Tema 1. Fundamentos Físicos y Equipos PDF

tema 1. caracterización de las radiaciones y las ondas Unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros Átomo o ionizad...

tema 1. caracterización de las radiaciones y las ondas Unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros Átomo o ionizados. Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está compuesto de uno o más protones y un número similar de neutrones. Es la menor cantidad de energía que puede transmitirse en cualquier longitud de Cuanto (quantum) onda. Energía Capacidad de realizar un trabajo, se mantiene constante. Estudia las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia, así como sus Física relaciones con el tiempo y el espacio. Es la partícula elemental responsable de las manifestaciones del fenómeno Fotón electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética. Propiedades corpusculares y ondulatorias. Propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio (presión, campo Onda eléctrico o magnético), a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. Propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas Radiación subatómicas a través del vacío o de un medio material. Especialidad médica y odontológica que se ocupa de generar imágenes del interior Radiología del cuerpo mediante diferentes agentes físicos y de utilizar estas imágenes para el diagnóstico. Radiación electromagnética ionizante de alta energía que atraviesa cuerpos opacos a Rayos X la luz ordinaria, con mayor o menos facilidad, según sea la estructura de la materia. 1. Introducción a la física radiológica. 1.1. Estructura física de la materia. El átomo. Átomo. Partícula más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus propiedades químicas. Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones que orbitan alrededor del núcleo. Partícula Carga (C)(Culombio) Masa (Kg) Electrón (e) -1,602 · 10 -19 9,10 · 10-31 Protón (p) +1,602 · 10-19 1,67 · 10-27 Neutrón (n) 0 1,67 · 10-27 El núcleo atómico es el 99,94% de la masa del átomo y está compuesto por protones (+) y neutrones. z Xa Número atómico Z = el número de protones en el núcleo. Número masico A = protones y neutrones del núcleo de un átomo. X = elemento químico. A = Z+N Los elementos que presentan el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se llaman isótopos (diferentes masas, mismo elemento). Los átomos pueden unirse a otros átomos para formar moléculas. La capacidad de los átomos de asociarse y disociarse es responsable de la mayor parte de los cambios físicos observados en la naturaleza. La forma en la que los electrones se disponen en los átomos determina la configuración electrónica de ese elemento. El número de electrones de un elemento tiene correspondencia con el orden creciente del número atómico (el átomo neutro tiene mismo número de electrones y protones). En su estado fundamental (neutro) esta configuración sigue una serie de principios: -Principio de energía mínima. Los electrones se colocan en los orbitales disponibles de menor energía (más cerca del núcleo). -Principio de exclusión de Pauli. Plantea una limitación del número de electrones que puede contener cada orbital, de manera que solo podrá haber dos electrones en cada uno de los subniveles orbitales. -Principio de máxima multiplicidad o de Hund. Mientras sea posible, los electrones de un mismo nivel de energía se distribuirán manteniendo sus espines paralelos (giran en el mismo sentido). 1.2. Modelos atómicos. El modelo de Schrödinger (1926). No fija trayectorias determinadas para los electrones, si no la probabilidad de que se hallen en una zona del orbital. Aparecen los números cuánticos (n) para hablar de regiones (orbitales) donde la probabilidad de encontrar al electrón orbitando alrededor de un átomo o molécula es máxima. Los enlaces entre moléculas se producen mediante el solapamiento de estos orbitales. 1.3. Energía en el átomo. En torno al núcleo se definen niveles de energía en una escala de capas. Cada una de estas capas contiene un número concreto de orbitales y cada orbital puede contener hasta dos electrones. Niveles de energía. Los electrones se organizan en niveles de energía numerados (n = 1, 2, 3,...). -Subniveles. Cada nivel tiene subniveles designados como s, p, d y f, que pueden albergar un número específico de electrones: ·s: 2 electrones. ·p: 6 electrones. ·d: 10 electrones. ·f: 14 electrones. Estas capas electrónicas (n) están definidas por un nivel concreto de energía y se encuentran a diferentes distancias del núcleo, por lo que los electrones que las ocupan experimentan distintas fuerzas. Las capas o niveles energéticos pueden denominarse por números enteros (n) entre uno y siete, siendo n=1 el nivel más próximo al núcleo y de menor energía orbital y n=7 el más alejado y de mayor energía. Es frecuente llamar a estas capas K, L, M, N, O, P, Q que representan la distancia al núcleo y energía. Energía de ligadura. El núcleo ejerce fuerzas de atracción electrostática sobre los electrones, que es mayor cuanto más próximo se encuentra al núcleo. -Configuración electrónica. Periodos/Filas. Están todos los elementos con igual número de niveles energéticos. El nº de la capa electrónica más alejada es igual a su periodo en la tabla periódica. Grupos/Columnas. Los átomos tienen la misma configuración electrónica de la última capa. El nº de electrones en la capa más alejada de un átomo es igual a su grupo en la tabla periódica y determina la valencia de un átomo. -Niveles de energía. En cada capa caben un cierto número de electrones. Las capas electrónicas son numeradas en orden, partiendo de la más cercana al núcleo. El número máximo de electrones en cada periodo es de 2·n2 (válido hasta n=4). ·Capa K. n=1. Está presente en todos los elementos. ·Capa L. n=2. ·Capa M. n=3. ·Capa N. n=4. ·Capa O. n=5. Capa (n) Nº máximo de e- 1 2 2 8 3 18 4 32 Capa de valencia =última capa. Nº de valencia = e- en la última capa. La capa exterior siempre está limitada a albergar como máximo 8 electrones. Esta energía de enlace o ligadura entre electrones y núcleo se reduce a medida que las capas se alejan del núcleo. Para que un electrón pase de una órbita próxima al núcleo a otra más alejada, el sistema debe absorber la energía suficiente para vencer la atracción electrostática entre ambos (núcleo-electrón), mientras que, si el salto se produce en sentido contrario, la energía será emitida por el sistema. El electrón puede absorber y emitir energía en forma de radiación electromagnética. La frecuencia de esta radiación tendrá un valor concreto que corresponderá a una determinada cantidad de energía que depende de la diferencia de energía de los dos niveles entre los que se ha movido el electrón y que están cualificados. Los electrones se representan en niveles concretos (escalones) sin posibilidad de ocupar estados intermedios. La absorción de energía permite al electrón ascender a orbitales de mayor energía y la desexcitación supone un retorno al estado fundamental con la emisión de energía correspondiente. Gran parte de las interacciones que se dan entre los átomos se producen como consecuencia de la configuración electrónica de la capa externa. Los electrones de esa capa se denominan electrones de valencia y son los responsables de la reactividad de ese átomo, por lo que se puede decir que los átomos son más estables cuando tienen completa su capa de valencia.  2. Radiación electromagnética y de partículas. Radiación. Es la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación electromagnética se propaga como paquetes de energía sin masa ni carga eléctrica denominados cuantos o fotones, mientras que la radiación corpuscular es transmitida en forma de partículas subatómicas (α, β o neutrones) que portan energía a causa de su movimiento. La radiación electromagnética recibe nombres diferentes en función de su longitud de onda y su frecuencia. -Radiación ionizante. Es la radiación que transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa. -Radiación no ionizante. No transporta energía suficiente para provocar ionización en el medio que atraviesa. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de si es corpuscular u ondulatoria. Espectro electromagnético. Es la forma en la que se organizan distintos tipos de radiación electromagnética en función de su longitud de onda y frecuencia. Dualidad onda-partícula. Comportamiento dual que se produce en la propagación de energía, las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa. Las principales características que definen la radiación electromagnética son: ·Se propaga a través de campos electromagnéticos que son perpendiculares entre sí y también son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Estos paquetes de energía se llaman cuantos o fotones. ·La radiación electromagnética no tiene masa, ni carga eléctrica, pero si porta energía. ·Se adaptan al principio de dualidad onda-corpúsculo. ·La energía de los fotones depende de su frecuencia, según la expresión: E=h·f h = 6,62 · 10-34 J/s constante de Planck. f = frecuencia. ·La energía de los fotones se relaciona también con la longitud de onda. E = h·c / λ C = velocidad de la luz. h = constante de Planck. λ = longitud de onda. ·La radiación electromagnética experimenta los fenómenos de reflexión, refracción y polarización. 2.1. Energía. Energía. Se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo o suministrar calor, su unidad de medida en el S.I es el Julio (J). 1J = 1 Newton · metro (J = N·m). -Energía potencial. Es la que posee un objeto en función de su posición o de su deformación (volumen de agua retenido en un embalse o electrón según su posición alejada del núcleo). Cuando esa energía potencial se da en enlaces químicos se llama energía química, la energía potencial se calcula: Ep = m·g·h. m = masa. g = gravedad. h = la distancia al plano o a la altura. -Energía cinética. Es la que tiene un cuerpo debido a su movimiento, se puede definir como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo hasta una velocidad determinada. Hablamos de energía térmica si se refiere al movimiento molecular. Ec = ½ mv2 m = masa del cuerpo. v= velocidad. Existen deferentes formas de manifestar las energías potencial y cinética, pudiendo pasar de una a otra mientras la energía total del sistema se mantiene constante, se conoce como principio de conservación de la energía mecánica: EM total = EC + EP La física moderna considera que la materia que participa en el sistema también contribuye a la conservación de la energía total de este. Einstein lo planteó como la ley de conservación masa-energía: E = m·c2 m = masa. c = velocidad de la luz. E = energía. En el caso de las partículas que se aproximan a la velocidad de la luz, las ecuaciones de física clásica dejan de cumplirse. Defecto masa. Se verifica que la masa del conjunto del núcleo es sensiblemente menor que la suma de las masas de sus partículas por separado, este defecto de masa del núcleo se corresponde con la energía de enlace. La pérdida de masa observada se debe a que cada partícula emplea un poco de su energía en permanecer ligada a las demás (energía de ligadura), por eso al separar un núcleo las partículas no necesitan emplear energía y la recuperan como masa, ya que la masa es una forma de energía (ley de conservación masa- energía) Aunque la unidad de energía en el S.I sea el julio, podemos optar por el electronvoltio (eV) como unidad útil de trabajo y energía a nivel atómico. Es la cantidad de energía cinética adquirida por un electrón cuando es acelerado desde el reposo a través de una diferencia de potencial de 1 voltio en el vacío. 1eV = 1,602·10-19 J. Si aplicamos un potencial de 1 kilovoltio, el electrón adquirirá una energía de 1 kiloelectronvoltio. La relación entre julios (J) y electronvoltios (eV) puede calcularse a partir de la ecuación: E= e·V e = carga del electrón (1,6·10-19 columbios). V= diferencia de potencial en voltios. 2.2. Espectro electromagnético. El espectro electromagnético es la distribución del conjunto de ondas electromagnéticas. La radiación electromagnética de cualquier rango del espectro es esencialmente igual, y se diferencia únicamente por su frecuencia (f) y su longitud de onda (λ). La ecuación de ondas relaciona estos parámetros con la velocidad (v), expresando que: v= f· λ. v = velocidad. f = frecuencia. λ = longitud de onda. El valor de la longitud de onda determina el tamaño de los objetos con los que interacciona la radiación. 3. Radiación ionizante y no ionizante. Para la obtención de imágenes diagnosticas se necesita emplear radiación. Esta radiación porta energía que, al interactuar con la materia, puede o no puede modificar la estructura atómica de esta. Para entender el fenómeno de la ionización resulta interesante conocer los estados en los que puede encontrarse el átomo. Un átomo se encuentra en estado fundamental cuando está en el nivel de mínima energía, sus electrones ocupan las capas más cercanas al núcleo y no está perturbado externamente. Por lo contrario, al aportar energía adicional al átomo (por la absorción de un fotón, calentamiento a alta temperatura o excitación eléctrica) los electrones pueden pasar a un estado excitado. Saltos cuánticos de los electrones entre los orbitales. Una vez cesa la excitación el electrón regresa a su estado fundamental liberando ese exceso de energía como radiación electromagnética. Si el fotón que incide sobre la materia tiene suficiente energía como para expulsar el electrón del átomo, el átomo quedará convertido en ion positivo (catión) o negativo (anión), es decir se ionizara. Las radiaciones capaces de producir esta expulsión de electrones en los átomos se llaman radiaciones ionizantes. De todo el espectro de radiaciones electromagnéticas, solo tienen energía suficiente para producir ionizaciones aquellas con frecuencias comprendidas entre los 1017 y 1024 Hz, es decir los rayos X y la radiación gamma. Su elevada frecuencia y su reducidísima longitud de onda las hacen portadoras de alta energía y una gran capacidad de penetración. Las radiaciones menos energéticas del espectro son no ionizantes, alguna de ellas se emplea para el diagnóstico por imagen, como la radiofrecuencia usada en la resonancia magnética o las ondas mecánicas de sonido que se usan en ecografía. 3.1. Interacciones de la radiación con la materia. Los fotones interaccionan más fácilmente con la materia de un tamaño más parecido a su longitud de onda, de esta forma las ondas de radio cuya longitud de onda se mide en metros interaccionan con antenas de tamaño similar, las microondas que se midan en cm con objetos de esas mismas dimensionas, la luz visible cuya longitud de onda se mide en nanómetros estimula células del ojo y los RX y gamma con longitudes de onda aún más pequeñas interaccionan con átomos y estructuras subatómicas. Las diferentes energías del espectro solo difieren en sus frecuencias y sus longitudes de onda. Un fotón de rayos X, un fotón de luz visible o de radiofrecuencia son esencialmente lo mismo, excepto que sus diferentes les dotan de diferentes energías. En función de su energía, se dice que las radiaciones que poseen altas frecuencias (alta energía: rayos X y gamma) se comportan como partículas y que las radiaciones de frecuencias más bajas (radiofrecuencia, microonda o luz visible) se comportan como ondas. Las interacciones entre la radiación de partículas y la materia se originan en núcleos inestables con exceso de energía interna que tienden a estabilizarse expulsando este exceso de energía en forma de partículas (electrones, partículas α, β o neutrones) o radiación electromagnética gamma. A este tipo de átomos naturalmente inestables se les denomina radiactivos y las partículas subatómicas que liberan pueden ionizar átomos por estar dotadas de gran velocidad (cercana a la de la luz y por tanto de alta energía cinética. -Partículas alfa (α). Son muy pesadas, formadas por conjuntos de dos protones y dos neutrones con mucha energía, lo que hace que interaccionen con casi cualquier partícula que se encuentre en su trayecto, causando gran número de ionizaciones en corta distancia y repartiendo su energía con gran rapidez, pero con escasa penetración. -Partículas beta (β). Se originan cuando un núcleo expulsa una partícula β, un neutrón es transformado en un protón, y se emite un electrón. Las partículas β tienen carga negativa y una masa muy pequeña, por lo que interaccionan menos con la materia que las α, pero son más penetrantes, son detenidas por capas delgadas de plástico o de metales ligeros como el aluminio. -Neutrones. Son partículas sin carga eléctrica, procedentes de desintegraciones radiactivas espontáneas o artificiales dentro de reactores nucleares. Su masa es cuatro veces inferior a la de las partículas alfa, por lo que tienen una gran energía y son muy penetrantes, al no sufrir apenas interacciones con la materia que van atravesando. Se pueden absorber con determinados elementos químicos como el cadmio o el boro y a continuación hormigón o plomo. -Decaimiento gamma. No transforma un nucleido en otro, si no que el núcleo pierde energía almacenada en exceso, como resultado de una desexcitación, emitiendo un fotón. La radiación gamma es radiación electromagnética con origen nuclear cuyos fotones son muy energéticos. La diferencia fundamental con los fotones de rayos X es que estos se originan por interacciones en los orbitales mientras que la radiación gamma tiene origen nuclear. 4. Ondas materiales y ultrasonidos. El sonido a diferencia de la luz no puede considerarse una sucesión de cuantos o fotones y se propaga como una perturbación o vibración a través de las moléculas de un medio. Las ondas materiales (sonido y ultrasonidos) a diferencia de las electromagnéticas, necesitan un medio para propagarse. La consideración de sonido audible consiste en ondas sonoras de un rango de frecuencias entre 20Hz a 20kHz que se producen cuando las variaciones de la presión del aire son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. Son necesarias dos condiciones para que exista sonido: ·Fuente de vibración mecánica. Puede ser un diapasón, la cuerda de una guitarra o una sonda de ultrasonido. ·Medio elástico a través del cual se propague la perturbación. Sólido, líquido o gas. Las moléculas en contacto con la fuente de vibración se comprimen y se expanden alternativamente, transmitiendo una onda. Las regiones en las que hay mayor número de moléculas se comprimen (compresiones) mientras que las regiones que tienen un número relativamente menor de moléculas se expanden (rarefacciones). Las compresiones y rarefacciones se alternan a través del medio en la dirección de la propagación de la onda. En los fluidos el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión, mientras que en los sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. Los ultrasonidos englobarían el rango de frecuencias que no puede percibir el oído humano (superiores a 20kHz). En el ámbito médico, frecuencias entre 1MHz y 14 MHz se emplean con fines terapéuticos y diagnósticos. 4.1. Caracterización de las ondas periódicas. -Dirección de propagación. ·Ondas longitudinales. Las partículas del medio se mueven (o vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda (la voz). ·Ondas transversales. Las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda (ondas sísmicas). -Velocidad. La velocidad de las ondas sonoras está muy influida por las características del medio por el que transitan. El sonido viaja en el aire a una velocidad de 340 m/s, mientras que en el hueso lo hace a 3.000 m/s, esto se debe a las diferencias de compresibilidad y elasticidad. El sonido se desplaza más rápidamente en los materiales más rígidos y con más lentitud en líquidos y gases, que se comprimen con más facilidad. -Intensidad. El sonido transmite energía (como todas las ondas) que se puede medir a través de un parámetro que se llama intensidad acústica. En términos de magnitudes, se expresaría como energía que atraviesa por un área por unidad de tiempo (w/m2). La unidad de la intensidad o potencia acústica es el decibelio(dB), considerando 0dB el umbral mínimo audible. Disminuye a medida que se alejan de la fuente u origen según el inverso del cuadrado de la distancia (1/d2). -Frecuencia. Es el número de veces que se repite la perturbación o vibración en el tiempo. Se mide en ciclos por segundo y su unidad es el hercio (Hz). -Longitud de onda (landa). Es la distancia que hay entre dos puntos consecutivos con la misma fase de onda, se mide en metros. Cuanto menor es la longitud de onda mayor es la frecuencia. -Amplitud. Es la distancia vertical entre el punto más alto (cresta) y el punto medio de la onda (eje). Pueden existir ondas cuya amplitud sea variable con el paso del tiempo. La intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud. -Periodo. Es el tiempo entre puntos equivalente consecutivos. La impedancia acústica (Z). La cantidad de oposición que presenta un medio a las ondas de sonido que intentan atravesarlo. La impedancia es una característica del material, constante. Z0 = ρ · c ρ = densidad. c = velocidad del sonido en el material. 4.2. Comportamiento de las ondas. Las ondas materiales sufren modificaciones al interactuar con diferentes medios. Cuando una onda atraviesa un medio o cambia de un medio a otro, pierde energía, esto se conoce con el nombre de atenuación. Esta atenuación es consecuencia de diferentes fenómenos que modifican la onda: -Reflexión o eco. Supone que una onda o parte de ella regresa al medio del que procede cuando se encuentra con un obstáculo que no puede atravesar ni rodear. -Refracción. Supone un cambio de dirección en la onda cuando está en un medio donde su velocidad es diferente. -Difracción. Se basa en la desviación de una onda al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. -Interferencia. Es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor longitud. En muchas ocasiones difracción o interferencia no pueden distinguirse. La velocidad e intensidad del sonido están muy condicionadas por las características del medio que atraviesa. La densidad, elasticidad y compresibilidad del medio afecta a la velocidad de propagación. En los diferentes tejidos blandos corporales, la velocidad de la onda sonora es muy parecida, esto se debe a que las diferencias en las impedancias acústicas (Z) entre ellos es moderada y permite que la onda penetre más y refleje menos. Las grandes diferencias de impedancia en las interfases entre tejidos se traducen en reflexiones de la onda mayores (cuando una onda atraviesa un vientre muscular y llega a una superficie ósea: la diferencia de Z entre músculo y hueso es alta, por lo que se refleja gran parte de la onda). El motivo por el que se emplea un gel para realizar las ecografías es para ajustar o igualar estas impedancias, lo que facilita la penetración de la onda desde el transductor al tejido. Efecto Doppler. Consiste en la variación en la frecuencia del sonido que percibe el receptor cuando la fuente se mueve respecto a él. La generación de ondas de ultrasonido para uso médico se consigue mediante el empleo de materiales piezoeléctricos. Estos materiales pueden producir electricidad cuando se someten a presión y vibración a altas frecuencias cuando se someten a un potencial eléctrico.