d radiación. El fotón pud considrars como un "corpúsculo" d nrgía sin soport matrial, sta nrgía s múltiplo d la frcuncia d la onda lctromagnética asociada y vin dada por: E = h v = h c/λ 8

13 dond h s otra constant física fundamntal, llamada constant d Planck cuyo valor s: h =,3 x -34 J s = 4,14 x -15 V s Así pus, una radiación lctromagnética d frcuncia υ no pud adquirir ni cdr nrgía más qu n cantidads discrtas d valor hυ. Ello prmit intrprtar la radiación lctromagnética dsd l punto d vista corpuscular. En la Figura 5 s rprsntan algunas d las órbitas posibls para l lctrón dl átomo d Hidrógno, simbolizando l valor d su corrspondint nivl nrgético. El stado fundamntal vin rprsntado por un lctrón ocupando la órbita más crcana al núclo. Las flchas indican los posibls saltos dl lctrón ntr los distintos stados. Cada salto corrspondrá a la misión d un fotón d nrgía igual a la difrncia d nrgías ntr los dos nivls. Algunos d stos fotons corrspondn a rayos infrarrojos, otros a luz visibl y otros a rayos ultraviolta. Sri d Lyman (ultraviolta) n = 1 n = 2 n = 3 Sri d Balmr Sri d Paschn (infrarrojo) n = 4 n = 5 Sri d Bracktt Sri d Pfund x cm - 8 Figura 5. Nivls y posibls transicions nrgéticas n la cortza d un átomo d Hidrógno. 9