Tema 1. Radiaciones y Ondas PDF
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Este documento presenta una introducción a los conceptos previos sobre radiación y ondas, incluyendo la radiación ionizante y no ionizante, la radiación electromagnética y de partículas, las ondas materiales y ultrasonidos, y el magnetismo. Se discute la estructura atómica y los fenómenos relacionados con la propagación de ondas.
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1. INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS PREVIOS 2. RADIACIÓN IONIZANTE Y NO IONIZANTE 3. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y DE PARTÍCULAS 4. ONDAS MATERIALES Y ULTRASONIDOS 5. MAGNETISMO Y APLICACIONES TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS PREVIOS Estructura atómic...
1. INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS PREVIOS 2. RADIACIÓN IONIZANTE Y NO IONIZANTE 3. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y DE PARTÍCULAS 4. ONDAS MATERIALES Y ULTRASONIDOS 5. MAGNETISMO Y APLICACIONES TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS PREVIOS Estructura atómica de la materia Un átomo es la partícula más pequeña que forma cualquier sustancia y que posee propiedades químicas determinadas. Los átomos están formados a su vez por partículas de menor tamaño: protones, neutrones y electrones. Se distribuyen en dos partes claramente diferenciadas: núcleo y corteza. El núcleo está formado por los protones y los neutrones; en conjunto se denominan nucleones. Los protones presentan carga eléctrica positiva y los neutrones no presentan carga. Al número de protones se le denomina número atómico Z. A la suma de neutrones y protones se le llama número másico. No confundir el número atómico con la masa atómica: el primero es un número entero que indica los nucleones del núcleo y el segundo es la masa en kilos de esas partículas. La corteza la forman los electrones. Estos son partículas muy pequeñas con carga negativa. Se mueven alrededor del núcleo describiendo órbitas. La capa más externa donde encontrar electrones se denomina capa de valencia. El número de electrones es igual al número de protones con lo que el átomo es eléctricamente neutro. Isótopos Átomos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Al mantener el número Z presentan las mismas propiedades químicas. Son el mismo elemento, pero con distinta masa. TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS RADIACIÓN IONIZANTE Y NO IONIZANTE Desintegración Proceso por el que algunos núcleos se rompen y emiten radiación. A estos isótopos susceptibles a este proceso se les conoce como inestables o radiactivos. Los que nunca se desintegran son estables. Se pueden originar diferentes tipos de radiación: ❖ Radiación alfa: partículas muy pesadas, poco penetrante, muy ionizantes ❖ Radiación beta: electrones (-) y positrones (+). Más penetrante pero menos ionizante ❖ Radiación gamma: radiación de alta energía Actividad→ número de desintegraciones por segundo de una muestra radiactiva. Se mide en bequerelios (Bq). Periodo de semidesintegración→ tiempo que tarda en reducirse la actividad a la mitad. Es característico de cada isótopo radiactivo. Excitación. Ionización Cuando los electrones se encuentran en su posición habitual el átomo se encuentra en su estado fundamental. Cuando aportamos energía suficiente para que el electrón “salte” a una capa superior decimos que está excitado. Este proceso es la excitación. Cuando vuelve a su posición inicial libera energía (en forma de rayos X) y se produce la desexcitación. Cuando la energía que aportamos es más fuerte puede arrancarse un electrón. En este caso se originaría un ión. Este proceso es conocido como ionización. Las radiaciones con suficiente energía para provocarlo se conocen como radiaciones ionizantes. Radiaciones no ionizantes o de baja energía: No tienen capacidad de ionizar el átomo, por lo que tiene menos efecto sobre el organismo. Realizan un efecto mecánico, térmico y fotoquímico sobre el tejido. Éstas incluyen las radiaciones ópticas (por ejemplo, ultravioleta) y campos electromagnéticos (por ejemplo, microondas). RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y DE PARTÍCULAS La radiación es la transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. Las radiaciones que no necesitan un medio físico para desplazarse son las ondas electromagnéticas (se pueden desplazar en el vacío). La radiación electromagnética se propaga mediante fotones (energía sin masa ni carga eléctrica) y la radiación corpuscular se transmite mediante partículas subatómicas (alfa, beta o neutrones) que sí son portadoras de energía. Los diferentes tipos de radiación electromagnética se organizan en función de su longitud de onda y de su frecuencia, esto se conoce con el nombre de espectro electromagnético. Las radiaciones ordenadas por sus longitudes de onda y sus frecuencias se organizan en rangos llamados igual que las radiaciones que se dan en cada uno de ellos; radiofrecuencia, radiación IR, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. De todo el espectro de radiaciones electromagnéticas, sólo aquellas comprendidas entre unas determinadas frecuencias son las que tienen suficiente energía para producir ionizaciones, es decir, rayos X y rayos gamma. TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS Su alta frecuencia y su baja longitud de onda les confiere alta energía y gran capacidad de penetración. Las radiaciones menos energéticas del espectro son no ionizantes y algunas se utilizan para el diagnóstico por imagen como por ejemplo los ultrasonidos. Las radicaciones con altas frecuencias, (rayos X y gamma) se comportan como partículas y las radiaciones de frecuencias más bajas (radiofrecuencia, microonda o luz visible) se comportan como ondas, aplicando el concepto de dualidad onda-partícula. Podemos clasificar las radiaciones según su naturaleza y según su efecto biológico. ONDAS MATERIALES Y ULTRASONIDOS Las ondas materiales son aquellas que solo pueden transmitirse a través de un medio material (por ejemplo, ondas de choque, etc.). Sin embargo, como hemos comentado anteriormente, las ondas electromagnéticas no son de este tipo de ondas, no requieren de un medio material para su propagación. El sonido es una onda de tipo longitudinal de mayor interés en imagen para el diagnóstico; la perturbación que realiza se debe a un cambio de presión que puede ser periódica o no. Características de la onda sonora: Longitud de onda: Es la distancia que recorre una onda en un intervalo de tiempo determinado. Frecuencia: Son los números de ciclos (ondas completas) producidos por unidad de tiempo. Se mide en hertzios, que son los ciclos que se producen en un segundo. Existe un rango de frecuencia en los que los cambios de presión pueden ser captados por el oído humano, se denomina rango audible del sonido, comprendido entre 20 Hz hasta los 20 KHz. Amplitud: Es la cantidad de energía contenida en una señal sonora TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS Fenómenos físicos que influyen en la propagación del sonido Absorción: Se produce cuando la onda sonora llega a una superficie y una parte de la energía es absorbida por el objeto interpuesto (aunque la gran mayoría de la energía es reflejada). Reflexión (eco): Si la onda incide sobre un objeto, que no puede traspasar, se refleja, rebotando hacia el medio de dónde procede, es decir, en el sentido inverso de la dirección de la onda. Refracción: Es el desvío de las ondas en la dirección hacia dónde se propagan, se produce cuando la onda cambia de medio por donde atraviesa, produciéndose un cambio de la velocidad de propagación del sonido, siendo el sentido de las ondas igual. Dispersión o difracción: Si el sonido encuentra obstáculos en su trayectoria se dispersa, dando lugar a diferentes ondas con diferentes velocidades. Atenuación de los sonidos: el sonido cuando atraviesa los tejidos va perdiendo energía mediante los procesos de difusión, reflexión y calor. Velocidad de propagación del sonido: Es la distancia recorrida por la onda en unidad de tiempo. La velocidad del sonido dependerá del material por el que se propague. Por ejemplo, en medios sólidos es más rápido que en líquidos. Efecto Doppler: Es la variación de la frecuencia del sonido, percibido por un receptor, cuando se produce un movimiento de la fuente emisora con respecto al receptor; si se acercan la frecuencia aumentan, si se alejan la frecuencia disminuye. Ultrasonidos Los sonidos con frecuencias superiores que no pueden ser percibidos por el ser humano, se denominan US. Los utilizados en medicina se generan por el efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico es la propiedad que poseen algunos materiales, que cuando se les aplica una corriente eléctrica, se contraen y se dilatan generando unas vibraciones. Para que se produzca el ultrasonido, la vibración debe ser superior a los 20 KHz. Cuando los ultrasonidos llegan a superficies de separación entre diferentes materiales se produce reflexiones que pueden ser captadas por el equipo, es decir, aprecia diferencias de densidades. A partir de estas ondas se crean imágenes diagnósticas Alcance de los Ultrasonidos: Conociendo la velocidad de propagación, podemos determinar la distancia entre el transductor (dispositivo que desplazamos sobre el cuerpo) y las estructuras que visualizamos. Impedancia acústica: Es la resistencia que presentan los tejidos al paso de los ultrasonidos. Los aparatos de ultrasonido tienen como fundamento la detección del sonido reflejado, que es el eco de este sonido. Por lo tanto, debe haber una interfase reflectora para que se produzca el eco, que será recogido por el ordenador. La densidad y la velocidad de propagación en el interior de un tejido, determina la impedancia de éste. Al ser un tipo de radiación no ionizante, es usada en embarazadas como primera elección, con el fin de no hacer daño al feto, aun así, puede ser usada en todas las edades y en diferentes pruebas diagnósticas. TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS Las ondas se introducen en el organismo (la atenuación de éstas y la profundidad que alcancen dependen de su frecuencia) de manera que el ultrasonido produce una reflexión cuando llega a la superficie de separación de los distintos materiales, que es captada por el equipo a través de la sonda. Esta sonda es altamente sensible a las diferencias de densidad entre los distintos materiales. Se obtienen imágenes a partir de estas ondas reflejadas. El efecto Doppler es muy práctico para calcular la dirección y la velocidad de fluidos, como la sangre en el aparato cardiocirculatorio. En relación con este efecto, los incrementos de las frecuencias son mucho mayores en el sentido del movimiento, mientras que en el sentido contrario del movimiento el incremento de las frecuencias es menor. MAGNETISMO Y APLICACIONES El magnetismo es una propiedad de ciertos materiales para atraer a otros materiales. Los objetos con magnetismo se denominan imanes, pueden ser temporales y permanentes según si pierden o no la característica del magnetismo. El hierro, el cobalto o el níquel son materiales que, de forma evidente, tienen esta propiedad. El imán natural se llama magnetita. Los imanes giran libremente y se orientan en dirección norte o sur, de manera que la zona del imán que señala el Norte se llama polo norte y la que señala al sur se denomina polo sur. Al acercar dos imanes los polos contrarios se atraen y los polos iguales se repelen (efecto de atracción y repulsión). Esa capacidad de atracción se denomina fuerza magnética. Se llama campo magnético a un espacio en el cual tienen lugar fenómenos magnéticos. El campo magnético no se trata de la fuerza en sí, sino de un espacio en el que esa fuerza se ejerce como resultado del movimiento de cargas eléctricas. El campo magnético se representa por el trazado de unas líneas imaginarias que indican su dirección y magnitud. Algunas de sus características son: Tiene un polo norte y otro sur, los polos opuestos se atraen, se puede generar a partir de corrientes eléctricas en movimiento o de imanes, de tal forma que el campo magnético está generado por la interacción entre un material magnético y una corriente eléctrica. Los campos magnéticos pueden ser estáticos o variables según varíen o no con el tiempo. Sobre la fuerza magnética, decimos que si tenemos una carga X (en movimiento) en un campo magnético, vemos que la fuerza magnética es proporcional a la carga de la partícula y, también, a la velocidad de la partícula TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS TEMA 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS Dipolos magnéticos Un dipolo es un elemento con dos campos magnéticos diferentes, de signo opuesto. Por ejemplo, un imán es un dipolo magnético porque la parte de arriba del imán tiene el polo positivo y la parte de abajo del imán tiene el polo negativo, es decir, tiene dos cargas de sentido opuesto y, además, ambas partes interactúan entre sí. Es similar al campo magnético que se genera en un circuito eléctrico cuando la distancia existente es mucho mayor que las dimensiones de dicho dipolo. Un ejemplo de dipolo podría ser el campo magnético de la tierra. La interacción magnética se representa por líneas de campo que se dirigen desde su polo positivo hacia su polo negativo. Las líneas se disponen de la forma energéticamente más favorable. El momento magnético en un imán es lo que define la fuerza que el imán ejerce sobre las corrientes eléctricas; es un vector con una dirección y una magnitud, su sentido se dirige desde el polo sur al polo norte del imán. Hay varios tipos de dipolos: dipolos eléctricos y dipolos magnéticos. La diferencia entre estos tipos es que la interacción que hemos dicho, que había entre los dos polos, son de tipo magnético en el caso de dipolos magnéticos y de tipo eléctrico en el caso de dipolos eléctricos. Aplicaciones La utilidad del magnetismo es muy amplia. Son conocidas sus aplicaciones para obtener imágenes a través de la resonancia magnética (RM). El mecanismo de funcionamiento de la RM consiste en aprovechar que los protones (que como sabemos pertenecen al núcleo del átomo) generan un campo magnético al girar sobre sí mismos, denominándose este movimiento espín. La técnica se basa en las propiedades magnéticas de los núcleos de hidrógeno, presentes de forma abundante en los tejidos corporales. Los núcleos de átomos de hidrógeno son excitados por señales de radiofrecuencia al encontrarse en el interior de un campo magnético (el átomo de hidrógeno es el más adecuado para este proceso, por tener sólo un protón). Si sometemos estos núcleos a un campo magnético estático, los protones se orientan en la dirección de este campo. Si después le aplicamos un campo magnético variable, se produce un movimiento de oscilación de los núcleos, cuando cesamos esta onda, al volver los átomos a su estado inicial, se libera el exceso de energía como una onda electromagnética que no tiene suficiente energía para producir una ionización, de ahí que la RM no es radiación ionizante. Esta radiación es captada por una antena y permite la obtención de imágenes por RM De esta forma se crean imágenes y cortes del interior del cuerpo en los 3 planos del espacio (sagital, coronal y transversal). Entre las indicaciones para la RM se encuentran: patologías de columna vertebral (permite una diferenciación de estructuras blandas y parte ósea), estudio del sistema nervioso central, tumores, patología músculo – esquelética (tendinitis, roturas, distensiones, etc.).