LICENCIATURA EN KINESIOLOGÍA Y FISIATRÍA

FÍSICA BIOLÓGICA TRABAJO PRÁCTICO Nº 8 RADIACIONES

LICENCIATURA EN KINESIOLOGÍA Y FISIATRÍA

FÍSICA BIOLÓGICA

TRABAJO PRÁCTICO Nº 8

RADIACIONES

Ing. RONIO GUAYCOCHEA Ing. MARCO DE NARDI Ing. ESTEBAN LEDROZ Ing. THELMA AURORA ZANON

AÑO 2014

Ing. Esteban Ledroz – Ing. Ronio Guaycochea

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1. Que se entiende por radiación? El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria. Son radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ, partículas α y parte del espectro de la radiación UV entre otros. Por otro lado, radiaciones como los rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes. 2. Que es una radiación electromagnética? La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.1 La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. 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. 3. Que es un ion? Un ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutra. 4. Que entiende por ionización? La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. 5. Que es un catión? Un catión es un ión (o sea átomo o molécula) con carga eléctrica positiva, es decir, que ha perdido electrones. Los cationes se describen con un estado de oxidación positivo. 6. Que es un anión? Un anión es un ion (o ión) con carga eléctrica negativa, es decir, que ha ganado electrones.1 Los aniones monoatómicos se describen con un estado de oxidación negativo. 7. Que es un fotón? En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante cero,Nota 1 y viaja en el vacío con una velocidad constante c (velocidad de la luz) = 3.000.000 Km/seg = 3x108 m/seg 8. ¿Que es una Radiación ionizante?: Las radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. 9.

Señal de riesgo de radiación

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Señal de riesgo por radiación. 10. Aplicaciones de radiaciones Esterilización mediante rayos gamma La esterilización mediante rayos gamma es una tecnología que ha sido identificada como una alternativa segura para reducir la carga microbiana en alimentos y en insumos que entran en contacto directo con ellos, reduciendo el riesgo de contagio de enfermedades transmitidas por alimentos, en la producción, procesamiento, manipulación y preparación de éstos, todo lo cuál aumenta la calidad y competitividad de los productos otorgándoles un mayor valor añadido. Los rayos gamma se componen de ondas electromagnéticas de longitud de onda muy cortas que penetran en los envases y productos expuestos a dicha fuente, ocasionando pequeños cambios estructurales en la cadena de ADN de las bacterias o microorganismos, causándoles la muerte o dejándolas inviables o estériles, sin capacidad de replicarse. La tecnología permite el tratamiento de los productos en su envase final. La energía ionizante es factible de ser aplicada a una gran variedad de productos, con el fin de esterilización o reducción de carga microbiana, eliminando patógenos que pueden ser dañinos para la salud. Entre los productos tratados se encuentran: Alimentos, cosméticos, productos médicos, hierbas medicinales, productos de laboratorio y farmacéutico, alimento animal y embalajes. 11. Fuentes de energía ionizantes La energía ionizante se puede originar a partir de tres fuentes distintas: rayos gamma, una máquina generadora de electrones y rayos X. La fuente más común de los rayos gamma es el cobalto-60. 12. Radiaciones ionizantes y salud Exposición a las radiaciones ionizantes en humanos. Como ya se ha dicho, los seres vivos están expuestos a niveles bajos de radiación ionizante procedente del sol, las rocas, el suelo, fuentes naturales del propio organismo, residuos radiactivos de pruebas nucleares en el pasado, de ciertos productos de consumo y de materiales radiactivos liberados desde hospitales y desde plantas asociadas a la energía nuclear y a las de carbón. Los trabajadores expuestos a mayor cantidad de radiaciones son los astronautas (debido a la radiación cósmica), el personal médico o de rayos X, los investigadores, los que trabajan en una instalación radiactiva o nuclear. Además se recibe una exposición adicional con cada examen de rayos X y de medicina nuclear, y la cantidad depende del tipo y del número de exploraciones 13. ¿Cuáles son las fuentes de las Radiaciones ionizantes? Las procedentes de fuentes de radiaciones ionizantes que se encuentran en la corteza terráquea de forma natural, pueden clasificarse como compuesta por partículas alfa, beta, rayos gamma o rayos X.

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14. A que se denomina Rayos X? La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30000 PHz (de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible) 15. A que se denomina partículas alfa? Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (4He1). Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva (+2qe), mientras que su masa es de 4 uma. Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros núclidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas. Su capacidad de penetración es pequeña; en la atmósfera pierden rápidamente su energía cinética, porque interaccionan fuertemente con otras moléculas debido a su gran masa y carga eléctrica, generando una cantidad considerable de iones por centímetro de longitud recorrida. En general no pueden atravesar espesores de varias hojas de papel. Tiene una carga de 3,2\x 10 -19 coulombs y una masa de 6,68 x 10 -31 kg.

1

Helio: El helio es un elemento químico de número atómico 2, símbolo He y peso atómico estándar de 4,0026. Pertenece al grupo 18 de la tabla periódica de los elementos, ya que al tener el nivel de energía completo presenta las propiedades de un gas noble. Es decir, es inerte (no reacciona) y al igual que estos, es un gas monoatómico incoloro e inodoro que cuenta con el menor punto de ebullición de todos los elementos químicos y solo puede ser licuado bajo presiones muy grandes y no puede ser congelado.

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La radiación alfa consiste en núcleos de helio-4 (4He) y es detenida fácilmente por una hoja de papel. La radiación beta, que consiste en electrones, es detenida por una placa de aluminio. La radiación gamma es finalmente absorbida cuando penetra en un material denso. El plomo es bueno en la absorción de la radiación gamma, debido a su densidad. 16. A que se denomina partículas beta? Una partícula beta (β). Por la ley de Fajans, si un átomo emite una partícula beta, su carga eléctrica aumenta en una unidad positiva y el número de masa no varía. Ello es debido a que el número de masa o másico sólo representa el número de protones y neutrones, que en este caso el número total no es afectado, ya que un neutrón pasa a ser protón, emitiendo un electrón. Cabe destacar que electrón emitido proviene del núcleo del átomo (transformación entre quarks) y no de un orbital de éste. 17. A que se denomina radiación gamma?

La radiación gamma o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto constituida por fotones, producida generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. También se genera en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa y la beta. Pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo cual se usan para esterilizar equipos médicos y alimentos. La energía de esta naturaleza se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un MeV corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10-11 m o a frecuencias superiores a 1019 Hz 18. A que se denomina una Radiación No Ionizante?

Se entiende por radiación no ionizante aquella onda o partícula que no es capaz de arrancar electrones de la materia que ilumina produciendo, como mucho, excitaciones electrónicas. 19. Medidas de protección de radiaciones No ionizantes

La exposición a flujo de neutrones, provenientes de fuentes selladas de elementos radiactivos, conjuntamente con emisores de neutrones como cadmio y berilio, requiere de medidas radiológicas de extrema importancia. Aunque por sus características este tipo de radiación no es capaz de alterar químicamente la materia, la exposición a ella, fundamentalmente frecuencias ópticas (infrarrojo, visible, ultravioleta), presenta una serie de riesgos, fundamentalmente para la visión, que deben tenerse en cuenta

Señal de riesgo por radiación No ionizante.

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20. Que es la radioactividad?

La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico por el cual los núcleos de algunos elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les 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 corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. 21. Que es un isótopo?

Se denomina isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en número másico. Los átomos que son isótopos entre sí son los que tienen igual número atómico (número de protones en el núcleo), pero diferente número másico (suma del número de neutrones y el de protones en el núcleo).

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RADIACIONES PROBLEMAS

Problema 1 El año luz es una unidad que sirve como medida de longitud en astronomía. Se lo define como la longitud recorrida por un rayo luminoso en un año. Exprese un año luz en km.

Problema 2 Calcular el tiempo que tarda en llegar a la Tierra la luz de una estrella situada a 3,78x1016 m. Solución La velocidad de la luz es v = 3x108 m/seg 3,78  1016 [m)] x x v  t t  1,26  10 8 [seg] 8 t v 3  10 [m / seg ] Un año tiene 3600  24  360  3,11  10 7 [seg]

n años 

1,26  10 8 [seg]  4,05 [años] 3,11  10 7 [seg]

Problema 3 ¿Cuál será la distancia a que se encuentra una estrella cuya luz tarda 3,5 años en llegar a la tierra? Solución La estrella se encuentra a 3,5 años luz de distancia de la tierra La luz recorre en un año la siguiente distancia 3600  24  360  3,11 10 7 [seg] La luz recorre en un año x  v  t  x  3  108 [m / seg ]  3,11 10 7 [seg]  9,33  1015 [m] En 3,5 años x  3,5  9,33  1015 [m]  3,26  1016 [m]

x  3,26  1013[Km] Problema 4 Un rayo luminoso pasa del aire a otro medio formando un ángulo de incidencia de 45° y uno de refracción de 40 °. ¿Cuál es el índice de refracción relativo de ese medio?

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Refracción de la luz en la interfaz entre dos medios con diferentes índices de refracción (n2 > n1). Como la velocidad de fase es menor en el segundo medio (v2 < v1), el ángulo de refracción θ2 es menor que el ángulo de incidencia θ1; esto es, el rayo en el medio de índice mayor es cercano al vector normal.

n1  seno1  n2  seno 2

1  seno 45  n2  seno 40 n2 

1  seno 45  1,1 seno 40

Material Vacío Aire (*) Agua Acetaldehído Solución de azúcar (30%) 1-butanol (a 20 °C) Glicerina Heptanol (a 25 °C) Solución de azúcar (80%) Benceno (a 20 °C) Metanol (a 20 °C) Cuarzo Vidrio (corriente) Disulfuro de carbono Cloruro de sodio Diamante

Índice refracción

de

1 1,0002926 1,333 1,35 1,38 1,399 1,473 1,423 1,52 1,501 1,329 1,544 1,52 1,6295 1,544 2,42

Problema 5 Calcular el ángulo de incidencia de un rayo luminoso que al pasar del aire a la parafina, cuyo índice de refracción es 1,43, forma un ángulo de refracción de 20°.

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Incidencia

1 aire parafina 2 refraccion

20°

Índice de refracción de aire n1 = 1 n1  seno1  n2  seno 2

seno1 

n2  seno 2 n1

 n2  seno 2   1,43  seno 20    1  arcsen   29,28 n1 1     Problema 6 Un rayo luminoso pasa del alcohol al aire. Si consideramos que el índice de refracción del primer medio es 1,36. ¿Cuál es el ángulo límite? Donde  es el ángulo crítico y los rayos que vienen con un ángulo mayor que hacer una reflexión total.

1  arcsen

aire

2  

n2 =1

Incidencia

n1 =1,36

alcohol

n1  seno1  n2  seno 2 1,36  seno1  1  seno 90  1    47,33  1,36  Problema 7 Si el ángulo límite de una sustancia es de 42°, ¿cuál es el índice de refracción? n1  seno1  n2  seno 2

1  arsen

n1  seno1  1  seno 90 1 1  n1   1,49 seno 1 seno 42 Problema 8 Teniendo en cuenta la velocidad de la luz, calcular el tiempo que tardaría un rayo de luz que se emitiera desde la Tierra, para llegar a la Luna, sabiendo que la distancia es de 385000 km. n1 

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TRABAJO PRÁCTICO A ENTREGAR POR EL ALUMNO RADIACIONES PROBLEMAS Problema 1 El año luz es una unidad que sirve como medida de longitud en astronomía. Se lo define como la longitud recorrida por un rayo luminoso en un año. Exprese distancia de 2 (dos) años luz en km. Problema 2 Calcular el tiempo que tarda en llegar a la Tierra la luz de una estrella situada a 3,78x1014 m. Solución La velocidad de la luz es v = 3x108 m/seg Problema 3 ¿Cuál será la distancia a que se encuentra una estrella cuya luz tarda 6,5 años en llegar a la tierra? Problema 4 Un rayo luminoso pasa del aire a otro medio formando un ángulo de incidencia de 45° y uno de refracción de 38 °. ¿Cuál es el índice de refracción relativo de ese medio? Problema 5 Calcular el ángulo de incidencia de un rayo luminoso que al pasar del aire a la parafina, cuyo índice de refracción es 1,43, forma un ángulo de refracción de 22°. Problema 6 Un rayo luminoso pasa de cierto liquido al aire. Si consideramos que el índice de refracción del primer medio es 1,32. ¿Cuál es el ángulo límite? Problema 7 Si el ángulo límite de una sustancia es de 39°, ¿cuál es el índice de refracción? Problema 8 Teniendo en cuenta la velocidad de la luz, calcular el tiempo que tardaría un rayo de luz que se emitiera desde la Tierra, para llegar a marte, sabiendo que la distancia la tierra Marte es de 60 millones de kilómetros.

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