Antología de TSdF - 6o Sem PDF

Sistema Muscular Física Médica Tres descubrimientos clave Imagenología Médica Formación de imágenes planas con rayos X Las radiaciones en el siglo XXI. 3 — Física Aplicada 3.1 Sistema Muscular Una propiedad muy general de la materia viviente e...

Sistema Muscular Física Médica Tres descubrimientos clave Imagenología Médica Formación de imágenes planas con rayos X Las radiaciones en el siglo XXI. 3 — Física Aplicada 3.1 Sistema Muscular Una propiedad muy general de la materia viviente es la habilidad para alterar su tamaño o medida por contracción o expansión de una zona determinada del organismo. En el cuerpo humano existen Referencia grupos de células especializadas en contraerse o relajarse sin que tenga que cambiar su posición bibliográfica: ni su forma; ciertos grupos celulares se contraen y se relajan bombeando líquidos, como es el caso del corazón; otros fuerzan la comida a través del tracto digestivo; etc.; los agregados de estas células especializadas se llaman tejidos musculares o simplemente músculos. Un grupo de ellos tiene Indica de que libro se tomó el texto de la sección asignado como trabajo el llevar a cabo la locomoción. Los músculos son transductores (es decir, traductores) que convierten la energía química en energía eléctrica, energía térmica y/o energía mecánica útil. Aparecen en diferentes formas y tamaños, difieren en las fuerzas que pueden ejercer y en la velocidad de su acción; además, sus propiedades cambian con la edad de la persona, su medio ambiente y la actividad que desarrolla. Desde el punto de vista anatómico se pueden clasificar de muchas maneras, dependiendo de su función, innervación, localización en el cuerpo, etc. Quizá la clasificación histológica es la más sencilla y clara, y distingue dos clases de músculos: lisos y estriados. Los estriados, vistos al microscopio, parecen alternar bandas oscuras y claras distribuidas en forma regular; las fibras son largas. Los lisos consisten de fibras cortas que no presentan estrías. El estudio de los músculos desde el punto de vista físico abarca muchos campos. Aquí trataremos el problema de la locomoción, que corresponde a los músculos estriados, los cuales tienen, en los extremos, sus fibras atadas por tendones que los unen a los huesos, por lo que se conocen como músculos del esqueleto. Hablar de locomoción es hablar de movimiento, es decir, de mecánica. Lo primero que haremos será distinguir entre un cuerpo en movimiento y otro inmóvil. Un cuerpo inmóvil no cambia de lugar al transcurrir el tiempo, mientras que uno en movimiento sí lo hace. Podemos pensar que un cuerpo 44 Física Aplicada inmóvil está en equilibrio, pero ¿qué es el equilibrio? Cuando hablamos de equilibrio en física, lo que estamos diciendo es que no hay fuerza neta actuando sobre el cuerpo, lo que implica que puede estar en movimiento y su velocidad ser constante; si la velocidad es cero, el cuerpo estará inmóvil. La fuerza neta es cero cuando la suma de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo es cero, lo que se − → → − → − representa como: Σ F = 0. F representa a cada una de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y tiene carácter vectorial, es decir, posee magnitud, dirección y sentido; en estas tres particularidades deben sumarse las fuerzas. Para saber si un cuerpo está o no en equilibrio, podemos hacer una representación gráfica de las fuerzas que ac- túan sobre él; por ejemplo, consideremos que las fuerzas → − que están actuando sobre el cuerpo están dadas por: F 1 , → − → − → − F 2 , F 3 y F 4 como se muestra en la figura 3.1, donde el tamaño de cada una es proporcional a su longitud, la dirección y el sentido están representados por la punta de la flecha. Para sumarlas gráficamente las dibujamos de manera consecutiva, de modo que se forma un polígono; si éste es cerrado, entonces la suma de las fuerzas es cero y el cuerpo está en equilibrio; si el polígono no es una figura cerrada, habrá una fuerza neta actuando sobre el cuerpo. Hay un caso que debe ser considerado: si las fuerzas que actúan sobre el cuerpo tienen la misma magnitud y direc- Figura 3.1: (a) Cuatro vectores de fuerza actuando sobre un objeto, cuya suma por el método gráfico re- ción, pero sentidos contrarios, la suma vectorial es cero; sulta ser diferente del cero, provocan que el cuerpo no sin embargo, el cuerpo estará en equilibrio sólo si están esté en equilibrio. (b) Cuatro vectores actuando sobre un cuerpo, cuya suma es cero, provocan que el cuerpo aplicadas sobre la misma línea, de otra forma se produce esté en equilibrio. un giro en el cuerpo. Si esto ocurre, decimos que la fuerza (cada una) produce una torca τ en el cuerpo dada por: τ = Frsen(θ ), donde F es la magnitud de la fuerza, r la distancia desde el centro de giro del cuerpo al punto de aplicación de la fuerza y θ es el ángulo que forman → −r y → − F. Por lo anterior, para garantizar que el cuerpo esté en equi- librio, se deben cumplir simultáneamente dos condiciones: que la suma de las fuerzas actuando sobre él sea cero y − → → − que la suma de las torcas sea cero, es decir: Σ F = 0 y → − Σ→−τ = 0. Lo primero garantiza que no hay movimiento de translación, y lo segundo que no hay giro o rotación. Una aplicación de lo anterior, en medicina, es la inmovi- lización de huesos rotos, o en sistemas de tracción como el de Russell, que se aplica en caso de fractura de fémur. Otra aplicación de las condiciones de equilibrio se da en Figura 3.2: Fuerzas producidas en el antebrazo al cálculo de la fuerza ejercida por los músculos, como el sostener un peso P. bíceps mostrado en la figura 3.2, donde se conoce el peso 3.1 Sistema Muscular 45 del antebrazo A = 1.5 kg f y el peso que sostiene W = 5 kg f. Aplicando la condición de equilibrio: Σ τ = 0 y considerando que el centro de giro sería la articulación del codo, se tiene: W (37.5 cm) + A(15 cm) − B(5 cm) = 0 ⇒ 187.5 kg f · cm + 22.5 kg f · cm = (5 cm)B ∴ B = 42kg f que es la fuerza ejercida por el bíceps. Es frecuente que los músculos ejerzan fuerzas mucho mayores que las cargas que sostienen. Otro concepto importante, si queremos describir el movimiento del cuerpo, es el de centro de gravedad. Éste coincide con el centro geométrico si el cuerpo es perfectamente simétrico y su masa está uniformemente distribuida; en estos casos es fácil calcularlo. De otra forma, lo más fácil es localizarlo experimentalmente, para lo cual basta suspender el cuerpo de tantos puntos como dimensiones tenga, y trazar una línea vertical cada vez; en el punto donde se intersectan estas líneas se encuentra el centro de gravedad. El concepto de centro de gravedad es útil en terapia física ya que un cuerpo apoyado sobre su centro de gravedad se encuentra en equilibrio y no cambia su posición a menos que actúe una fuerza sobre él. Una persona que está de pie tiene su centro de gravedad en la región pélvica, pero si se dobla hacia delante la localización del centro de gravedad variará, haciendo que la persona gire. Cuando una persona carga un cuerpo pesado, tiende a moverse en el sentido opuesto al que se encuentra el objeto, para equilibrar el centro de gravedad de los dos juntos: así evita caer. Cuando varias fuerzas actúan sobre el cuerpo, una forma de simplificar el problema de su movimiento es considerar que todas se aplican en un solo punto, el centro de masa del cuerpo, que puede estar localizado dentro o fuera de éste. El centro de masa es un punto donde teóricamente se concentra toda la masa del cuerpo y está localizado en un punto espacial que nos permite describir el movimiento del cuerpo; por ejemplo, una llanta de coche que rodamos sobre una línea recta: su centro de masa estaría ubicado en el centro, a pesar de no haber masa ahí; dicho punto se mueve en línea recta permitiéndonos describir el movimiento de la llanta del modo más simple posible. En física consideramos tres casos de equilibrio: estable, inestable e indiferente. El estable es aquél que tiene un cuerpo que al moverse tiende siempre a regresar a su posición original, como sería el caso del péndulo de un reloj: siempre tiende a volver a la posición vertical. El inestable corresponde a aquellos cuerpos que al moverse fuera de su posición de equilibrio no regresan a ella; un ejemplo sería el de un plato sobre un lápiz (malabarismo). El equilibrio indiferente es el de aquellos cuerpos que se mueven de su posición de equilibrio y regresan a la condición de equilibrio en cualquier otra posición, por ejemplo, un hombre que camina, cada vez que se detiene está en equilibrio. El equilibrio es importante para todos los seres vivos, está relacionado con la estabilidad y, en el caso del ser humano, el problema se complica más de lo que puede suponerse porque no se refiere únicamente a la estabilidad física sino también a la estabilidad emocional, acarreando graves consecuencias que generalmente abarcan todo el medio ambiente de la persona, con las consecuencias que esto acarrea. 46 Física Aplicada Cuando un músculo es estimulado, se contrae. Si el músculo se mantiene con longitud constante desarrolla una fuerza, mientras que si mueve un peso se contrae y hace trabajo. Las dos situaciones más simples para estudiar son a) longitud constante (isométrica) y b) fuerza constante (isotónica). Si el músculo es estimulado por medio de corrientes eléctricas, impulsos mecánicos, calor, frío, etc., ocurre una serie de contracciones, separadas por relajamientos entre cada estímulo. Si los estímulos se repiten antes de que ocurra la relajación, la contracción se mantiene estacionaria; esto se conoce como tétano. Eventualmente todos los músculos sufren de fatiga y su contracción falla cuando haya un estímulo presente. Es necesario decir que sólo las contracciones isotónicas realizan trabajo. Los músculos estriados en general pueden desarrollar grandes fuerzas para una carga dada, como lo vimos anteriormente, en particular los músculos esqueléticos desarrollan fuerzas mayores que las cargas que soportan; sin embargo, las cargas pueden moverse mucho más de lo que se contrae el músculo. Cuando un músculo está trabajando produce cierta cantidad de calor debida a la conversión de energía química en trabajo mecánico. Experimentalmente esto se mide a través del aumento en la temperatura del cuerpo. Por lo anterior, una persona que tiene una gran energía puede desarrollar una gran cantidad de trabajo; para tener una gran energía se debe comer bien, ya que la energía química almacenada en los alimentos puede ser completamente transferida al organismo. La energía de un cuerpo es la capacidad que tiene para desarrollar un trabajo. Desde el punto de vista de la física, existen varias formas de energía: mecánica, química, eléctrica, magnética, etc.; sin embargo, pueden transformarse de una a otra en un sistema como el del organismo humano, por ejemplo. En un sistema aislado (aquél que no tiene interacción con sus alrededores), la energía se transforma sin que exista ninguna pérdida o ganancia en la cantidad total inicial; es por ello que se dice que la energía se conserva. Éste es, quizá, el principio más importante de la física. → − → − Cuando se aplica una fuerza F a un cuerpo de modo que lo desplace una distancia S , se dice que la fuerza ha desarrollado un trabajo dado por: W = FScos(θ ) donde θ es el ángulo que hace la fuerza F con la línea de desplazamiento del cuerpo. Si el cuerpo se mueve en la misma línea en la que se aplica la fuerza, se tiene que el trabajo total realizado es: W = FS medido en N · m (Newtons por metro) o J (Joules). Si a un cuerpo, inicialmente en reposo, se le aplica una fuerza constante, es decir una aceleración constante, ya que la fuerza está dada por el producto de la masa del cuerpo por la aceleración que se at 2 le imprime: F = m · a; al transcurrir un tiempo t habrá recorrido una distancia dada por de modo 2 que el trabajo estará dado por:   at 2 1
1 W = FS = (ma) = m a2t 2 = mv2 2 2 2 ya que la velocidad se encuentra como v = a · t. A esta cantidad se le conoce como energía cinética del cuerpo, la cual claramente es igual al trabajo desarrollado por él. 3.1 Sistema Muscular 47 La cantidad de trabajo desarrollado por los músculos y las piernas de un corredor está dado por: 1 W = FS = mv2 donde F es la fuerza muscular, S la distancia recorrida en cada zancada del corredor 2 y m la masa de la pierna. De medidas hechas se sabe que la fuerza es proporcional al cuadrado de la longitud de la pierna L2 , la distancia es proporcional a L y la masa es proporcional a L3 de modo que: 2FS L2 L v2 = = cte ⇒ v2 ∝ 3 = cte. m L este es un resultado interesante ya que nos dice que la velocidad que puede desarrollar un corredor es independiente de su tamaño. Al caer de una altura h, un cuerpo está sujeto a la acción de la gravedad y adquiere una velocidad √ que depende de la constante gravitacional v = 2gh, al sustituirla en la ecuación para la energía cinética se tiene: mgh EC = 2 = mgh 2 que es la energía que tenía almacenada el cuerpo a la altura h, antes de iniciar su caída, y se la conoce como energía potencial del cuerpo. Muchos de los músculos y huesos del cuerpo actúan co- mo palancas, las cuales se clasifican en tres clases. Las palancas de la primera clase son aquellas en las que el punto de apoyo se encuentra entre el punto de aplicación de la fuerza (en este caso de la fuerza muscular) y el punto de aplicación del peso que se quiere mover; esta clase de palancas son las que menos se presentan en la realidad. Las de segunda clase son aquellas en las que el peso se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza muscular; mientras que en las de tercera clase, que son las más fre- cuentes, el punto de aplicación de la fuerza muscular se encuentra entre los puntos de aplicación del peso y del Figura 3.3: Figura 6. Las tres clases de palancas apoyo (esto se ilustra en la figura 3.3). que se producen en el cuerpo humano. W es una fuerza que puede ser el peso, M es la fuerza muscular y F la Es frecuente que después de cargar un objeto pesado, se fuerza de reacción. sufra de dolor en la parte baja de la espalda, en la región lumbar, lo que se debe a la mala posición que se adopta para levantar el peso. Se han hecho medidas de la presión en los discos que separan las vértebras usando un transductor calibrado conectado a una aguja hueca que se inserta en el centro gelatinoso de un disco intervertebral para un adulto que carga un peso adoptando diferentes posiciones: la posición erecta que adopta la persona sin carga extra provoca una presión en el disco lumbar de aproximadamente 5 atmósferas; si la carga es de aproximadamente 20 kg, distribuida en igual forma en cada mano a los lados del cuerpo, la presión alcanza las 7 atmósferas una vez que la persona está erecta. Al momento de levantar la carga, si la persona dobla las rodillas, la presión alcanzará 12 atmósferas, mientras que si no las dobla puede llegar hasta 35 atmósferas (1 atm es la presión ejercida por la atmósfera terrestre al nivel del mar), por lo que es conveniente doblar las rodillas cada vez que se cargue un peso.  48 Física Aplicada. Recurso digital: La palanca Objetivos de Aprendizaje: Analiza las características de los diferentes tipos de palancas Relaciona cada tipo de palanca con ejemplos del contexto Resuelve ejercicios sencillos sobre el funcionamiento de las palancas. ¿Qué hacer? Escanea el codigo QR, elige la opción accesar/ejecutar busca en descargas el archivo ms1c y ejecuta. Revisa los principios de funcionamiento de las palancas en la opción máquinas. Revisa los tipos de palancas y sus características en la opción palancas; finalmente práctica con sencillos ejercicios en la opción pequeño taller. AQUÍ Escanea 3.2 Física Médica La física médica, tal como lo define la Organización Internacional de Física Medica, es una rama de la física aplicada que utiliza los principios, métodos y técnicas de la física para la prevención, diagnóstico y tratamiento de las enfermedades humanas. Su objetivo principal es mejorar la salud y bienestar de los seres humanos. La física medica se puede clasificar en diferentes especialidades Referencia las cuales incluyen física de la radioterapia, física de la imagenología médica, física de la medicina bibliográfica: nuclear, física de la salud (también conocida como protección radiológica en medicina), física de las radiaciones no-ionizantes en medicina y medidas fisiológicas. Indica de que libro se tomó el texto de la sección 3.2.1 Tres descubrimientos clave Muchos consideran que la física médica, tal como se cono- ce hoy en día con una componente muy fuerte de física de radiaciones, tuvo sus inicios a partir del descubrimiento de los rayos X por el alemán Wilhelm Conrad Röntgen en 1895, galardonado con el primer Premio Nobel de Fí- sica en 1901. Durante los experimentos de Röntgen los rayos X se producían al hacer pasar una corriente eléctrica a través de un gas a muy baja presión, podían atravesar objetos opacos como madera o metal y permitían obtener Figura 3.4: Figura 1: a) Primera radiografía medi- imágenes de su interior. La noticia del descubrimiento de ca por W. C. Rontgen de la mano de su esposa Anna Bertha Ludwig. b) Radiografía digital moderna. Es im- los rayos X, ilustrada con una radiografía de la mano de portante resaltar la alta calidad de la radiografía digital. la esposa de Röntgen (ver la figura 3.5) en el periódico Vienés Die Presse, permitió divulgar el descubrimiento ampliamente no sólo al público en general sino, más relevante aun dada la época, a la comunidad médica.  3.2 Física Médica 49 La visión tan generosa de Röntgen al negarse a solicitar una patente por su descubrimiento, hizo posible que los tubos de rayos X se usaran de manera inmediata y extensiva para visualizar el interior del cuerpo humano sin necesidad de cirugía: así fue como nació el radiodiagnóstico. El siguiente hallazgo decisivo en las aplicaciones de las radiaciones ionizantes en medicina consistió en el descubrimiento de la radiactividad espontánea en 1896 por Henrí Becquerel, seguido por el trabajo de los esposos Pierre y Marie Curie, quienes realizaron importantes experimentos con uranio y torio y posteriormente descubrieron y sintetizaron dos elementos radiactivos: el polonio y el radio. En 1903 Becquerel y los esposos Curie también recibieron el premio Nobel de Física por sus descubrimientos. El uso inmediato de substancias radiactivas se limito al tratamiento y control de algunas enfermedades debido a que los elementos radiactivos descubiertos no eran adecuados para ser utilizados en el área de diagnóstico. Durante más de 60 años las imágenes producidas con rayos X se limitaron a la proyección en dos dimensiones (2D) de objetos tridimensionales (3D) con información cuantitativa limitada debido al traslape de estructuras anatómicas. No fue sino hasta la década de 1960 que se inventó la Tomografía Computarizada (CT), técnica que produce imágenes anatómicas en 3D. La CT fue desarrollada por el físico nuclear Allan Cormack y el ingeniero Godfrey Hounsfield, galardonados con el premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1979. Resulta interesante mencionar que Cormack y Hounsfield trabajaron de manera independiente con objetivos completamente diferentes. Cormack, con formación de físico nuclear y quien trabajaba de tiempo parcial en un hospital, tenía interés desde el punto de vista académico de mejorar la precisión en la planificación de tratamientos de radioterapia incorporando información anatómica (posición y forma) de diferentes tumores. Hounsfield, por otro lado, llevo a cabo su invento mientras trabajaba para la compañía EMI Central Research Laboratories en el área de investigación, pero con propósitos claramente comerciales. 3.2.2 Imagenología Médica Tabla 3.1: Resoluciones espaciales (Re) típicas de diferentes modalidades de imagenología médica. La formación de imágenes del cuerpo humano en radiología requiere del uso de radiación electro- magnética con suficiente energía para poder atravesar los tejidos. Técnicas como la radiografía, mamografía o la tomografía computarizada (CT) utilizan rayos X con energías aproximadamente entre 20 y 150 keV, la medicina nuclear usa rayos gamma con energías entre 75 y 511 keV, mientras que la resonancia magnética (MRI) usa radiación electromagnética de radiofrecuencia. La utilidad de  50 Física Aplicada las imágenes en radiodiagnóstico reside en el hecho de que estas representan diferentes propiedades de los tejidos; en el caso de la formación de imágenes con rayos X se mide su poder de atenuación (absorción y dispersión) a la radiación, mientras que en medicina nuclear se mide la concentración de substancias radiactivas. La tabla 3.1 muestra las resoluciones espaciales de diferentes modalidades de imagenología médica, indicando también el tipo de información que ofrece. Como se puede observar, las resoluciones espaciales cubren un intervalo muy amplio de valores, que van desde las decenas de micrómetros para estudios anatómicos como la mamografía, hasta de varios milímetros como SPECT o PET que proveen información metabólica. Cada modalidad de formación de imágenes tiene usos muy específicos, y es común que para el diagnóstico de una enfermedad se utilicen varias modalidades de imagen de manera complementaria. 3.2.3 Formación de imágenes planas con rayos X Los detectores para la formación de imágenes planas han evolucionado sorprendentemente en la última década. Originalmente los receptores de imagen eran analógicos basados en películas radio- gráficas o combinaciones de películas radiográficas con pantallas intensificadoras. Las características más importantes de este tipo de detectores es que son simples, relativamente baratos y producen imágenes con alta resolución espacial. Sin embargo, son muy ineficientes (las películas radiográficas, por ejemplo, tienen una eficiencia del orden del 1 flexibilidad para procesar las imágenes. En los últimos años se han introducido detectores digitales de panel plano que producen imágenes en tiempo real sin necesidad de tratamientos químicos, con mejor calidad diagnostica debido a su amplio rango dinámico, que se traduce en una reducción de dosis de radiación al paciente. El principio físico de funcionamiento de los detectores digitales puede ser a través de la conversión directa de los rayos X a carga eléctrica (e.g. selenio amorfo a-Se o silicio amorfo a-Si). También los hay de conversión indirecta de rayos X a luz, seguida de la transformación de luz a carga eléctrica, y de esta a señales digitales con electrónica rápida muy sofisticada. Un ejemplo de los detectores digitales de conversión indirecta es a través del uso de capas finas de cristales centelladores (e.g. Gd2O2S) acopladas a fotosensores (e.g. CMOS). Hoy en día la radiografía digital requiere de detectores muy sofisticados, con control automatizado de exposición, de equipo de cómputo suficientemente potente y rápido para el análisis, transferencia y almacenamiento 2 de las imágenes, así como monitores de alta definición para su despliegue. Todo esto hace que esta tecnología sea muy costosa comparada con los detectores analógicos. El desarrollo de nuevos algoritmos para el análisis y procesamiento de imágenes ha sido un factor clave y necesario para explotar el potencial de las imágenes digitales. El procesamiento digital permite realizar ciertas características de las imágenes como sus bordes, mejorar el contraste y suavizar el ruido. Gracias a esto, es posible desarrollar nuevos tipos de estudios como el uso de medios de contraste, la sustracción temporal de imágenes, las técnicas de energía dual para seleccionar diferentes tipos de tejidos con base en sus propiedades de atenuación y las técnicas que usan contraste de fase. Debido a que la información es digital, se pueden aplicar métodos de compresión de datos sin pérdida importante de información. Esto permite una transmisión rápida de los estudios, haciendo posible el intercambio de imágenes médicas entre diferentes departamentos del mismo hospital, o entre diferentes hospitales, permitiendo el desarrollo de la telemedicina.  3.3 Las radiaciones en el siglo XXI. 51 Recurso digital: Imagen por Resonancia Magnética Objetivos de Aprendizaje: Reconoce que la luz puede voltear los espines si la energía de los fotones coincide con la diferencia entre las energías de espín-up y espín-down. Reconoce que la diferencia entre las energías de espín-up y espín-down es proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado. Describe la forma de poner a estas dos ideas en conjunto para detectar donde hay una mayor densidad de espines. ¿Qué hacer? Utiliza la opción MRI Simplificado y añade la opción Poner Tumor, para visualizar como al modificar los campos magnéticos es posible visualizar la acumulación de cambios de espín y por lo tanto, identificar la presencia de tumores en el cuerpo. Puedes comparar el comportamiento de los cambios de espín en un organismo al quitar el tumor. AQUÍ Escanea 3.3 Las radiaciones en el siglo XXI. Jorge Rickards 1 Referencia bibliográfica: Un día como cualquier otro, enciendo la luz. No tengo modo de saber qué tanto, pero una parte de la electricidad viene de una planta nuclear. Miro el reloj digital. El proceso de fabricación del microcircuito de silicio incluye implantación de iones. Abro la ventana. Sale la minúscula cantidad de gas radón radiactivo que se acumuló durante la noche. Me rasuro. La hoja de afeitar Indica de que libro se tomó el texto de la sección fue implantada con iones para reducir el desgaste. Me pongo una venda en la cortada. La venda fue esterilizada con radiación. Enciendo la televisión. Los circuitos integrados fueron manufacturados usando iones implantados. Tomo un huevo revuelto con papas. Es posible que el huevo haya sido irradiado para eliminar la salmonela. La papa fue irradiada para preservarla sin brotes. Tomo un refresco. El nivel dentro del bote fue inspeccionado en línea con una fuente radiactiva. Envuelvo mi sándwich. El plástico de la envoltura fue tratado con radiación. Leo el periódico. Tal vez la tinta fue curada con radiación. Hablo por el celular. El chip es otro de los mencionados microcircuitos. Salgo. La atmósfera sobre mi cabeza me protege de parte de la radiación cósmica. Se observa gran contaminación. Una parte fue estudiada con fluorescencia de rayos X. Enciendo el auto. La computadora tiene microcircuitos. La gasolina viene del petróleo, cuya exploración se hizo con fuentes de neutrones. Las obstrucciones en los ductos de petróleo se localizan con fuentes radiactivas. El nivel en los tanques de almacenamiento se mide también con fuentes radiactivas. En la vulcanización de las llantas del auto se usó radiación. El motor fue inspeccionado con radiografía. Salgo a la carretera. Para controlar el contenido de humedad del asfalto se usó una fuente de neutrones. Paso frente al hospital. Allí rutinariamente se practican el radiodiagnóstico, la radioterapia y la medicina nuclear. Los instrumentos quirúrgicos fueron esterilizados con radiación. Los implantes 1 Departamento de Física Experimental, Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México 52 Física Aplicada ortopédicos fueron mejorados con iones implantados. El edificio fue diseñado para proteger al personal de la radiación, de la cual constantemente se miden los niveles. Llego a mi oficina y enciendo la computadora. Más microcircuitos. No fumo, pero hay un detector de humo que utiliza una fuente radiactiva... El empleo de las radiaciones ionizantes (alfa, beta, gamma, neutrones,´rayos X, etc.) de una manera u otra se ha infiltrado en buena parte de nuestra vida cotidiana, aunque esto no siempre es eviden- te. Como no se ven ni se sienten, cuando se habla de radiaciones, con frecuencia se les percibe como algo misterioso y peligroso. Misteriosas no son; peligrosas pueden ser si no se les maneja adecuadamente, como cuando uno cruza la calle sin fijarse. De hecho, se conocen con gran detalle las características y propiedades de las radiaciones, así como la factibilidad de su aplicación. La proliferación de su uso ha ido de la mano con la existencia de industrias multimillonarias dedicadas a las radiaciones en varios de sus aspectos, de producción de equipos y fuentes de radiación, de seguridad radiológica, de servicios de irradiación, de investigación, de usos médicos y otros. Las aplicaciones de las radiaciones están en continuo desarrollo y mejoramiento. Muy pronto después de su descubrimiento a fines del Siglo XIX los rayos X encontraron aplicaciones médicas aunque no se tenía el pleno conocimiento ni de su naturaleza ni de las posibles implicaciones para la salud (recordar nombres como Becquerel y Curie). Luego, durante la primera mitad del Siglo XX vino una etapa en que se estudiaron en detalle muchos aspectos básicos de las diferentes radiaciones (por ejemplo, alfa, beta y gamma): su origen, su relación con los átomos y los núcleos atómicos, su naturaleza cuántica y relativista, su energía, su interacción con la materia (Einstein, Rutherford, Bohr, Bethe y otros). También se desarrollaron las técnicas para producir las distintas radiaciones (aceleradores tipo Van de Graaff, Cockroft-Walton, ciclotrones y otros) y cómo medirlas. En este lapso se descubrieron nuevas radiaciones como los neutrones, los positrones y los neutrinos. Cerca de mediados de siglo pasado ya había un considerable entendimiento de la física nuclear y las radiaciones. Esto dio lugar a que nos diéramos cuenta de que se podría aprovechar la enorme energía almacenada en los núcleos. Aparte de que se pudo liberar la energía en forma de explosio- nes nucleares, se desarrollaron los primeros reactores de fisión nuclear controlada, y con ello la producción de radioisótopos. Comenzó y creció rápidamente la disponibilidad de éstos. También se extendió el acceso a otras fuentes de radiaciones: los aceleradores de partículas. En esta etapa se iniciaron algunas de las empresas de instrumentos para producir y medir radiaciones. También aumentaron los usos médicos, y se evidenció la necesidad de conocer más a fondo los efectos de las radiaciones, especialmente en los organismos vivos. La segunda mitad del Siglo XX vio un crecimiento espectacular de las aplicaciones de la tecnología nuclear y de las radiaciones. Se constru- yeron cientos de plantas nucleares para producir energía eléctrica, bajo estrictas normas de eficiencia y seguridad. Proliferaron los usos industriales de la radiación como la radiografía industrial, los medidores de humedad, de densidad, de composición química, los trazadores en líquidos, en tuberías y en organismos biológicos, los monitores de niveles, los detectores de humo. Se perfeccionaron aparatos analíticos, incluyendo medidores de contaminación y muestras geológicas, arqueológicas y biológicas. Se desarrollaron sistemas de irradiación de alimentos, aumentando así su duración sin refrigeración e impidiendo brotes. Se pusieron en operación plantas de control de plagas sin substancias tóxicas, como se hizo en el caso del gusano barrenador. Se esterilizan ahora de manera rutinaria productos médicos, como vendas, jeringas e instrumentos quirúrgicos. Se implementó el tratamiento de aguas negras. Se perfeccionó e implementó la irradiación para polimerizar plásticos. 3.3 Las radiaciones en el siglo XXI. 53 En este lapso se perfeccionaron los usos médicos de las radiaciones. Con la ayuda de la computación y barridos de distintas geometrías, se afinaron los métodos de radiodiag- nóstico, para obtener máxima precisión y sensibilidad. En radioterapia se avanzó en optimizar los tratamientos sin afectar tejidos vecinos. En medicina nuclear se desarrolló el uso de radioisótopos de vida media corta. Al mismo tiempo se fue colectando información sobre los efectos Figura 3.5: Figura 1Acelerador Pelletron de 3 millo- de la radiación en los humanos, para tratar de establecer nes de volts del Instituto de Física de la UNAM. Dada su gran versatilidad para implantar diversos iones con los límites de dosis que pueden tolerar con seguridad los energías y flujos controlables, promete continuar sien- distintos sectores de la población, en diferentes escenarios do aparato esencial para investigar la interacción de las radiaciones con la materia y generar nuevos materiales. de irradiación. Se progresó en el conocimiento de la dosis debida al fondo natural, cuyo principal contribuyente resultó ser el radón. De todos los desarrollos tal vez el que más impacto ha tenido es la implantación de iones en dispositivos electrónicos. Un implantador de iones es un acelerador. La tecnología de aceleradores, inicialmente desarrolladapa- ra la física nuclear, se diversificó al perfeccionar sistemas de alto vacío,altos voltajes, fuentes de iones, y óptica de iones, para implantar casi cualquier elemento en el silicio semiconductor. Un microcircuito típico puede requerir más de 30 implantaciones distintas, de diferentes elementos, con distintas energías y diferentes dosis de implantación. El proceso ha sido la base de una verdadera revolución en muchas industrias, como la electrónica, la de comunicación, la de computación, la manufacturera. También es de gran impacto en la de control automatizado, la del transporte, y hasta la de la diversión. Los desarrollos se han dado con una rapidez extraordinaria. Resulta que los mismos aceleradores se usan para caracterizar las capas delgadas que requiere la miniaturización, así que hay una doble utilidad. En particular, una de las técnicas que contribuyó a este desarrollo fue el alto vacío, el cual se ha ido mejorando hasta lograrse superficies esencialmente libres de contaminantes, lo que permite obtener imágenes a nivel de átomos individuales. También el per- feccionamiento de la microscopía electrónica de barrido y de transmisión ha sido piedra angular en este proceso. De hecho, un microscopio electrónico es un acelerador de electrones. Asociadas a éstas, se desarrollaron varias otras técnicas muy sensibles para el estudio de superficies y capas delgadas que han sido de gran utilidad, como la retro-dispersión de iones, la espectroscopía de electrones Auger. También se han aplicado las reacciones nucleares, la espectroscopía de masas de iones secundarios, la fluorescencia de rayos X excitada por iones y electrones, la difracción de rayos X y de neutrones, la erosión iónica, y muchas otras. Es interesante notar que la industria del alto vacío (típicamente 10−6 mm Hg ó 1,33x10−4 Pa) y el ultra-alto vacío (< 10− 8 mm Hg ó 1,33x10− 6 Pa) ha sido impulsada principalmente por físicos; pues las industrias convencionales en general no requieren de tan bajas presiones.La investigación básica y aplicada floreció como nunca antes, al disponerse de una serie de técnicas más perfeccionadas. Por un lado, el alto vacío. Otro ejemplo evidente fue la computación, que creció en rapidez y capacidad. Esto dio lugar a una nueva técnica, la simulación de procesos, antes inalcanzable. Los cálculos de tipo Monte Carlo con números aleatorios y los cálculos de dinámica molecular aprovechan al máximo esta capacidad de cómputo. En el área experimental, otro de los grandes avances fue la construcción de sincrotrones, grandes aceleradores de alta potencia que producen fotones en grandes cantidades. Esto permite estudiar fenómenos sutiles que antes no se podían estudiar. Un desarrollo semejante es el de aceleradores de 54 Física Aplicada alta potencia para reventar núcleos y así producir neutrones en grandes cantidades. Estos aparatos se usan para estudiar procesos de otras disciplinas, como la biología, así que sirven de enlace con el resto de la ciencia. Hoy en día la industria de las radiaciones (fuentes de radiación, detectores, aceleradores, electrónica de pulsos, equipos médicos, reactores nucleares, dosímetros) y técnicas asociadas (computación, alto vacío, equipos analíticos, técnicas de estudio de superficies y capas delgadas, multitud de aplicaciones específicas) es una industria madura y sólida, integrada por un gran número de empresas de variadas actividades: manufactura, servicios,asesoría, enseñanza. Vale la pena mencionar que casi todos estos avances han sido desarrollados por físicos, tanto teóricos como prácticos, tanto en el medio académico como el empresarial y el gubernamental, tanto en el ámbito nacional como el internacional. De manera natural, la industria de las radiaciones ha sido, y es, una fuente importante de empleos para físicos de los niveles técnico, profesional, y de posgrado. Ante este escenario ¿Qué podemos esperar de la ciencia de las radiaciones en este siglo? Sin duda, la industria de las radiaciones irá creciendo y diversificándose, pues sus aplicaciones están distribuidas ampliamente y la industria se encuentra bien afianzada. Las necesidades, en particular de las aplicaciones médicas y de la industria nuclear, lo garantizan.Hay una continua búsqueda por mayor eficiencia y mayor precisión en los aparatos. También los proyectos de investigación y desarrollo, grandes y pequeños, requerirán del mayor desarrollo de las industrias A la par se irá desarrollando la industria del alto vacío, pues es indispensable para proyectos de alta tecnología. Aquí, por el estilo modular de muchos de los equipos de alto vacío, uno puede adquirir instrumentos diseñados ad hoc para ciertas aplicaciones, o ir armando gradualmente el aparato. Esto es útil en particular para los proyectos de investigación y desarrollo. La ciencia de las radiaciones ha pasado de la etapa de investigación básica a la de aplicaciones. Los fenómenos físicos básicos se explican con modelos bien conocidos. Aunque nunca puede uno descartar sorpresas, no se esperaría ninguna novedad en el área de ciencia básica. En todo caso, se podrían afinar y perfeccionar los modelos con la ayuda de la computación moderna.