T8 - ¿Que tiene que ver Marie Curie con Piedrabuena?

Buscando información sobre el lugar indicado (Piedrabuena), he conseguido encontrar un nexo de unión entre esta ciudad y Marie Curie.

Resumiendo se trata de que en Piedrabuena nació Mónico Sánchez, un inventor que desarrolló un equipo pórtail de rayos X que posteriormente utilizaría Marie Curie para hacer diagnósticos durante la primera guerra mundial. Por lo que Marie Curie fue cliente de Mónico, compró varios de sus equipos y los instaló en pequeños camiones que se conocieron con el nombre de "Petite Curie".

Tras resolver la relación entre Piedrabuena y Marie Curie, me di cuenta de que este personaje (Mónico Sánchez)  no lo conocía de nada y creo que mucha gente lo desconoce, sobre todo aquí en España.

Por lo que en el siguiente enlace se puede encontrar mas información acerca de la vida de Mónico Sánchez.

Vida de Mónico Sánchez

T7- Simulador de espectro de Rayos X

Para la siguiente simulación elegimos una radiografía de tórax.

Como se observa en la gráfica anterior, cada parte del cuerpo necesita de una energía diferente para realizar la radiografía. Como nos centraremos en el pecho, necesitaremos una energía entorno a las 100-120 KV.

Radiografía de tórax

Para la radiografía de tórax se utiliza la técnica del alto kilovoltaje porque lo que se pretende es penetrar. 

Si quisiéramos ver esqueleto torácico, usaríamos la técnica de bajo kilovoltaje, pero en una radiografía simple de tórax, el kilovoltaje debe ser siempre a partir de los 120 KV. El alto kilovoltaje hace que la radiación tenga menos efectos biológicos, ya que con un kilovoltaje de 60 a 70, los Rayos X son más absorbidos por el cuerpo del paciente.

Esta técnica de kilovoltaje tiene una serie de ventajas:

• La penetración de los fotones de gran energía hace verdaderamente transparentes las estructuras del organismo
• La dosis de radiación que recibe el paciente es bastante baja
• El tiempo de exposición se acorta

El principal inconveniente es la enorme radiación dispersa que se genera en el propio paciente con esta técnica y el bajo contraste.


Por tanto para la zona del pecho, necesitamos un voltaje alrededor de los 120 KV y hemos asumido un ondulación relativa de 0.15. De manera que la configuración inicial queda de la siguiente manera.

El espectro que obtenido para la anterior configuración, es el siguiente:

Ahora lo que hacemos es aplicar diferentes filtros para eliminar la energía que no nos interesa. Probando con los diferentes filtros, el filtro de plata es el que nos da mejores resultados. De manera que aplicamos un filtro de plata de 10mm y el espectro resultante tras utilizar el filtro es el siguiente:

Como se puede observar en el espectro, se consigue mayor selectividad, observando un pico máximo alrededor de los 113-114 keV.

Si seguimos aplicando filtros, se consigue ser más selectivo, sin embargo se reduce la amplitud del pico. Como prueba de ello observamos el siguiente espectro, en el que hemos añadido otro filtro de plata de 5mm.

T6 - Rayos X

1.- Qué características constructivas del tubo de rayos X se correlacionan con qué características del espectro de emisión de los rayos X

La emisión de rayos X se produce por la colisión entre los electrones generados por el cátodo y los átomos del ánodo. 

Sabemos que el circuito del tubo de rayos X cumplirá la ley de Ohm ( V = I*R).

De manera que para un cierto voltaje, el valor de intensidad dependerá del valor de resistencia del ánodo y el cátodo. Por lo que variando dicha resistencia, podremos obtener diferentes valores de intensidad para un cierto voltaje. 
Para variar la resistencia de dicho circuito, tendremos que modificar el tamaño del ánodo y el cátodo, además de su disposición en el circuito (poca o mucha distancia entre ellos).

Si reducimos el valor de la resistencia, la intensidad será mayor, lo que implicará un aumento de la amplitud del espectro.

Si aumentamos el valor de la resistencia, la intensidad será menor, lo que provocará una reducción de la amplitud del espectro.


2.- Qué características de la operación del tubo de rayos X se correlacionan con qué características del espectro de la radiación producida (o lo que es lo mismo, que controles tiene y que es lo que controlan)

Las características de operación del tubo de rayos X, que nos permiten relacionarlo con el espectro de radiación que produce el mismo, son:

• La tensión (energía aplicada)

• El tiempo (duración de la aplicación de energía)

Como consideramos un tubo de rayos X ya diseñado, el tamaño y diseño del cátodo y el ánodo ya están establecidos y fijados (esto supone un valor de resistencia constante). Por tanto si nos fijamos en la ley de Ohm, para cierto valor de intensidad y la resistencia constante, solo podremos variar el voltaje aplicado al circuito.

3.-¿Por qué han de estar los tubos a vacío?

Porque en el vacío la velocidad de los electrones aumenta y esto es lo que necesitamos en el viaje del cátodo al ánodo. 
Además el hecho de que exista aire en el tubo, provocaría una disminución de la velocidad de los electrones.


4.- Por qué es importante el espectro de emisión para la radiología ¿no son iguales todos los rayos x?

Por que no es lo mismo hacer una radiografía de un dedo, que de un tórax. La energía necesaria para atravesar el dedo será considerablemente menor que la energía necesaria para atravesar un tórax. 

Mayor nivel de energía implica mayor radiación, por lo que energía necesaria para cierta radiografía dependerá de la zona en la que se tenga que realizar y así reduciremos el riesgo de radiación al cuerpo.

T5 - Fuentes de radiactividad (Artificial y natural)

Fuente de radiactividad natural

Si procedemos a cuantificar las fuentes de radiación naturales existentes, el hecho es que la mayor parte de la radiación a la que está expuesto el hombre es natural. Además el hombre lleva expuesto a estos niveles de radiación desde sus orígenes, cuando los niveles de radiación eran más altos.

La siguiente tabla muestra las fuentes de radiación naturales más importantes a las que está expuesto el ciudadano medio. Se dividen en dos categorías: fuentes externas e internas.

Fuentes de radiación naturales 

Fuentes externas
Rayos cósmicos	mrem
Radiación terrestre	a 70 mrem
Fuentes internas
K	mrem
Elementos pesados	mrem
C	mrem

Rayos cósmicos

La radiación cósmica es un nombre genérico que agrupa un amplio rango de partículas que provienen del espacio exterior e inciden sobre la alta atmósfera de nuestro planeta. Algunas de ellas son partículas cargadas con energías usualmente en el intervalo de 100 a 100000 MeV. Tales energías son enormes comparadas con las energías típicas de las desintegraciones nucleares.

Cuando estas partículas golpean los niveles superiores de la atmósfera es virtualmente posible cualquier reacción que no viole los principios de conservación básicos. En su interacción, estas partículas producen cascadas de partículas cargadas y neutras.

Dada la elevada energía de los rayos cósmicos, algunas de las partículas secundarias logra atravesar la atmósfera, produciendo un fondo de radiación a nivel del mar, suficiente para exponernos a una dosis de  mremaño. Además esta dosis aumenta con la altitud y por esa razón los pilotos, azafatas y usuarios frecuentes de viajes aéreos están expuestos niveles de radiación más elevados.

Bibliografía

Fuente de radiactividad artificial

La radiación de origen artificial, es mucho menor que la debida a las fuentes naturales. Aunque depende de diferentes factores (geográfico,.....).

La radiación de fuentes artificiales puede ser controlada, y las principales fuentes son:

• Exposición médica
• Precipitación radiactiva
• Exposición ocupacional
• Vertidos 
• Productos (bienes de consumo)

Bibliografía

T3 - Cuestiones

1.- Cuando se aniquilan un positrón y un electrón, ¿de qué energía son los dos fotones que se generan?

    Masa electrón = 9,1·10^-31 Kg

2.- Con la intención de tener una idea cuantitativa de dónde está el límite de la radiación ionizante (dañina para las personas) vamos a buscar la energía de un enlace típico de la química orgánica (un C-H o algo similar) y ver de qué energía ha de ser un fotón para romperlo (que basta con pasar esa energía a las unidades habituales para fotones ¿no?)

T2 (Esquema de reacciones nucleares)

TIPOS DE REACCIONES NUCLEARES

• Fisión del núcleo: Escisión de un núcleo inestable y pesado.

• Fusión de dos núcleos ligeros:  Unión de dos núcleos ligeros que dan lugar a un núcleo más pesado.

• Radioactividad natural: Escisión espontánea o natural de un núcleo radioactivo.

• Desintegración nuclear por bombardeo: Rotura de un núcleo inestable debido al bombardeo de partículas móviles (protones, neutrones, etc.).

Esquema de las dos principales reacciones nucleares

Ahora explico brevemente cada uno de los diferentes tipos de reacciones nucleares:

Fisión del núcleo

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico, lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales y la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (a modo de ejemplo, se podría pensar en la inestabilidad de una pirámide de naranjas en el supermercado, al lanzarse una naranja contra ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos y algunos fotones.

Recordar que los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos

Fusión del núcleo

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado.Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por tanto es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada. En un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que con una pequeña cantidad de combustible proporciona mucha energía.

No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de los productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir es la de deuterio (un protón y un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón. Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.

Radiación nuclear

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. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos inestables, que son capaces de transformarse o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables, en palabras más simples, un átomo inestable emite radiactividad para volverse estable.


La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción la constituye el neutrón, que posee carga neutra (igual carga positiva como negativa), pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones libres.


La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.


La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras).


La radiactividad puede ser:

• Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza. 
• Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales. 

Desintengración nuclear

Las desintegraciones nucleares son procesos de reordenamiento de energía ó de configuración de los protones y neutrones.
Muchos de los procesos de desintegración nuclear ocurren en forma natural, aunque otros pueden ser producidos artificialmente en laboratorio a partir de la utilización de aceleradores de partículas ó reactores nucleares.

Sabemos que los núcleos atómicos pueden tener una configuración estable ó inestable. Cuando un núcleo es inestable ó radioactivo tiende a aproximarse a una configuración estable liberando ciertas partículas. 

Estas partículas fueron denominadas partículas alfa (α) y beta (β).

Partículas α: Las partículas α son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones. 

Partículas β: Son electrones de carga negativa (-e). Cuando un núcleo emite una partícula β su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. 

Los dos tipos de desintegración β se designan β- y β+

T2 - Ejercicios

1. ¿En qué unidades se mide (típicamente) la energía de la gráfica anterior? ¿Cuál es el factor de conversión de estas unidades con las más habituales?

• La gráfica anterior se mide en "MeV", (electronvoltio, eV).  MeV = 1x10^6 eV

• Conversión  de "Julios" a "eV":  1 eV = 1,602176565 × 10^-19 J

2. ¿De qué orden son los valores de energía que intervienen en las reacciones nucleares? ¿Y en las reacciones químicas?

• Los valores de energía que intervienen en las reacciones nucleares son del orden de "MeV" (10^6 eV).
• Los valores de energía que intervienen en las reacciones químicas, son del orden de eV (electronvoltio).

Ejemplo de reacción nuclear:

Ejemplo de reacción química: