PROTECCION RADIOLOGICA EN line@ CLASE Estructura de la Materia Estructura de la materia El concepto del Átomo Modelos atómicos Estructura del Átomo Modelos Nucleares Estructura Nuclear Defecto de masa Origen de la Radiación Ionizante o Originalmente se pensó que eran la partícula mas pequeña e indivisible de la materia (Modelo de Dalton). o Toda la materia esta compuesta de entidades individuales llamadas elementos. o Cada elemento es distinguible de otros por las propiedades físicas y químicas de sus componentes. Los componentes de cada elemento son conocidos como Átomos. 1
o Cada átomo posee una estructura central: El Núcleo o Cuan grande es el átomo respecto al núcleo? ~10-10 m ~10-14 m ~1000 m Salto Ángel, Venezuela Los Protones son responsables de la Carga eléctrica positiva del núcleo El número de Protones define al elemento en cuestión Para compensar la carga electriza Z del núcleo, deben estar presentes Z electrones en los orbitales del átomo Los neutrones no tienen carga, mantienen cohesionado al núcleo Características de las partículas fundamentales: Alpha? Fotón? Compuesta por: 2 protones y 2 neutrones No tiene ni masa ni carga 2
1 Ballena Azul 130.000 Kg 1857 Humanos de 70 Kg 1 Ballena Azul 130.000 Kg 1836 electrones 1 Protón 3
PARTICULA ALPHA PARTICULA ALPHA ELECTRON En 1897, Thomson realizaba experimentos con un tubo de descarga. Thomson descubre que estos rayos viajaban en línea recta e iluminaban la pantalla fluorescente. También se desviaban en un campo eléctrico y eran atraídos por el polo positivo, lo que probaba que eran cargas eléctricas negativas. A estas partículas sub atómicas las llamo electrones. 4
Partiendo de estos resultados, Thomson presentó algunas hipótesis en 1898 y 1904, intentando justificar dos hechos: La materia es eléctricamente neutra, lo que hace pensar que, además de electrones, debe de haber partículas con cargas positivas. Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no así las cargas positivas. Fallas: No contemplo el núcleo, los protones ni los neutrones, y los electrones estaban fijos Experimento de Rutherford (1911) Resultados e Hipótesis del experimento de Rutherford: Resultado 1: La mayoría de las partículas atravesaban la lámina de oro sin desviarse. Hipótesis 1: Esto era así porque el átomo está prácticamente vacío; solo había algunos electrones girando alrededor del núcleo y la masa de los electrones es muy pequeña. Resultado 2: Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera desviación en su trayectoria. Hipótesis 2: Las partículas que se desviaban eran las que pasaban cerca del núcleo, se repelían (ambas tienen carga positiva) y sufrían una pequeña desviación. Resultado 3: Habían alphas que se retrodispersaban!! Aproximadamente 1 de cada 8000 partículas. Hipótesis 3: Las partículas que rebotaban eran repelidas por el núcleo. El tamaño del núcleo era muy pequeño comparado con el tamaño total del átomo, unas 10.000 veces más pequeño. 5
El modelo planetario A pesar de constituir un gran avance y de predecir hechos reales, el modelo nuclear de Rutherford presentaba dos graves inconvenientes: Contradecía las leyes electromagnéticas de Maxwell, según las cuales, una partícula cargada, cuando posee aceleración, emite energía electromagnética. Según el enunciado anterior los espectros atómicos debería ser continuos, pero según los resultados experimentales, éstos son discontinuos, formados por líneas de una frecuencia determinada. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford. y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Según Bohr: El electrón gira alrededor del núcleo en orbitas con radios definidos (orbitas cuantizadas) cuyo valores discretos depende del momento angular del mismo. El electrón no gana ni pierde energía mientras permanece en una orbita. Solo intercambia energía cuando se mueve de una orbita a otra. 6
Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. E.B. Podgorsak. IAEA, 2005 Diagnostic Radiology Physics: A Handbook for Teachers and Students. D.R. Dance, S. Christofides, A.D.A. Maidment, I.D. McLean, K.H. Ng. IAEA, 2014 Nuclear Medicine Physics: A Handbook for Teachers and Students. D.L. Bailey, J.L. Humm, A. Todd-Pokropek, A. van Aswegen. IAEA, 2014. PROTECCION RADIOLOGICA EN line@ CLASE ESTRUCTURA DE LA MATERIA II 7
Energía de ligadura Atómica Modelos Nucleares Estructura Nuclear Defecto de masa Origen de la Radiación Ionizante Esta es la energía necesaria para remover un electrón de los principales materiales de interés en Radiología Excitación Ionización 8
Si el electrón orbital no recibe energía mayor a la energía de ligadura, estaremos hablando de un estado excitado del átomo. Para volver a su estado base, un electrón orbital pasa de un estado mas energético a uno menos energético. En el proceso se emite un fotón de luz característico del átomo. Estado Base Estado Excitado Estado Base Espectro de Emisión del Hidrogeno Fotón de luz característico 9
Inicialmente se considero que el núcleo estaba compuesto por protones y electrones. Sin embargo, la masa de los núcleos con mayor número de protones no correspondía con el modelo, lo que indicaba la presencia de masa neutra. En 1932, Chadwick, reporta la existencia de una partícula neutra a la que llamo neutrón. Modelo Nuclear de capas Es similar al modelo de capas para los electrones periféricos en el modelo atómico. Con la diferencia que la energía de ligadura por nucleón es del orden de 1 MeV 10
La interacción nuclear fuerte es una fuerza de corto alcance (cerca del diámetro nuclear) responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, y es mas intensa que la fuerza de repulsión eléctrica entre los protones. La masa de un núcleo es menor que la masa de sus componentes La energía de ligadura de la Interacción Nuclear fuerte Es debida a el defecto de masa Número Másico A Número atómico Z Protones (Z) Neutrones (N) A = Z + N X Esta compuesto por Protones Z, y Neutrones N Los elementos van a estar caracterizados por el número atómico Z. Esto es redundante con el Símbolo del elemento (ej.: X) El número atómico Z es el que permite establecer el orden principal en la tabla periódica. 11
Número Másico A Número atómico Z Protones (Z) Neutrones (N) A = Z + N X Esta compuesto por Protones Z, y Neutrones N Los elementos van a estar caracterizados por el número atómico Z. Esto es redundante con el Símbolo del elemento (ej.: X) El número atómico Z es el que permite establecer el orden principal en la tabla periódica. La Masa de los Protones y Neutrones es muy similar El número másico A, es la suma de los Nucleones (Protones + Neutrones) A = Z+N El número de neutrones se deduce por N = A-Z Número Másico A Número atómico Z Protones (Z) Neutrones (N) A = Z + N X Posibles combinaciones: Átomos con igual número de protones, diferente cantidad de neutrones. Estos átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, son conocidos como Isótopos.(Z=Z) Átomos con un mismo número de nucleones (mismo número másico), pero con distinto número de protones y distinto número de neutrones. Estos átomos que tienen igual número másico pero diferentes números atómicos se les denominan Isóbaros. ( A=A) Átomos con un mismo número de neutrones pero cantidad de protones diferente. Estos átomos con diferente número atómico, y diferente numero másico, pero con un valor constante de A-Z, reciben el nombre de Isótonos. (N=N) Átomos con un mismo número de neutrones, y con una cantidad igual de protones. Estos átomos poseen igual numero másico e igual número atómico, pero con una disposición distinta de los estados de energía en su envoltura, son los llamados Isómeros. (Z=Z, A=A, N=N) Posibles combinaciones: o Z=N, para Z menor a 20 implica Núcleos Estables por Naturaleza Isótopos: Columnas de Z (protones) constante. (Z=Z) Isótonos: Filas de n constante. (N=N) Isóbaros: Diagonales de número masico constante. ( A=A) Isómeros: Átomos con un mismo número de neutrones, y con una cantidad igual de protones, pero con una disposición distinta de los estados de energía. (E E, Z=Z, A=A, N=N) Fuerza Nuclear Fuerte Fuerza Electrostática 12
o Z>83, Núcleos Inestables por Naturaleza. o Z>83, Núcleos Inestables por Naturaleza. Fuerza Nuclear Fuerte Fuerza Electrostática Fuerza Nuclear Fuerte Fuerza Electrostática Radiactividad La radiaciones ionizantes provienen: Fuentes Naturales Fuentes Artificiales En ambos casos, las radiaciones ionizantes provienen de: Interacción con un átomo Inestabilidad del núcleo atómico 13
Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. E.B. Podgorsak. IAEA, 2005 Diagnostic Radiology Physics: A Handbook for Teachers and Students. D.R. Dance, S. Christofides, A.D.A. Maidment, I.D. McLean, K.H. Ng. IAEA, 2014 Nuclear Medicine Physics: A Handbook for Teachers and Students. D.L. Bailey, J.L. Humm, A. Todd-Pokropek, A. van Aswegen. IAEA, 2014. 14