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BLOQUE 1: BIOFÍSICA HUMANA
INTRODUCCIÓN: RADIACIONES IONIZANTES
La radiación es una emisión de energía. Esto produce una transferencia de energía. Se define como la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio. Puede ser en forma de partículas o en forma de radiación electromagnética. En general son fotones con diferentes longitudes de onda Radiaciones con longitud de onda menor que la radiación visible (luz) tienen una mayor energía. La luz visible no es ionizante; no es dañina, la ultravioleta por ejemplo sí, tiene menor longitud de onda y por ende más energía, transfieren más energía, lo cual en un ser humano se puede depositar en cualquier molécula Radiación ionizante es aquella que tiene suficiente energía como para romper los enlaces de moléculas y producir ionizaciones de los átomos que conforman las moléculas del medio con el que interaccionan. Rompe los enlaces covalentes; enlaces covalentes suceden compartiendo electrones, si una radiación les cede tanta energía como para arrancar un electrón, se rompe el enlace Envenenados por isótopos radioactivos se mueren por el daño en sus células de forma generalizada. En radioterapia se produce la necrosis de células de tejidos sanos. Cualquier molécula se puede romper ante radiación Las radiaciones no ionizantes no tienen suficiente energía para romper los enlaces atómicos de las moléculas del medio con el que interaccionan Por lo general, todas las radiaciones particuladas son ionizantes Ondas beta: pueden ser positivas o negativas; las radiaciones beta + son positrones. Partículas alfa son otro tipo de radiación son un nucleo de helio que sale de otro núcleo. Salen con cierta energía cinética y cuando chocan con materia la transfieren Radiaciones ionizantes: radiactividad Consiste en la emisión de partículas con masa que se emiten por parte de núcleos inestables.
También pueden ser radiaciones electromagnéticas que se emiten por parte de núcleos excitados. Rayos X son generados de forma artificial y son parecidos a las radiaciones electromagnéticas ¿Por qué se producen? Hay varios tipos:
- Emisión de partículas ( -, +, ) se producen por desequilibrio de las fuerzas
de cohesión nuclear. Cuando las partículas nucleares se encuentran, son muy estables juntas y forman un núcleo de forma espontánea. Hay cierta limitación; interacción entre partículas se empieza a limitar, cuando hay una alteración de los equilibrios de fuerzas se producen emisiones de partículas Núcleos inestables no emiten protones ni neutrones, sino electrones y positrones
- Emisión de radiación electromagnética (rayos X y ): Por desorganización de
las partículas atómicas Historia En 1911 Rutherford presenta el modelo de nucleo atómico y el modelo postulado fue muy acercado al actual, unos años mas tarde se descubren los neutrones, fueron mucho mas difíciles de aislar al no tener carga En 1934 la hija de los Curie fue capaz de desarrollar los primero núclidos
Materia Se puede describir con dos tipos de partículas:
- Hadrones: componen los núcleos atómicos y solo se sitúan ahí; se trata de protón, neutrón, y partículas que los componen; quarks - Leptones: electrón y neutrinos, con carga aparente de 0 Los neutrinos son unas partículas elementales muy especiales: carecen de carga eléctrica, su masa es diminuta y apenas interaccionan con la materia ordinaria Eso es en la materia orgánica, en la materia cósmica existen otras partículas como quarks top y bottom. La nucleación y aparición de la materia en el bing bang podría haber sucedido con núcleos negativos y electrones positivos; componentes iguales, pero cargas distintas, es un postulado teórico que da lugar al concepto de la antimateria, se ha demostrado que ello existe y convive con nosotros, y somos capaces de generar antimateria, por ejemplo, los positrones que son el contrario del electrón y los antineutrinos Positrones existen porque hemos generado isótopos radioactivos artificiales que en su desintegración emiten positrones, y esta antimateria cuando se encuentra con la materia, esa energía que contiene cada partícula, chocan, y se aniquilan, las partículas desaparecen y la energía se puede detectar como energía electromagnética; es el principio del PET. ¿Como es posible la cohesión del núcleo? Se debe a fuerzas de interacción que actúan. Se conocen muy bien las fuerzas electromagnéticas, se forman de atracción entre partículas de carga opuesta o de repulsión entre partículas de la misma carga. Además, se sabe que la proporción de las fuerzas de atracción y repulsión es proporcional a la distancia de las partículas; van perdiendo intensidad se si distancian Dentro del nucleo hay mas partículas positivas, las fuerzas electromagnéticas no explican la cohesión ya que hay en teoría repulsión
Las fuerzas gravitacionales explican la cohesión de cuerpos celestes, masas interaccionan de una forma cuantitativa; el producto de las masas es inversamente proporcional a la distancia, fuerzas gravitacionales deben estar operando entre todas las partículas nucleares porque tienen masa, aunque la distancia es muy pequeña como la masa también lo es, estas fuerzas son despreciables Así, deben existir unas fuerzas de interacción fuerte que mantengan nucleo cohesionado, se ha demostrado que existe y se ejerce solo entre hadrones. En desintegraciones radioactivas se producen partículas radioactivas que deben salir del nucleo y pueden hacerlo porque no están funcionando estas fuerzas sobre ellas Estas fuerzas denotan una atracción muy intensa y se ejercen entre todas las parejas posibles de nucleones Energía potencial Cuando se representa la energía potencial, cuando sea positiva será una fuerza de repulsión, cuando sea 0 será una ausencia de potencial y por debajo del 0 es una fuerza de atracción muy fuerte. La negativa se trata de la energía que hace falta para separar 2 partículas interaccionando muy fuertemente, y la positiva se trata de la energía que habria que aportar para que 2 partículas interaccionen Si se representa la energía potencial de una fuerza electromagnética, cuando hay una atracción la energía potencial será muy negativa cuando esté muy cerca, están muy atraídas y hace falta mucha fuerza para separarlas, intensidad se va perdiendo con la distancia a medida que se alejan, se hace mas positiva
la intensidad 1 es la que se ha asignado a la interacción fuerte, y la gravitacional es de 10 -38, es prácticamente despreciable frente a las fuerzas hadrónicas Fotón se considera a la partícula que media la fuerza electromagnética, tiene una masa despreciable, y se la considera la partícula vectorial de la fuerza electromagnética. Se piensa que todas las interacciones tienen partícula vectorial, se ha propuesto el gravitón como partícula vectorial de la fuerza gravitatoria, se intuye su existencia porque se ha probado la existencia de ondas gravitacionales. Gluón es la partícula vectorial de las fuerzas hadrónicas. Fuerzas de interacción débil tienen lugar entre leptones y hadrones a distancia muy pequeña, no se conoce la ley y se ponen de manifiesto en procesos de radiación. Como consecuencia de esta unión el modelo nuclear de capas tiene que cumplir la exclusión de Pauli; el giro de las partículas, y se deben estar colocando en capas de 4 nucleones organizados 2 a 2, hay muchas evidencias que apoyan este modelo pero no se ha podido demostrar Modelo nuclear de capas En física, el modelo de capas nuclear es una teoría creada para describir la estructura interna del núcleo y una dinámica para los nucleones. Es muy parecido al planteado para el caso de la corteza electrónica, pero no hay que confundir un modelo con otro. En el caso de los electrones, teníamos partículas idénticas que se agrupaban en capas de números cuánticos espaciales distintos (n, l...). El número de electrones permitidos en cada capa venía impuesto por el postulado de exclusión de Pauli, el cual establece que no puede haber dos electrones con todos sus números cuánticos idénticos. Según este modelo, los protones y los neutrones dentro del núcleo están organizados en capas o niveles y es el paso de un protón o neutrón de un nivel a otro lo que libera energía , las denominadas radiaciones (Rayos X, Rayos Gamma…). Girando alrededor del núcleo en órbitas elipsoidales se encuentran los electrones Si hay un nucleo excitado por un nucleón en una capa superior, al bajar de nivel se emite una energía electromagnética que se corresponde con los rayos gamma Para entender cómo se disponen los nucleones debemos contemplar unas premisas de partida:
- La unión neutrón-protón es más favorable que las uniones entre neutrones y protones. - Los nucleones tienen momento cuántico de espín asociado: o -1/2 o +1/ - Cumplen el postulado de exclusión de Pauli - Los nucleones emitidos por parte de núcleos pesados inestables tienen asociados unos valores de energía determinados ≈ 2p+ + 2no Así pues, en cada capa del núcleo tenemos un protón y un neutrón. Si, por poner un ejemplo, el neutrón tiene un momento cuántico de espín -1/2 y se asocia a un protón, el espín cuántico del mismo deberá ser de +1/2. En la misma capa, el siguiente neutrón que exista puede estar asociado a un protón también, pero ambos tendrán espín distinto al par anterior.
El spin se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. En otro nivel, si el neutrón tiene un momento cuántico de espín +1/2, el protón asociado tiene un momento cuántico de espín de -1/2. Escalando otro nivel, el neutrón vuelve a tener un momento cuántico de espín de -1/2, y así sucesivamente. De esta forma, la energía de la capa más interna es mayor que la de las capas periféricas. El núcleo, según este modelo, puede tener dos configuraciones de distinta energía:
- Estado estacionario : Es el estado de mínima energía; se da cuando todos los nucleones están en su correspondiente capa. - Estado excitado: Es el estado del núcleo que se produce cuando un nucleón esta fuera de su capa. Por ejemplo, un neutrón puede saltar a la siguiente capa energética. La diferencia entre ambos estados, es la energía emitida. Esta energía viene dada por la relación de Planck: ∆E=h·v Donde h es la constante de Planck (6.63 ×10 -34 J·s) y v es la frecuencia de la onda lumínica que emite el núcleo excitado cuando libera esta energía.
TEMA 2: ENERGÍA Y MASA DEL NÚCLEO ATÓMICO
Unidades de masa atómica y energía en física nuclear Son la unidad de masa atómica u.m.a. y el electrón voltio; eV La uma es aproximadamente el dalton y el electrón voltio se define como la energía de un electrón en un campo magnético de un voltio Se definió el uma como la doceava parte de la masa un átomo de carbono 12, que tiene 12 nucleones Un uma equivale a 0.166 x 10-23^ gramos Un electronvoltio equivale a la energía asociada a 1 electrón cuando se le somete a un campo eléctrico de 1 voltio Un eV equivale a 1,602 x 10-19^ julios Relacion entre masa y energía E = m · c^2 Se postula que cualquier variación de energía del sistema material va acompañada de una variación de masa por una constante que es la velocidad de la luz al cuadrado. Según la relación de Einstein (ΔE= Δm · c2) podemos ver que toda variación de energía (ΔE) en un sistema material está asociada a una variación de la masa (Δm) de dicho sistema, ya que “c” es un valor constante al ser la velocidad de la luz Esta variación de energía se denomina energía de masa. La postulación dice que energía y masa son dos formas de la misma magnitud Masa y energía son dos formas de la misma moneda, a cualquier masa se le puede definir por su energía y viceversa En toda reacción quimica en que haya variación de energía se produce una variación de masa entre el estado inicial y final; por ejemplo hervir agua, se evapora y varía la masa porque varia la energía, aunque la variación es despreciable Al correr aumenta la energía cinética, la masa aumenta, pero es despreciable. Sin embargo, las variaciones de energía en las reacciones nucleares son mucho más apreciables: el Dm es mayor Se demuestra que la variación es real porque en determinadas condiciones un fotón debe tener mucha energía, la diferencia de energía puede materializarse en una partícula y su antipartícula; electrón y positrón, puede pasar de energía electromagnética a materializarse en una partícula
Relación entre uma y eV Uma es la masa de un electrón. La energía de un uma será igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado, si sustituimos en la fórmula la masa de la uma y el valor real de C obtenemos que 1 uma es 1.492 · 10-10^ j La energía de un uma es 931,49 mega electrón voltios Masa de partículas atómicas Un protón es 1,007 uma, neutrón 1,008 uma y electrón 0,0005 uma. Variaciones parecen mínimas pero explica el fenómeno de radiación A su vez, a cada masa le corresponde su equivalente energía según la ecuación de Einstein;
- Energía de masa de un protón son 938,3 MeV - Energía de masa de un electrón es 0,511 MeV - Energía de masa de neutrón es 939,6 MeV Los rayos X no suelen llegar a 100 MeV Cuando un positrón se aniquila con un electrón se generan 2 rayos gamma que salen opuestos en la dirección del choque, desaparece la masa y aparecen dos rayos gamma, cada uno con 0,511 MeV, ello en PET, un tipo de escáner, permite hacer tomografías al detectar esos rayos Si se aniquila la masa se produce la energía, son dos cosas que no pueden coexistir Defecto de masa y energía de enlace Se ha demostrado que en la formación de núcleos el evento mas importante para el desarrollo fue la nucleación , la unión de nucleones. En la formación de núcleos se libera energía Dichos núcleos son muy restrictivos, pero fuerzas de atracción los retiene en un estado estable. No hace falta energía para formar un núcleo, lo contrario, al formarse un nucleo se libera energía Para calcularlo, calculamos la masa de un átomo ; multiplicamos la masa de cada partícula por el número de electrones neutrones y protones del átomo de oxígeno; sale 16,32 uma Si se mide experimentalmente sale 15,990 uma; la masa del átomo es menor que la que nos esperaríamos teóricamente
Para comparar las estabilidades hay que calcular la energía de enlace por nucleón , si las magnitudes dependen de los componentes, lo que se hace es hacer la magnitud relativa por unidad Calculamos la energía de enlace que corresponde a cada nucleón, esta se interpreta como la energía necesaria para arrancar un nucleón de un núcleo, no existe energía suficiente para ello, salvo que se bombardee con otras partículas. Siendo A el número másico: Dados dos núcleos, el de mayor energía de enlace por nucleón será aquel con mayor estabilidad Energía potencial de enlace de diferentes elementos se representa frente a su masa atómica, casi todos los núcleos que nos componen son muy estables. Elemento más estable del planeta tierra es el hierro 56. Todos los elementos en algun momento convergerán en hierro Hidrogeno es muy estable, pero tiende a fundirse y ello emite mucha energía, sucede por ejemplo en el sol. Energía solar proviene de fusión de hidrógeno Se puede sacar mucha energía del uranio, a través de la fisión nuclear , se emplean neutrones para romper núcleos pesados y se produce una cantidad de energía enorme La mayoría de elementos naturales tienen una energía de enlace por nucleón similar Se libera energía por fusión de núcleos ligeros o fisión de núcleos pesados
TEMA 3: RADIACIONES NATURALES
Radioactividad Un nucleido X que se encuentra en un estado inicial inestable se transforma en un nucleido Y definitivo que es más estable que el inicial. En esta transformación siempre se produce la emisión de una partícula desde el nucleo inestable y al salir se estabiliza el nucleoide Características:
- El estado final se caracterizará por la formación del nucleido Y, además de la formación de una partícula saliente. Una vez generado el isotopo radioactivo se conserva igual que un isotopo radioactivo natural. - El estado inicial será diferente según se trate de una reacción provocada (bombardeo con una partícula entrante, para generar isótopos artificiales), o de una reacción espontánea (reacción nuclear sin que intervenga ninguna partícula adicional, en los isótopos naturales). - Entre el estado final e inicial siempre hay una variación de masa y por tanto de energía según la relacion masa – energía de Einstein Se puede expresar una desintegración radioactiva como una reacción; X se transforma en Y y se libera partícula saliente y energía Numero másico no cambia; es el número de protones más neutrones, en esta transformación nucleones no aparecen ni desaparecen, se mantienen Energía total es la variación de masa que se manifiesta como una energía cinética de la partícula saliente. Se mantiene en la reacción Partículas que salen del núcleo no pueden permanecer ahí, usan la energía para salir del núcleo. Radioactividad es un proceso espontáneo independiente del estado físico o químico en que se encuentra el átomo. Por ejemplo, agua formada con oxigeno 16, un isotopo radioactivo, da igual si está en gas líquido o hielo, es inevitable la radiación. Por ejemplo, dado carbono 14, da igual si está en una glucosa o en un ácido graso, se va a desintegrar igual. Si estamos delante de un isotopo radioactivo, los núcleos van a estar emitiendo partículas inevitablemente.
un núcleo ser estable es 82. Los núcleos inestables se reconocen por desintegrarse más rapido mientras que los estables pueden tardar millones de años Por encima de 92 protones no existe ningún isótopo natural, aunque se puede generar de forma artificial Carta de nucleidos Están representados todos los nucleidos / isótopos conocidos, tanto naturales como artificiales Se representa el número de protones Z abajo vs el número de neutrones en el eje Y. Se aprecia en la tabla que los elementos cuanto más estables sean, más neutrones tienen por encima del número de protones; se necesitan más neutrones que protones para paliar las fuerzas electromagnéticas de repulsión del núcleo El exceso de protones es inestable. Línea de estabilidad Representa la relacion perfecta entre N y P. Se aprecia que a partir de Z= 20 (Ca) ya empieza a haber más neutrones que protones Línea de estabilidad de Seaborg es donde se colocan los isótopos naturales más estables, es la relacion más estable. Puede haber isotopos por encima de la línea de Seaborg pero nunca por debajo ya que ello significaría más protones que neutrones. A partir de determinado número de protones los neutrones estabilizan, un mayor número de protones que de neutrones lleva a la inestabilidad y no existe en la naturaleza Según la posición de los átomos en esta tabla, se establecen 3 zonas: La zona 3 se trata de cualquier átomo con Z mayor a 82; tendrá exceso tanto de protones como de neutrones ya que por encima de 82, aunque haya mas neutrones que protones, el núcleo será inestable por exceso de P.
La mayoría de los nucleidos inestables naturales tienen Z > 82 y, en cualquier caso, siempre en zonas I/III, pero no en la zona II En la zona II, sólo se encuentran artificiales (y son los más inestables) Comportamiento de nucleidos que escapan de la línea de estabilidad Gracias a esta curva se puede predecir el comportamiento de núcleos inestables en una u otra zona. Isotopos que se apartan tienden a acercarse a la línea de estabilidad y van a perder los neutrones de exceso Los que tienen exceso de protones van a subir en la tabla y sueltan protones, y los que tienen exceso de protones y neutrones pierden ambas para llegar al número estable de protones; 82 La estabilizad se alcanza estando en la línea de Seaborg, por lo que los elementos muy distantes a ella tienden a acercarse La pérdida de nucleones por encima o por debajo de la curva de estabilidad es por dos mecanismos posibles:
- Transformación de un nucleón en otro - Pérdida directa de 4 nucleones que son una capa nuclear atómica entera, es lo que hacen los nucleones pesados de la zona 3 Transformación de un nucleón en otro : se emiten partículas no hadrónicas (leptones) electrones y positrones; así es como se forman las radiaciones b- y b+ Pérdida de nucleones es un mecanismo de emisión de partículas hadrónicas ( protones y 2 neutrones) en forma de un átomo de helio; es lo que ocurre en las radiaciones alfa Tipos de radioactividad: radiación ionizante Se emiten partículas radiactivas o de radiación electromagnética:
- Partículas B-: emitidas por nucleidos inestables con exceso de neutrones
- Partículas B+: emitidas por nucleidos inestables con exceso de protones
- Alfa : partículas emitidas por nucleidos inestables con exceso de protones y neutrones
TEMA 4: RADIACIONES PARTICULADAS. RADIACIONES BETA
Radiación beta menos es la emisión de un electrón y la beta más es de un positrón Núcleos emiten partículas y se puede detectar la energía que emiten por espectros de emisión Neutrinos y antineutrinos : partículas muy pequeñas y sin carga apenas, se dedujo de los espectros continuos de estas radiaciones Visión general de la radiación beta Se da cuando se forma un nucleo sobrante a partir de otro nucleón. Se da en situaciones de exceso de neutrones (B-) o exceso de protones (B+) Espontáneamente en esta situación de exceso de neutrones el neutrón se transforma en un protón, electrón y antineutrino. B- es un electrón y se acopla a un protón dando un nucleo mucho mas estable Se forma un nucleo hijo con mayor defecto de masa En situación de exceso de protones, el protón se transforma en un neutrón Radiación beta – Reacción por la cual un neutrón da lugar a protón, electrón y antineutrino y se liberan 0,78 MeV Si se hace la suma de la energía de masa; se toma la del neutrón, se quita la masa del electrón y protón y como la del antineutrino es despreciable, sobran 0,78 MeV Ambos leptones, electrón y antineutrino, deben abandonar el núcleo. Siempre que se produce desintegración radioactiva se ven electrones salir del núcleo Electrones no pueden estar en el núcleo por lo que deben salir, los leptones se emiten por parte de estos núcleos Electrón con 0,78 MeV sale del núcleo, pero casi todas las radiaciones B- pueden emitir más energía de eso, porque la energía generada solo por la transformación de un nucleón en otro se le añade la energía generada por pasar de nucleo inestable a uno estable
La energía total de la que disponen los leptones es 0,78 MeV más la energía de enlace entre nucleo padre e hijo, defecto de masa es mayor para el hijo Espectro de emisión: representación gráfica de la energía asociada cuando se produce una radiación Se detectó que si se pone un detector en frente de emisores b- no todos los electrones tienen la misma energía cinética Hay algunos electrones con mucha mayor energía, otros tan poca que no se puede detectar por los detectores que no detectan cosas no cargadas, y partículas que emiten energía porque también tiene que salir del núcleo pero con tan poca masa que no se detecta; se trata de los antineutrinos Se postuló su existencia para explicar esto Los antineutrinos son una partícula que no se puede detectar y que también tiene que salir del núcleo, salen a la vez y comparten energía para ello. Sin embargo, también habrá casos menos frecuentes en los que salgan los electrones con muy poca energía porque se la han llevado los neutrinos, o que salgan con mucha porque se han llevado casi toda la energía, y la E media es cuando ambos salen a la vez y comparten energía Lo más probable es la energía media en que ambos comparten Así, la energía total liberada por esta transformación se reparte de manera variable entre la energía cinética de las partículas b- (electrón) y v (antineutrino), por lo que teóricamente puede tomar cualquier valor entre 0 y la energía total, de ahí que su espectro de emisión sea contínuo. Esquema de desintegración Nivel energético de Y es menor que X, se transforma un neutrón en protón y se emite radiación B-, y se emite con una energía que es la energía media Por ejemplo, en desintegración de carbono 14 a nitrógeno 14 se emiten 0,1 MeV que es lo equivalente a una radiografía normal Muchas veces se producen radiaciones gamma asociados; un neutrón en una capa más baja se desintegra y el primer salto es más energético, puede sufrir un salto más dentro del núcleo. En ciertos casos el nucleido Y hijo es estable, pero en otros se forma un nucleido en estado excitado, que volverá a su estado fundamental muy rápidamente a través de eliminación de energía en forma de fotones. Se producen así rayos gamma debidos a la des – excitación
