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ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Modulo III: Ondas electromagnéticas y Rayos X 1-Introducción La utilidad de los sonidos inaudibles. Las vibraciones de un cuerpo sumergido en un fluido se transmiten a este medio, en el cual pasan de un punto a otro, construyendo un onda mecánica. El oído humano esta preparado para detectar estas vibraciones con frecuencias comprendidas en determinado intervalo de valores. Las vibraciones de frecuencia superior o ultrasonido, y las de frecuencia inferior, o infrasonidos, no se perciben auditivamente pero pueden ser aprovechadas en muchísimas aplicaciones. Las reflexiones de las ondas sonoras de alta frecuencia en los tejidos corporales se emplean para construir imágenes del interior del cuerpo. A medida que una onda ultrasónica penetra el organismo, se refleja parcialmente, de manera que la relación de intensidad y el retraso entre las diferentes ondas reflejadas pueden ser analizados para obtener información sobre los órganos internos. Una gran ventaja de las técnicas por imágenes ultrasónicas es que las vibraciones no ionizan los tejidos ( como si los hace los rayos X) y , por este motivo, resultan aptas para el diagnóstico obstétrico. Fig 1 : Ecografía 4D. Como el ultrasonido consiste en vibraciones mecánicas y puede ser muy bien enfocado a altas frecuencias, se lo puede usar para calentar determinadas zonas sin dañar el tejido vecino. Esta técnica se emplea para aliviar dolores musculares o de articulaciones. También se puede usar el ultrasonido focalizado en el tratamiento de enfermedades como el mal de Parkinson, para tratar lesiones en zonas del cerebro inaccesibles a la cirugía tradicional. El efecto doppler se aprovecha para el estudio de la circulación sanguínea mediante ultrasonido ( de frecuencia aproximada de 3 MHz). Con esta técnica se pueden detectar enfermedades de las aterías o de las válvulas del corazón. Fig 2 : Eco doppler del corazón. Autor: García Regué Susana -1- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Como el ultrasonido puede enfocarse para formar haces concentrados, se lo usa en anteojos ultrasónicos para personas ciegas. Estos anteojos tienen un emisor y un receptor, conectado al oído de la persona que los lleva. El receptor emite una señal aguda o grave, que depende de la lejanía o cercanía del objeto que produce el eco. Existe una razón por la cual se usan sonidos de alta frecuencia. La relación entre la velocidad de una onda, su frecuencia y su longitud de onda (velocidad = frecuencia x longitud de onda) muestra que una frecuencia alta significa una longitud de onda corta. La velocidad del sonido en el agua es de 1500 m/s; un sonido audible de frecuencia 1500 Hz tiene en este medio una longitud de onda de 0.01m . una onda de estas características se difracta en los objetos pequeños, rodeándolos y continuando su camino. Una onda de ultrasonido de frecuencia de 150000Hz, en cambio, tiene una longitud de 0.01 cm en el agua, de manera que se refleja en los pequeños obstáculos dentro del cuerpo. Los geólogos usan los ultrasonidos para buscar gas y petróleo. El tono de un sonido se relaciona con su frecuencia. Cuando un tren que hace sonar su silbato se acerca, su sonido se percibe más agudo que cuando esta quieto, y cuando se aleja, más grave. Y los radares que controlan la velocidad de los autos en las rutas emiten una onda sonora que se refleja en los autos en movimiento. La frecuencia que tiene el eco de la onda depende de la velocidad del auto. 2- Ondas mecánicas: En física, una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, que se propaga a través del espacio transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío. 2.1- Características de una onda, longitud, frecuencia , amplitud y velocidad: una piedra cae en la quietas aguas de un estanque y altera la superficie lisa del agua, en la que se propaga una perturbación vertical, desde el punto en que cae la piedra hacia fuera. Una hoja que flota más allá, sube, baja al paso de la perturbación y vuelve a quedar tal como estaba. La perturbación pasa de un punto al otro del agua, moviendo estos objetos hacia arriba y hacia abajo, pero una vez que pasó, el agua queda quieta, tal como estaba antes. Qué se transmite a lo largo del estanque? Energía. A movimientos como estos, que se propagan en un medio material transportando energía, se los llama ondas mecánicas. Fig 3 : Propagación de una onda mecánica en un estanque Autor: García Regué Susana -2- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Ejemplos: 1- Si alguién agita un extremo de una soga, como muestra la figura 4, el movimiento que genera hace que los puntos adyacentes de la soga también se muevan, y transmitan este movimiento punto a punto, hasta llegar al otro extremo. Fig 4: Propagación de una onda. 2- Si se comprimen algunas espiras en un extremo del resorte largo, las espiras vecinas se estiran. Cuando se sultan, las que estaban comprimidas tienden a volver a su posición original. Pero como adquieren velocidad, siguen un poco más allá respecto de su posición original y generan una compresión en las vecinas . estas compresiones y dilataciones se transmiten a lo largo del resorte. Estos dos ejemplos tienen en común la propagación de una onda mecánica que viaja en un eje horizontal ( dirección de propagación). Pero hay una diferencia importante. En el caso de la soga, los puntos por los que pasa la onda oscilan hacia arriba y hacia abajo. Es decir, se mueven en un eje perpendicular a la dirección de propagación. A este tipo de onda se las llama transversales, como las que se forman cuando se tiran piedras una tras otra en un estanque. Un cuerpo que flote en la superficie del agua ( un corcho, por ejemplo), se moverá verticalmente al paso de la onda. En cambio, en el ejemplo del resorte, las espiras oscilan hacia delante y hacia atrás. El movimiento es un eje paralelo a la dirección de propagación. Son entonces, ondas longitudinales. Las ondas de sonidos pertenecen a esta clase, donde lo que se comprime y estira, como si fuera un resorte, es el medio elástico en que se propaga, que puede ser gaseoso como el aire, líquido o sólido. Una vez generada la onda, hay un conjunto de puntos que son alcanzados al mismo tiempo por el movimiento ondulatorio. Las superficie compuesta por todos esos puntos se llama frente de onda. Así, las ondas generadas por las piedras que caen en el agua tienen un frente de onda circular. En cambio, las ondas de sonido en el aire, o en los fluidos en general, se propagan en forma tridimensional. Los frentes de ondas generados por una fuente sonora puntual son esféricos. La AMPLITUD (A) de la honda es la máxima distancia que aparta, en este caso, la soga hacia arriba o hacia abajo. Cuando más amplio sea el movimiento de la mano, más amplitud tendrá la onda generada en la soga. La LONGITUD DE ONDA (es el ancho de l a forma que se repite una y otra vez cuando la mano sube y baja. Si la mano se agita más rápidamente, se aumenta frecuencia (f) del movimiento, es decir, se producen más ondas por segundo. Otra de forma de decir lo mismo: cada onda tarda menos tiempo en repetirse, el período (T) de la onda es menos. Autor: García Regué Susana -3- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Fig.5: Amplitud y longitud de onda. 2.2 – Movimiento Oscilatorio Armónico. Desde un punto de vista matemático, la onda más sencilla o fundamental es el armónico (sinusoidal) la cual es descrita por la ecuación f(x,t) = Asin(ωt − kx)), donde A es la amplitud de una onda - una medida de máximo vacío en el medio durante un ciclo de onda (la distancia máxima desde el punto más alto del monte al equilibrio). En la ilustración de la derecha, esta es la distancia máxima vertical entre la base y la onda. Las unidades de amplitud dependen del tipo de onda — las ondas en una cuerda tienen una amplitud expresada como una distancia (metros), las ondas sonoras como presión (pascales) y ondas electromagnéticas como la amplitud del campo eléctrico (voltios/metros). La amplitud puede ser constante, o puede variar con el tiempo y/o posición. La forma de la variación de amplitud es llamada la envolvente de la onda. La longitud de onda (simbolizada por λ) es la distancia entre dos montes o valles seguidos. Suele medirse en metros, aunque en óptica es más común usar los nanómetros o los Angstroms (Å). Un número de onda angular k puede ser asociado con la longitud de onda por la relación: El periodo T es el tiempo para un ciclo completo de oscilación de la onda. La frecuencia f es cuantos periodos por unidad de tiempo (por ejemplo un segundo) y es medida en hertz. Esto es relacionado por: En otras palabras, la frecuencia y el periodo de una onda son recíprocas entre sí.La frecuencia angular ω representa la frecuencia en radianes por segundo. Está relacionada con la frecuencia por Autor: García Regué Susana -4- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Hay dos velocidades diferentes asociadas a las ondas. La primera es la velocidad de fase,la cual indica la tasa con la que la onda se propaga, y esta dada por: La segunda es la velocidad de grupo, la cual da la velocidad con la que las variaciones en la forma de la amplitud de la onda se propagan por el espacio. Esta es la tasa a la cual la información puede ser transmitida por la onda. Está dada por: 2.3- Ondas estacionarias Una onda estacionaria es aquella que permanece fija, sin propagarse a través del medio. Este fenómeno puede darse, bien cuando el medio se mueve en sentido opuesto al de propagación de la onda, o bien puede aparecer en un medio estático como resultado de la interferencia entre dos ondas que viajan en sentidos opuestos. La suma de dos ondas que se propagan en sentidos opuestos, con idéntica amplitud y frecuencia, dan lugar a una onda estacionaria. Las ondas estacionarias normalmente aparecen cuando una frontera bloquea la propagación de una onda viajera (como los extremos de una cuerda, o el bordillo de una piscina, más allá de los cuales la onda no puede propagarse). Esto provoca que la onda sea reflejada en sentido opuesto e interfiera con la onda inicial, dando lugar a una onda estacionaria. Por ejemplo, cuando se rasga la cuerda de un violín, se generan ondas transversales que se propagan en direcciones opuestas por toda la cuerda hasta llegar a los extremos. Una vez aquí son reflejadas de vuelta hasta que interfieren la una con la otra dando lugar a una onda estacionaria, que es lo que produce su sonido característico. Las ondas estacionarias se caracterizan por presentar regiones donde la amplitud es nula (nodos), y regiones donde es máxima (vientres). La distancia entre dos nodos o vientres consecutivos es justamente λ / 2, donde λ es la longitud de onda de la onda estacionaria. Al contrario que en las ondas viajeras, en las ondas estacionarias no se produce propagación neta de energía. Propagación en cuerdas La velocidad de una onda viajando a través de una cuerda en vibración (v) es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión de la cuerda (T) por su densidad lineal (μ): Autor: García Regué Susana -5- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III 3- Ondas electromagnéticas: Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía. Todas se propagan en el vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000 km/s) pero no infinita. Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse. Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos. Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual 3.1- Cómo se originan? Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas .El campo E originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la aceleración de la carga y del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la carga y al dirección al punto en que medimos el campo( sen ).Un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las o. e.m. se propagan en el vacío sin soporte material. Fig 6: Onda electromagnética. Se observa el campo magnético y el campo eléctrico. 3.1.1 Características de las ondas electromagnéticas: Los campos producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes y viajar a través del espacio ( en el vacío) creándose y recreándose mutuamente. Lo explica la tercera y cuarta ley de Maxwell. Las radiaciones electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de la luz "c". Y justo el valor de la velocidad de la luz se deduce de las ecuaciones de Maxwell, se halla a partir de dos constantes del medio en que se propaga para las ondas eléctricas y magnética . Autor: García Regué Susana -6- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares entre si ( y perpendiculares a la dirección de propagación) y están en fase: alcanzan sus valores máximos y mínimos al mismo tiempo y su relación en todo momento está dada por E=c· B El campo eléctrico procedente de un dipolo está contenido en el plano formado por el eje del dipolo y la dirección de propagación. El enunciado anterior también se cumple si sustituimos el eje del dipolo por la dirección de movimiento de una carga acelerada Las ondas electromagnéticas son todas semejantes ( independientemente de como se formen) y sólo se diferencian e n su longitud de onda y frecuencia. La luz es una onda electromagnética Las ondas electromagnéticas transmiten energía incluso en el vacío. Lo que vibra a su paso son los campos eléctricos y magnéticos que crean a propagarse. La vibración puede ser captada y esa energía absorberse. Las intensidad instantánea que posee una onda electromagnética, es decir, la energía que por unidad de tiempo atraviesa la unidad de superficie, colocada perpendicularmente a la dirección de propagación es: I=c· eoE2. La intensidad media que se propaga es justo la mitad de la expresión anterior. La intensidad de la onda electromagnética al expandirse en el espacio disminuye con el cuadrado de la distancia y como "I "es proporcional a E2 y por tanto a sen2 . Por lo tanto existen direcciones preferenciales de propagación . 4- Radiación electromagnética. La 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. 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. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo. Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente 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. Valor de la constante de Planck Autor: García Regué Susana -7- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III 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): A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank). 5- El especto electromagnético. Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético.El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas: Clasificación de las ondas en telecomunicaciones Sigla Rango Denominación Empleo VLF 10 kHz a 30 kHz Muy baja frecuencia Radio gran alcance LF 30 kHz a 300 kHz Baja frecuencia Radio, navegación MF 300 kHz a 3 MHz Frecuencia media Radio de onda media HF 3 MHz a 30 MHz Alta frecuencia Radio de onda corta VHF 30 MHz a 300 MHz Muy alta frecuencia TV, radio UHF 300 MHz a 3 GHz Ultra alta frecuencia TV, radar, telefonía móvil SHF 3 GHz a 30 GHz Super alta frecuecia Radar EHF 30 GHz a 300 GHz Extra alta frecuencia Radar Autor: García Regué Susana -8- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Cuales son los fenómenos que se encuentran asociados a los espectros electromagnéticos: Interacción entre radiación electromagnética y conductores Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética. Estudios mediante análisis del espectro electromagnético Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm. Penetración de la radiación electromagnética En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía ni se transforma, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo). Refracción La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que: siendo ε0 y μ0 la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente. En un medio material la permitividad eléctrica ε tiene un valor diferente a ε0. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética μ y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio v será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c. Autor: García Regué Susana -9- ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera: Dispersión Fig7:Dispersión de la luz blanca en un prisma. La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios. Continuando con el espectro electromagnético... Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los Autor: García Regué Susana - 10 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo. Energía de los espectros. El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Existen frecuencias de 30 Hz y menores que son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas.1Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas. La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos. Se relacionan en las siguientes ecuaciones: , o lo que es lo mismo , o lo que es lo mismo Donde (velocidad de la luz) y es la constante de Planck, . Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía. Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican en base a su longitud de onda en ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos como luz visible– ultravioleta, rayos X y rayos gamma. El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve. Al igual que las ondas de sonido, la radiación electromagnética puede dividirse en octavas. La espectroscopía puede detectar una región mucho más amplia del espectro electromagnético que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectrómetro de laboratorio común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm. Bandas del espectro electromagnético. Autor: García Regué Susana - 11 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos. Banda Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J) Rayos gamma < 10 pm > 30,0 EHz > 20·10−15 J Rayos X < 10 nm > 30,0 PHz > 20·10−18 J Ultravioleta extremo < 200 nm > 1,5 PHz > 993·10−21 J Ultravioleta cercano < 380 nm > 789 THz > 523·10−21 J Luz Visible < 780 nm > 384 THz > 255·10−21 J Infrarrojo cercano < 2,5 µm > 120 THz > 79·10−21 J Infrarrojo medio < 50 µm > 6,00 THz > 4·10−21 J Infrarrojo lejano/submilimétrico < 1 mm > 300 GHz > 200·10−24 J Microondas < 30 cm > 1 GHz > 2·10−24 J Ultra Alta Frecuencia - Radio <1m > 300 MHz > 19.8·10−26 J Muy Alta Frecuencia - Radio < 10 m > 30 MHz > 19.8·10−28 J Autor: García Regué Susana - 12 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Onda Corta - Radio < 180 m > 1,7 MHz > 11.22·10−28 J Onda Media - Radio < 650 m > 650 kHz > 42.9·10−29 J Onda Larga - Radio < 10 km > 30 kHz > 19.8·10−30 J Muy Baja Frecuencia - Radio > 10 km < 30 kHz < 19.8·10−30 J Microondas. Cabe destacar que las frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, son llamadas microondas. Estas frecuencias abarcan parte del rango de UHF y todo el rango de SHF y EHF. Estas ondas se utilizan en numerosos sistemas, como múltiples dispositivos de transmisión de datos, radares y hornos microondas. Bandas de frecuencia de microondas Banda P L S C X Ku K Ka Q U V E W F D Inicio (GHZ) 0,2 1 2 4 8 12 18 26,5 30 40 50 60 75 90 110 Final (GHZ) 1 2 4 8 12 18 26,5 40 50 60 75 90 110 140 170 Infrarrojo. Las ondas infrarrojas están en el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se asocia generalmente con el calor. Éstas son producidas por cuerpos que generan calor, aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres. Las señales son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como en astronomía para detectar estrellas y otros cuerpos y para guías en armas, en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los controles remotos de los televisores, en los que un transmisor de estas ondas envía una Autor: García Regué Susana - 13 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III señal codificada al receptor del televisor. En últimas fechas se ha estado implementando conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos, pero debido a los nuevos estándares de comunicación estas conexiones han perdido su versatilidad. Espectro visible. Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas tenemos lo que comúnmente llamamos luz. Es un tipo especial de radiación electromagnética que tiene una longitud de onda en el intervalo de 0,4 a 0,8 micrómetros. La unidad usual para expresar las longitudes de onda es el Angstrom. Los intervalos van desde los 8.000 Å(rojo) hasta los 4.000 Å (violeta), donde la onda más corta es la del color violeta. La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas de luz pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual representa una ventaja pues con su alta frecuencia es capaz de llevar más información. Por otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre, usando un haz visible de láser Color Longitud de onda violeta 380–450 nm azul 450–495 nm verde 495–570 nm amarillo 570–590 nm naranja 590–620 nm rojo 620–750 nm Ultravioleta (UV) Autor: García Regué Susana - 14 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nm. El Sol es una importante fuente emisora de rayos en esta frecuencia, los cuales causan cáncer de piel a exposiciones prolongadas. Este tipo de onda no se usa en las telecomunicaciones, sus aplicaciones son principalmente en el campo de la medicina. Rayos gamma. La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrónelectrón. 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. Rayos X La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible). Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones). Descubrimiento de los rayos X La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto. Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad Autor: García Regué Susana - 15 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones. Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el físico Wilhelm Conrad Röntgen, realizó experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró más lejos la solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se seguía produciendo, así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo. En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que tenía en su caja estaban veladas. Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotográfica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula y el cañón de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría. Cien años después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y exponer su propia mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiográfica del cuerpo humano. Así nace una de las ramas más poderosas y excitantes de la Medicina: la Radiología. El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre. Los llamó "rayos incógnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre. La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Roentgen fue objeto de múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Autor: García Regué Susana - 16 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901. El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad. Producción de Rayos X. Los rayos X son productos de la desaceleración rápida de electrones muy energéticos (del orden 1000eV) al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos X (a partir de cierta longitud de onda mínima). Sin embargo experimentalmentepara cada material. Estos espectros —continuo y característico— se estudiarán más en detalle a continuación.La producción de rayos X se da en un tubo de rayos X que puede variar dependiendo de la fuente de electrones y puede ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas. El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos en sus extremos. El cátodo es un filamento caliente de tungsteno y el ánodo es un bloque de cobre en el cual esta inmerso el blanco. El ánodo es refrigerado continuamente mediante la circulación de agua, pues la energía de los electrones al ser golpeados con el blanco, es transformada en energía térmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el cátodo son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinación de 45°) y producto de la colisión los rayos X son generados. Finalmente el tubo de rayos X posee una ventana la cual es transparente a este tipo de radiación elaborada en berilio, aluminio o mica. 6- Emisión termoiónica. La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal) causada por una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto aumenta dramáticamente al subir la temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia este fenómeno es la termoiónica. En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones". Su velocidad, más que ser uniforme, se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo. Esta Autor: García Regué Susana - 17 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas pueden incrementarse o decrementarse disminuyendo la función de trabajo. Esta característica, que es muy deseable, puede lograrse aplicando varios recubrimientos de óxido al alambre. En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley (demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida relacionada con la temperatura T por la ecuación: esta donde T es la temperatura del metal en kelvin, W es la función de trabajo del metal, k es la constante de Boltzmann. La constante de proporcionalidad A, conocida como la constante de Richardson, dada por donde m y -e son la masa y la carga del electrón, y h es la constante de Planck. Autor: García Regué Susana - 18 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los electrones y un ánodo. Las partículas ionizadas de nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son atraídas hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo e inyectan electrones a este. Posteriormente los electrones son acelerados hacia el ánodo (que contiene al blanco) a altas energías para luego producir rayos X. El mecanismo de refrigeración y la ventana son los mismos que se encuentran en el tubo con filamento. Los sistemas de detección más usuales son las películas fotográficas y los dispositivos de ionización. La emulsión de las películas fotográficas varía dependiendo de la longitud de onda a la cual se quiera exponer. La sensibilidad de la película es determinada por el coeficiente de absorción másico y es restringida a un rango de líneas espectrales. La desventaja que presentan estas películas es, por su naturaleza granizada, la imposibilidad de un análisis detallado pues no permite una resolución grande. Los dispositivos de ionización miden la cantidad de ionización de un gas producto de la interacción con rayos X. En una cámara de ionización, los iones negativos son atraídos hacia el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo, generando corriente en un circuito externo. La relación entre la cantidad de corriente producida y la intensidad de la radiación son proporcionales, así que se puede realizar una estimación de la cantidad de fotones de rayos X por unidad de tiempo. Los contadores que utilizan este principio son el contador Geiger, el contador Proporcional y el contador de destellos. La diferencia entre ellos es la Autor: García Regué Susana - 19 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III amplificación de la señal y la sensibilidad del detector. PICO PAL JEREMY, además de este espectro continuo, se encuentran líneas características. Espectros continuos. El tubo de rayos X está constituido por dos electrodos (cátodo y ánodo), una fuente de electrones (cátodo caliente) y un blanco. Los electrones se aceleran mediante una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. La radiación es producida justo en la zona de impacto de los electrones y se emite en todas direcciones. La energía adquirida por los electrones va a estar determinada por el voltaje aplicado entre los dos electrodos. Como la velocidad del electrón puede alcanzar velocidades de hasta (1 / 3)c debemos considerar efectos relativistas, de tal manera que Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que este puede ceder su energía en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo. La energía del fotón emitido, por conservación de la energía y tomando los postulados de Planck es hν = K − K' donde K y K’ es la energía del electrón antes y después de la colisión respectivamente. El punto de corte con el eje x de la gráfica de espectro continuo, es la longitud mínima que alcanza un fotón al ser acelerado a un voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el punto de vista de que los electrones chocan y entregan toda su energía. La longitud de onda mínima esta dada por λ = hc / eV,la energía total emitida por segundo, es proporcional al área bajo la curva del espectro continuo, del número atómico (Z) del blanco y el número de electrones por segundo (i). Así la intensidad esta dada por I = AiZVm donde A es la constante de proporcionalidad y m una constante alrededor de 2. Espectros característicos. Cuando los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X poseen cierta energía crítica, pueden pasar cerca de una subcapa interna de los átomos que componen el blanco. Debido a la energía que recibe el electrón, este puede escapar del átomo, dejando al átomo en un estado supremamente excitado. Eventualmente, el átomo regresará a su estado de equilibrio emitiendo un conjunto de fotones de alta frecuencia, que corresponden al espectro de líneas de rayos X. Este indiscutiblemente va a depender de la composición del Autor: García Regué Susana - 20 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III material en el cual incide el haz de rayos X, para el molibdeno, la gráfica del espectro continuo muestra dos picos correspondientes a la serie K del espectro de líneas, estas están superpuestas con el espectro continuo. La intensidad de cualquier línea depende de la diferencia del voltaje aplicado (V) y el voltaje necesario para la excitación (V’) a la correspondiente línea, y está dada por I = Bi(V − V')N donde n y B son constantes, e i es el número de electrones por unidad de tiempo. Para la difracción de rayos X, la serie K del material es la que usualmente se utiliza. Debido a que los experimentos usando esta técnica requieren luz monocromática, los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X deben poseer energías por encima de 30 keV. Esto permite que el ancho de la línea K utilizada sea muy angosto (del orden de 0.001 Å). La relación entre la longitud de cualquier línea en particular y el número atómico del átomo esta dada por la Ley de Moseley. Interacción de los Rayos X con la materia. Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en parte transmitidos. Esta característica es aprovechada en medicina al realizar radiografías. La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad. Esta dada por Ix = Ioe( − μ / ρ)ρx μ / ρ, es característico del material e independiente del estado físico. \mu el coeficiente lineal de absorción y rho la densidad del material. Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorción másico μ / ρ es aditivo, de tal manera que donde w significa la fracción del elemento constituyente. Autor: García Regué Susana - 21 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Riesgos a la salud. La manera como la radiación afecta la salud depende del tamaño de la dosis de radiación. La exposición a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no es perjudicial. En cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante que la necesaria. La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retraso mental y la muerte. La dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral). Si se aumenta la dosis por encima de la dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante. Aplicaciones Medicas. Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X. Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto, aunque también se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos. En otros casos, el uso de rayos X tiene más limitaciones, como por ejemplo en la observación del cerebro o los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética o los ultrasonidos. Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o en estudios de contraste. Otras aplicaciones. Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina. La difracción de rayos X es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía. También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Autor: García Regué Susana - 22 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual. Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del material a examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener tranmisión. 6- Emisión termoiónica. La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal) causada por una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto aumenta dramáticamente al subir la temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia este fenómeno es la termoiónica. En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones". Su velocidad, más que ser uniforme, se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo. Esta función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas pueden incrementarse o decrementarse disminuyendo la función de trabajo. Esta característica, que es muy deseable, puede lograrse aplicando varios recubrimientos de óxido al alambre. En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley (demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida relacionada con la temperatura T por la ecuación: esta donde T es la temperatura del metal en kelvin, W es la función de trabajo del metal, k es la constante de Boltzmann. La constante de proporcionalidad A, conocida como la constante de Richardson, dada por Autor: García Regué Susana - 23 - ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA MODULO III donde m y -e son la masa y la carga del electrón, y h es la constante de Planck. Autor: García Regué Susana - 24 -