Trabajo Práctico Nº 3

Materia: Astronomía

Tema: Radiación, rayos gamma y rayos visibles.

Profesor: Cornaló Hilda

Alumnos: Cardozo Martín

Giménez Juan Marcos

Percara Ariel

Fecha: 19 de junio de 2012

Curso: Segundo año de profesorado de física

0. INTRODUCCIÓN a la RADIACION.

La característica de la RADIACIÓN que más dificulta su comprensión es que es invisible.

Las radiaciones tienen su origen en la propia naturaleza que nos rodea; la radiación cósmica procede del sol y del resto del universo. También hay radiaciones como consecuencia de los materiales radiactivos que existen en al Tierra, en el suelo, el agua, los alimentos, e incluso nosotros mismos somos algo radiactivos.

La vida en la Tierra se ha desarrollado en un entorno cruzado incesantemente por radiaciones. De forma continua, todos los seres vivos, incluido el hombre, reciben radiaciones, que pueden ser inocuas, o por el contrario, francamente nocivas. La forma de radiación más ubicua es la procedente del sol, sin embargo, un exceso de ella puede causar lesiones importantes.

Aunque se sospecha que prácticamente todas las formas de radiaciones pueden ser nocivas en una situación concreta, la mayor parte de la atención acerca de los efectos nocivos de las radiaciones ha sido atraída por un tipo especial de radiaciones de elevada energía que es capaz de originar partículas cargadas –iones- a partir de los átomos en que incide, y que recibe por ello el nombre de radiación ionizante.

1. DEFINICIONES

La radiación puede definirse como energía en tránsito de un lugar a otro.

También llamamos radiación a toda energía que se propaga en forma de onda a través del espacio.

Las radiaciones también pueden definirse como la propagación a través del espacio de energía ondulatoria o partículas.

De modo que podemos decir que la radiación es la emisión y propagación de energía, a través del vacío o de un medio material, en forma de onda electromagnética (Rx, Rγ ...), o bien en forma de partícula (α, n, p, ...).

Las radiaciones tienen una doble naturaleza, ondulatoria y corpuscular simultáneamente (dualidad onda-partícula), de tal forma que:

• Radiaciones Electromagnéticas: no poseen ninguna masa, solo energía. Ej. Rx.

• Radiaciones Corpusculares: son formas de energía que se propagan asociadas a masa. Ej. e-

2. CLASIFICACIÓN DE LAS RADIACIONES

Las radiaciones se pueden clasificar en base a dos criterios: 3

1) Según su naturaleza

2) Según su efecto biológico

1) Según su naturaleza

Según su naturaleza, las radiaciones se clasifican a su vez en dos clases:

ƒ Radiaciones electromagnéticas. Es una propagación ondulatoria de energía eléctrica y magnética cuyas intensidades varían en planos perpendiculares.

Todas tienen la misma velocidad en el vacío (c = 300.000 km/segundos), diferenciándose por las diferentes longitudes de onda o frecuencia, de la que depende su energía.

Entre las radiaciones electromagnéticas encontramos:

Radiaciones ionizantes

- Rayos gamma

- Rayos X

Radiaciones ópticas

- Radiaciones ultravioletas (UV-C, UV-B, UV-A)

- Radiación visible (violeta, azul, verde, amarilla, naranja, roja)

- Radiaciones infrarrojas

- Radiofrecuencias (radar, microondas...)

ƒ Radiaciones corpusculares. Son debidas a la propagación de partículas subatómicas (núcleos de helio, electrones, protones, neutrones, etc.) habitualmente dotados de gran velocidad aunque siempre inferior a la de las radiaciones electromagnéticas.

Las radiaciones corpusculares son:

Radiaciones alfa

Radiaciones beta

Radiaciones neutrónicas

Radiaciones cósmicas

2) Por su efecto biológico

Por su efecto biológico, las radiaciones se pueden clasificar en dos tipos:

- Radiaciones ionizantes o de alta energía

- Radiaciones no ionizantes o de baja energía.

ƒ Radiaciones ionizantes o de alta energía, que a su vez pueden ser:

Corpusculares, constituida por partículas subatómicas (electrones, neutrones, protones), son las radiaciones alfa, beta y rayos cósmicos.

Electromagnéticas, son los rayos gamma y los rayos X. 4

Estas radiaciones al incidir sobre los tejidos, pierden parte de la energía, separando electrones de los átomos sobre los que inciden y transformándose en iones.

ƒ Radiaciones no ionizantes o de baja energía, no son capaces de ionizar los átomos, por lo que el efecto biológico es menor, actuando más bien a través del efecto térmico, mecánico y fotoquímico en los tejidos. Las radiaciones no ionizantes son de tipo electromagnético y engloba las radiaciones ópticas (ultravioleta, visible e infrarroja) y los campos electromagnéticos (microondas y radiofrecuencias)

3. RADIACIONES IONIZANTES

La ionización es la capacidad de introducir una carga neta dentro de un átomo neutro.

La IONIZACIÓN es el proceso por el cual se arranca un electrón de un átomo. El conjunto formado por el electrón libre y el átomo con carga positiva resultante se denomina par iónico.

Si un átomo recibe un aporte energético suficiente es posible separar de él uno o varios electrones, quedando entonces el átomo eléctricamente descompensado, su número de cargas positivas es superior al de las negativas, y constituye un átomo ionizado, o más precisamente un ión positivo. El fenómeno constituye la ionización atómica que también puede deberse a un aporte de electrones al átomo, aunque en este caso se originaría su ionización negativa y se transformaría en un ión negativo.

Los iones atómicos suelen ser muy reactivos y tienden a recuperar su estabilidad mediante la captura de cargas libres o mediante su unión a otros átomos dando lugar a compuestos químicos.

Cuando la energía aportada no resulta suficiente para arrancar electrones del átomo, puede serlo para desplazar electrones desde capas internas completas hasta otras más externas incompletas, creándose así huecos en las primeras. Se dice entonces que el átomo está excitado, y el fenómeno se llama EXCITACIÓN ATÓMICA.

Estos huecos internos son ocupados espontáneamente por electrones más externos, que caen de un nivel de energía a otro más bajo, emitiéndose al exterior la diferencia.

La excitación del átomo también puede producirse a nivel de su núcleo por variación de la energía nuclear. Análogamente, la excitación nuclear se resuelve también con la emisión espontánea de energía, de forma más o menos compleja y con la participación o no de la corteza electrónica.

El fenómeno atómico que se produce en las ionizaciones es el siguiente: durante la absorción de energía, se van a producir saltos electrónicos, entre las distintas capas, hasta la salida definitiva de un electrón del átomo.

Las radiaciones ionizantes se pueden clasificar en ondas electromagnéticas y corpusculares.

▪ Electromagnéticas: rayos X, rayos γ (gamma), zona de ambigüedad de rayos

X-rayos U-V.

▪ Corpusculares: son aquellas con masa y energía suficiente de ionización.

Podemos destacar las siguientes partículas: α, β-, β+, n, p, etc...

4. RADIACIONES NO IONIZANTES

Las radiaciones no ionizantes, son aquellas que no poseen la suficiente energía para ionizar.

La gama de radiaciones no ionizantes es muy amplia, siendo las de mayor importancia la radiación ultravioleta (UV), los rayos láser, infrarrojos, visibles) y campos electromagnéticos.

Rayos gamma

Gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida 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 o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos. Los rayos gamma se producen en la des excitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extra nuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural. En general, los rayos gamma producidos en el espacio no llegan a la superficie de la Tierra, pues son absorbidos en la alta atmósfera. Para observar el universo en estas frecuencias, es necesario utilizar globos de gran altitud u observatorios espaciales. En ambos casos se utiliza el efecto Compto para detectar los rayos gamma. Estos rayos gamma se producen en fenómenos astrofísicos de alta energía como explosiones de supernovas o núcleos de galaxias activas. En astrofísica se denominan GRB (Gamma Ray Bursts) a fuentes de rayos gamma que duran unos segundos o unas pocas horas siendo sucedidos por un brillo decreciente de la fuente en rayos X durante algunos días. Ocurren en posiciones aleatorias del cielo y su origen permanece todavía bajo discusión científica. En todo caso

parecen constituir los fenómenos más energéticos del Universo.

Rayos gamma en la fisión nuclear.-

Como ya sabemos, dentro del núcleo se encuentran 2 partículas: los protones y los neutrones. La fisión comienza cuando un neutrón, que se desplaza a gran velocidad, golpea contra un núcleo. El núcleo no puede albergar el neutrón extra, y todo el núcleo se parte, formando dos núcleos más pequeños. Al mismo tiempo, se liberan varios neutrones que van a chocar con otros núcleos, que a su vez liberan más neutrones y así sucesivamente. Dado que el primer neutrón desencadena una serie de fisiones, la reacción nuclear se llama reacción en cadena. Al estar sin control, se pueden multiplicar rápidamente y producir un calor enorme en una fracción de segundo. Cuando se produce una fisión, se liberan rayos gamma. Esta forma de radiación es peligrosa y sumamente penetrante.

Rayos gamma en la medicina.-

a.- Escanógrafo: Los médicos pueden observar cualquier parte del cuerpo humano con la ayuda de un escanógrafo. Este aparato produce imágenes de cualquier órgano interno, localizando defectos y enfermedades. Algunos de estos aparatos funcionan con rayos X o con rayos gamma que atraviesan el cuerpo. El más eficaz funciona por resonancia magnética nuclear (RMN). Un paciente introducido en el escanógrafo RMN es bombardeado primero con un potente campo magnético y luego con impulsos de ondas radioeléctricas. A diferencia de los rayos X y los rayos gamma, las ondas radioeléctricas son inocuas. Los núcleos de los átomos del cuerpo producen señales magnéticas que son captadas por los detectores; finalmente, un ordenador forma una imagen con la información recibida.

Industrialmente

El tratamiento con radiaciones ionizantes es un método físico utilizado para lograr la esterilización de materiales empleados en el cuidado de la salud, para la descontaminación de alimentos, de materias primas y productos industriales, además de sus aplicaciones en otros campos, como veremos más adelante.

El proceso implica la exposición de los productos o substancias, ya sea en su envoltorio final o a granel, a la energía ionizante. Esto se lleva a cabo en un recinto especial, llamado cámara de irradiación, por un período de tiempo específico para cada caso en particular.

Estas ondas penetran totalmente en los productos expuestos, incluidos aquellos embalados en capas múltiples. Al igual que las microondas que se utilizan para la cocción de los alimentos, o los rayos X que se utilizan para el control

del equipaje en los aeropuertos, no imparten radioactividad al material tratado, hecho por el cual este proceso se considera inocuo tanto para los productos y substancias como para los consumidores de los mismos.

Esencialmente, la energía simplemente pasa a través del material expuesto, pero a diferencia de los tratamientos químicos, no deja ningún tipo de residuo. Además, no se requiere la "cuarentena" del material luego del procesamiento, por lo que el mismo puede ser liberado para la venta inmediatamente después de terminada la aplicación

La fuente más comúnmente utilizada de rayos Gamma es el Cobalto 60. Los diversos productos y substancias son tratados con energía ionizante emitida por Cobalto 60 en una instalación conocida como irradiador o planta de irradiación.

En ella, el material es cargado en un dispositivo de transporte que lo conduce a lo largo de la planta, y en su recorrido circula por la cámara de irradiación, donde, como vimos, es expuesto a la energía ionizante. Dicha cámara se mantiene aislada del exterior mediante paredes de hormigón armado, el que sirve como blindaje para los rayos Gamma.

En medicina

La utilización de Cobalto 60 en el tratamiento de enfermedades oncológicas constituye actualmente una práctica que ha alcanzado amplia difusión en nuestro país y en el mundo entero, tanto por su eficacia como por ser inherentemente segura.

Se la conoce como cobaltoterapia o radioterapia, y consiste en la exposición del tejido tumoral a los rayos Gamma. Para ello, se utilizan las llamadas unidades de cobaltoterapia, que están provistas de un cabezal blindado que contiene el Cobalto 60, y de dispositivos para controlar en forma exacta el grado de exposición que cada caso en particular requiere para un adecuado tratamiento de la enfermedad.

Radiaciones visiblesEs una radiación que nuestros ojos pueden procesar y hacen que sea visible. Dicha radiación no es nociva aunque en cantidades extremas puede provocar deslumbramiento y fotofobia.

Visible

Ubicación en el espectroEntre los 400 a 750 nm incluyendo la gama violeta, azul, verde, amarillo, naranja y roja.

Fuentes de generación Exposición solar

 Lámparas incandescentes

 Arcos de soldadura

 Lámparas de descarga de gases

 Tubos de neón, fluorescentes, etc.

Efectos biológicosLa luz puede producir riesgos tales como: pérdida de agudeza visual, fatiga ocular, deslumbramiento debido a contrastes muy acusados en el campo visual o a brillos excesivos de fuente luminosa.

LA LUZ

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.

Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).

La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

Algunas propiedades de la luz

La luz presenta tres propiedades características:

La luz se propaga en línea recta

La luz se propaga en línea recta. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor).

Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.

La luz se refleja

La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale "rebotado" después de reflejarse, rayo reflejado.

Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia.

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de los cuerpos. La luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la incidente.

La reflexión de la luz cumple dos leyes:

- El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano perpendicular a la superficie.

- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

¿Por qué vemos los objetos?

Podemos ver los objetos que nos rodean porque la luz que se refleja en ellos llega hasta nuestros ojos.

Existen dos tipos de reflexión de la luz: reflexión especular y reflexión difusa.

Reflexión especular: La superficie donde se refleja la luz es perfectamente lisa (espejos, agua en calma) y todos los rayos reflejados salen en la misma dirección.

Reflexión difusa: La superficie presenta rugosidades. Los rayos salen reflejados en todas las direcciones. Podemos percibir los objetos y sus formas gracias a la reflexión difusa de la luz en su superficie.

La luz se refracta

La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, la luz se desvía, es decir, se refracta.

Las leyes fundamentales de la refracción son:

- El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.

- El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el que se propaga a mayor velocidad.

La luz y la materia: los colores de las cosas

La materia se comporta de distintas formas cuando interacciona con la luz:

- Transparentes: Permiten que la luz se propague en su interior en una misma dirección, de modo que vuelve a salir. Así, se ven imágenes nítidas. Ejemplos: Vidrio, aire, agua, alcohol, etc.

- Opacos: Estos materiales absorben la luz o la reflejan, pero no permiten que los atraviese. Por tanto, no se ven imágenes a su través. Ejemplos: Madera. Metales, cartón, cerámica, etc.

- Translúcidos: Absorben o reflejan parcialmente la luz y permiten que se propague parte de ella, pero la difunden en distintas direcciones. Por esta razón, no se ven imágenes nítidas a su través. Ejemplos: folio, tela fina, papel cebolla, etc.

La luz blanca se compone de los diferentes colores del arco iris: violeta, azul, verde, amarillo, naranja y rojo.

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En realidad, existen tres colores: rojo, verde y azul, llamados colores primarios, que al mezclarse en diferentes proporciones dan lugar a todos los demás. Si se mezclan en las mismas cantidades producen luz blanca.