4.06.2015

FÍSICA NUCLEAR


UNIVERSIDAD COLEGIO MAYOR DE CUNDINAMARCA

FACULTAD CIENCIAS DE LA SALUD

ASIGNATURA: BIOFISICA 
PROFESOR: JOHN FREDY SALAS RODRÌGUEZ

PRESENTADO POR: 
MÓNICA ALEJANDRA MANRIQUE PINZÓN
LUIS DAVID MERCHÁN TRIANA

FÍSICA NUCLEAR


La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. En un contexto más amplio, se define la física nuclear y de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas. Así mismo, la física nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad, por el aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear.  

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LINEA DE TIEMPO

  • La radiactividad fue descubierta en las sales de uranio por el físico francés Henry Becquerel en 1896.
  • En 1898, los científicos Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza, el polonio (Po) y el radio (Ra).
  • En 1913 Niels Bohr publicó su modelo de átomo, consistente en un núcleo central compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de la masa del átomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas cargadas casi sin masa (electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del orden del angstrom (10-10m), el núcleo puede medirse en fermis (10-15 m), o sea, el núcleo es 100 000 veces menor que el átomo.
  • Ernest Rutherford en el año 1918 definió la existencia de los núcleos de hidrógeno. Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, cuyo número atómico se sabía que era 1, debía ser una partícula fundamental. Se adoptó para esta nueva partícula el nombre de protón sugerido en 1886 por Goldstein para definir ciertas partículas que aparecían en los tubos catódicos.
  • Durante la década de 1930, Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie obtuvieron los primeros nucleidos radiactivos artificiales bombardeando boro (B) y aluminio (Al) con partículas αpara formar isótopos radiactivos de nitrógeno (N) y fósforo (P). Algunos isótopos de estos elementos presentes en la naturaleza son estables. Los isótopos inestables se encuentran en proporciones muy bajas.
  • En 1932 James Chadwick realizó una serie de experimentos con una radiactividad especial que definió en términos de corpúsculos, o partículas que formaban esa radiación. Esta nueva radiación no tenía carga eléctrica y poseía una masa casi idéntica a la del protón. Inicialmente se postuló que fuera resultado de la unión de un protón y un electrón formando una especie de dipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaron esta idea llegando a la conclusión de que era una nueva partícula procedente del núcleo a la que se llamó neutrones.
  • Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear en 1938. Cuando se irradia uranio con neutrones, algunos núcleos se dividen en dos núcleos con números atómicos. La fisión libera una cantidad enorme de energía y se utiliza en armas y reactores de fisión nuclear. 
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_nuclear


RADIACTIVIDAD 


La radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine Henri Becquerel en 1896 de forma casi ocasional al realizar investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio. Descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio, después se vería que hay otros elementos que la poseen, de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad.
El descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el tema. Quizás las más importantes en lo referente a la caracterización de otras sustancias radiactivas fueron las realizadas por el matrimonio, también francés, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.
La naturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que se llamó alfa, beta y gamma, y que al final del proceso el átomo radiactivo original se había transformado en un átomo de naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una transmutación de una especie atómica en otra distinta. También se dice (y esta es la terminología actual) que el átomo radiactivo ha experimentado una desintegración.
La radiactividad es una reacción nuclear de "descomposición espontánea", es decir, un nucleido inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que emite una "radiación". El nucleido hijo (el que resulta de la desintegración) puede no ser estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que finalmente se llega a un nucleido estable. Se dice que los sucesivos nucleidos de un conjunto de desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.
La primera obtención en el laboratorio de un isótopo artificial radiactivo (es decir, el descubrimiento de la radiactividad artificial) la llevó a cabo en 1934 el matrimonio formado por Fréderic Joliot e Irene Curie, hija del matrimonio Curie.




El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henry Becquerel en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforescencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad.



Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sustancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad natural.
Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó:alfa, beta y gamma.
Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida, prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos X, recién descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel

 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/radiactividad.html





FUSIÓN NUCLEAR



En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.

Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidas pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por primera vez la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).

Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.

La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta el presente.  

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma.


Dos núcleos de hidrógeno se fusionan para obtener helio y energía Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.




Fusión nuclear en la naturaleza:

En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el Sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 mil millones de grados Celsius. Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.

Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.

Las fuerzas de gravedad en el universo generan las condiciones perfectas para la fusión nuclear.

A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan. En el interior del Sol, la temperatura es cercana a los 15 millones de grados Celsius.

http://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/fusion-nuclear


La fusión nuclear en cinco minutos

Sun
Desde que la ciencia se dio cuenta por primera vez, en los años veinte del siglo pasado, cuál era el verdadero origen de la cantidad ingente de energía que radia el sol, ha sido un sueño de la humanidad aprender a controlar esta fuente de energía en la tierra.
En un reactor de fusión se fusionan núcleos de átomos ligeros (isotopos de hidrógeno), liberando mucha energía en el proceso. La reacción de fusión se produce a temperaturas extremas, a unos 150 millones de grados centígrados. Cuando se calienta la materia a estas temperaturas, se encuentra en el estado de plasma, que es el término que se usa para un gas caliente de partículas cargadas eléctricamente (iones). Un plasma se puede contener en un reactor en forma de anillo, donde la fuerza continente la ejercen unos campos magnéticos, para así evitar que el plasma caliente se enfríe al tocar la vasija que lo rodea. La energía que se libera en las reacciones de fusión puede usarse para generar electricidad o para fabricar más hidrógeno.
La fusión como método de generación de energía tiene importantes ventajas medioambientales y de seguridad. Ya que la materia para el combustible es deuterio y litio,  estos están disponibles en cualquier parte, y hay suficiente materia para la generación de energía durante millones de años. Además, la fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero. La reacción en sí sólo produce helio, un gas no nocivo, usado para los globos de los niños.
JET
El experimento Joint European Torus (JET), es el mayor experimento de fusión en el mundo. JET es capaz de funcionar con combustibles como deuterio y tritio.


El siguiente paso que se tomará en el campo mundial de la investigación en fusión es el Tokamak experimental ITER. La meta de ITER es demostrar que la generación de energía por el método de la fusión es viable técnicamente y científicamente. 



                                                http://www-fusion.ciemat.es/New_fusion/es/Fusion/cincominutos.shtml



FISIÓN NUCLEAR



La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.
Estos neutrones, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena. En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa.
Debido a la rapidez que tiene lugar una reacción nuclear, la energía se desprende mucho más rápidamente que en una reacción química.
Si se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada. Este es el principio de funcionamiento en el que está basado los reactores nucleares, que son fuentes controlables de energía nuclear de fisión.





Video: 


FUERZA NUCLEAR FUERTE:


Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) existentes en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones. Los efectos de esta fuerza sólo se aprecian a distancias muy pequeñas (menores a 1 fm), del tamaño de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se le conoce como ser de corto alcance.

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~41700038/deptos/ciencias/fyq/2b/fis/3/3.Interaccion_nuclear.pdf



FUERZA NUCLEAR DÉBIL:

La fuerza nuclear débil es una interacción que forma parte de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy fuertes. El efecto más conocido es el decaimiento beta.  Este ocurre en los neutrones en el núcleo atómico.  Otro ejemplo es la radiactividad. La palabra "débil" proviene de que actúa en un campo de fuerzas que es menor que la interacción nuclear fuerte. Esta fuerza y la interacción que representa, es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

Video:
https://www.youtube.com/watch?v=HLyIs6a-LVA

FÍSICA EN LA MEDICINA:

Tomografía axial computarizada (TAC): La tomografía axial computarizada o TAC, también conocida como escáner o TC (tomografía computarizada), es una prueba diagnóstica que, a través del uso de rayos X, permite obtener imágenes radiográficas del interior del organismo en forma de cortes trasversales o, si es necesario, en forma de imágenes tridimensionales.


La tomografía computarizada (TC) es un procedimiento de diagnóstico que utiliza un equipo de rayos X especial para crear imágenes transversales del cuerpo. Las imágenes de la TC se producen usando la tecnología de rayos X y computadoras potentes.

Entre los usos de la TC se incluye la exploración de:

Huesos fracturados
Cánceres
Coágulos de sangre
Signos de enfermedad cardiaca
Hemorragia interna
Durante un procedimiento de TC, el paciente permanece inmóvil sobre una mesa. La mesa pasa lentamente a través del centro de una gran máquina de rayos X. El procedimiento no causa dolor. Durante ciertas pruebas, el paciente bebe un tinte de contraste que ayuda a que algunas partes del cuerpo se vean mejor en la imagen.

http://www.webconsultas.com/pruebas-medicas/tomografia-axial-computarizada-tac-8015

http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ctscans.html


Funcionamiento: El aparato de TC emite un haz colimado de rayos X que incide sobre el objeto que se estudia. La radiación que no ha sido absorbida por el objeto es recogida por los detectores. Luego el emisor del haz, que tenía una orientación determinada, cambia su orientación. Este espectro también es recogido por los detectores. El ordenador 'suma' las imágenes, promediándolas. Nuevamente, el emisor cambia su orientación. Los detectores recogen este nuevo espectro, lo 'suman' a los anteriores y 'promedian' los datos. Y este proceso se repite hasta que los detectores den una vuelta completa, ya que es el momento en el que se dispone de una imagen tomográfica definitiva y fiable.

A partir de todas esas imágenes transversales (axiales) un computador reconstruye una imagen bidimensional que permite ver secciones del de estudio desde cualquier ángulo.




Resonancia magnética: Una resonancia magnética (RM) es un examen imagenológico que utiliza imanes y ondas de radio potentes para crear imágenes del cuerpo. No se emplea radiación (rayos X).
Las resonancias magnéticas son un análisis seguro e indoloro en el cual se utiliza un campo magnético y ondas de radio para obtener imágenes detalladas de los órganos y las estructuras del cuerpo
Durante el examen, las ondas de radio manipulan la posición magnética de los átomos del organismo, lo cual es detectado por una gran antena y es enviado a una computadora. La computadora realiza millones de cálculos que crean imágenes claras y en blanco y negro de cortes transversales del organismo. Estas imágenes se pueden convertir en fotos tridimensionales (3D) de la zona analizada. Esto ayuda a detectar problemas en el organismo.



Radioterapia: La radioterapia utiliza partículas u ondas de alta energía, tales como los rayos X, rayos gamma, rayos de electrones o de protones, para eliminar o dañar las células cancerosas. La radioterapia se conoce además como terapia de radiación o terapia de rayos X.
La radioterapia es uno de los tratamientos más comunes contra el cáncer. La radiación a menudo es parte del tratamiento contra ciertos tipos de cáncer, tales como los cánceres de cabeza y cuello, vejiga, pulmón y la enfermedad de Hodgkin. Además, muchos otros cánceres son tratados con radioterapia.
La radiación puede ser administrada por sí sola o junto con otros tratamientos, como cirugía o quimioterapia. De hecho, se sabe que ciertos medicamentos son radio sensibilizantes. Esto significa que en realidad pueden hacer que las células cancerosas sean más sensibles a la radiación, lo que contribuye a que la radiación sea más eficaz en eliminar estas células.
La radioterapia puede administrarse de tres maneras:

Radiación externa: La radiación es emitida a la parte del cuerpo donde se posicione el tumor canceroso, por ejemplo si se tiene cáncer de pulmón, recibirá radiación en el pecho

Radioterapia interna: También conocida como Braquiterapia, se coloca la radiación cerca o dentro del tumor en el cuerpo. Normalmente se usa en canceres de cabeza, cuello, mama, próstata, ojo, cuello uterino, entre otros.
Radiación sistemática: Se suministra al paciente una serie de radiofármacos ya sea intravenoso o por vía oral. Estos se desplazan por todo el cuerpo a través de la sangre y se acumulan en el lugar donde está el cáncer para emitir su radiación y combatir a las células cancerosas.

En algunos casos se emplea más de un tipo.

Decidir qué clase de radiación se usará depende del tipo de cáncer que tenga y en qué parte de su cuerpo se localice.



Tomografía por emisión de positrones o PET: Es un examen imagenológico que utiliza una sustancia radiactiva, llamada marcador, para buscar una patología en el cuerpo.
A diferencia de la resonancia magnética (RM) y las tomografías computarizadas (TC), que revelan la estructura de órganos y el flujo sanguíneo hacia y desde estos, una TEP muestra cómo están funcionando los órganos y tejidos.

A diferencia de otras técnicas como la tomografía axial computarizada (TAC) o la resonancia magnética nuclear (RMN), el PET no da información anatómica del organismo, sino que detecta la actividad metabólica de las células que deseamos estudiar. Por ejemplo, puede determinar el flujo sanguíneo, el consumo de oxígeno, o el consumo de azúcar, de unas células determinadas. Por ello, se utiliza principalmente para el diagnóstico y seguimiento de pacientes con cáncer, pues las células tumorales tienen un metabolismo diferente a las células sanas.

El PET también puede usarse en otros campos como en cardiología o neurología. Al emplear sustancias radioactivas, es una técnica que se incluye dentro de una parte de la medicina llamada medicina nuclear.

La máquina de PET es muy parecida a la que se utiliza para hacer un TAC. Es una máquina grande con forma redondeada y con una camilla en su interior donde se tumba el paciente. Previamente a la toma de las imágenes se administra una sustancia radioactiva, llamada radiofármaco o trazador, por vía intravenosa, vía oral o vía inhalada, dependiendo de la sospecha diagnóstica. Este radiofármaco circula por el cuerpo y se pega a las células tumorales, que comienzan a emitir una pequeña cantidad de radiación. Esta radiación es detectada por la máquina de PET, la cual produce una imagen en la que resaltan zonas del cuerpo donde se ha acumulado el radiofármaco y que pueden corresponder a tumores.



ACCIDENTES NUCLEARES


Fukushima: Ocurrido en la Central nuclear Fukushima I en 11 de marzo de 2011, comprende una serie de incidentes, tales como las explosiones en los edificios que albergan los reactores nucleares, fallos en los sistemas de refrigeración, triple fusión del núcleo y liberación de radiación al exterior, registrados como consecuencia de los desperfectos ocasionados por el terremoto y tsunami de Japón oriental.

Explosión Fukishima


Chernóbil: Ocurrió el sábado 26 de abril de 1986. constituye uno de los mayores desastres medioambientales de la historia.

durante una prueba en la que se simulaba un corte de suministro eléctrico, un aumento súbito de potencia en el reactor 4 de esta central nuclear produjo el sobrecalentamiento del núcleo del reactor nuclear, lo que terminó provocando la explosión del hidrógeno acumulado en su interior. Básicamente se estaba experimentando con el reactor para comprobar si la energía de las turbinas podía generar suficiente electricidad para las bombas de refrigeración en caso de fallo. La cantidad de dióxido de uranio, carburo de boro, óxido de europio, erbio, aleaciones de circonio y grafito expulsados,4 materiales radiactivos y/o tóxicos que se estimó fue unas 500 veces mayor que el liberado por la bomba atómica arrojada en Hiroshima en 1945, causó directamente la muerte de 31 personas y forzó al gobierno de la Unión Soviética a la evacuación de 116 000 personas provocando una alarma internacional al detectarse radiactividad en al menos 13 países de Europa central y oriental.




2 comentarios:

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