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CENTRO DE ESTUDIOS RADIOLÓGICOS Y DE IMAGEN DIAGNÓSTICA
RADIOLOGÍA CONVENCIONAL
TEMA 1
ESTRUCTURA DE LA MATERIA. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE FÍSICA
APLICABLE A LA TECNOLOGÍA RADIOLÓGICA
GENERALIDADES SOBRE LA MATERIA
Elemento: es toda aquella sustancia pura constituida por un solo tipo de átomo que no se
puede descomponer en otras más simples por medios químicos.
Ejm.: calcio, hidrogeno etc.
En la actualidad se conocen 92 elementos naturales que van desde el Hidrógeno (1) al
Uranio (92) y a partir del Neptunio (93) son artificiales.
Cada elemento químico o especie atómica se designa con un nombre y un símbolo químico:
hidrógeno (H), helio (He), carbono (C), oxígeno (O), azufre (S), potasio (K), etc
Compuesto: es aquella sustancia que se puede descomponer en otras más simples o
elementos por medios químicos.
Agua: H2 O por electrólisis. 2 H + O
Molécula: es la menor porción de materia que tiene las mismas propiedades que el cuerpo
o sustancia de la cual forma parte. Puede estar formado por un átomo o más.
En el caso de un compuesto, la molécula, tendrá como mínimo un átomo de la sustancia que
forma el compuesto.
Las moléculas de los elementos simples o elementos químicos están constituidas por átomos
de la misma especie. Así, la molécula de hidrógeno, H2, está constituida por dos átomos de
hidrógeno; la molécula de oxígeno, O2, está constituida por dos átomos de oxígeno. Las moléculas
de algunos elementos, como las de los llamados gases nobles, están constituidas por átomos
aislados.
Las moléculas de las sustancias compuestas están constituidas por átomos de especies
diferentes. Así, la molécula de agua H2O está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno; la de dióxido de carbono CO2 consta de un átomo de carbono y dos de oxígeno. Existen
sustancias orgánicas cuyas moléculas son muy complicadas y pueden llegar a tener miles de
átomos.
Todas las moléculas de una misma sustancia compuesta o combinación química son iguales
entre sí. Así, todas las moléculas de agua H2O están constituidas por dos átomos de hidrógeno y
un átomo de oxígeno unidos de una misma forma. Sus propiedades físicas y químicas suelen ser
muy diferentes de las de los elementos que la componen; por ejemplo las propiedades del agua son
muy distintas de las del hidrógeno y del oxígeno.
Átomo: es la parte más pequeña de un elemento que conserva su identidad y que
interviene en las reacciones químicas.
Los átomos de cada elemento son iguales entre sí pero distinto de los demás elementos.
DR. MADRID
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Estructura del átomo:
Sin entrar en detalles a cerca de la evolución histórica de los descubrimientos ni de las
teorías existentes, un átomo, cuyo tamaño característico es del orden de 10-10 m , según el modelo
de Bohr (Niels Bohr, 1913) esta formado por 2 partes:
Una interna llamada NÚCLEO donde se encuentra prácticamente la totalidad de la
masa debido a los Protones y Neutrones y que esta dotado de carga positiva debida
a los protones. (el neutrón es neutro).
Una parte externa denominada CORTEZA formada por partículas negativas
denominadas Electrones que rotan alrededor del núcleo en órbitas definidas o
niveles de energía semejando un sistema solar en miniatura.
FIG. 1.1: EL ÁTOMO
Hoy en día el modelo atómico de Bohr es la mejor manera de representar el átomo para
nuestros propósitos. Aunque los detalles de la estructura atómica se describe con más detalle en un
nuevo modelo atómico denominado MECÁNICA CUÁNTICA.
De forma simple el átomo de Bohr tiene un núcleo pequeño, denso y cargado
positivamente rodeado por electrones de carga negativa que se mueven en órbitas fijas alrededor
de núcleo.
En un átomo normal él número de electrones de la corteza es igual al número de protones
del núcleo, por lo que el átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro.
Los átomos son partículas con un diámetro de aproximadamente 10 -10 m y pueden ser
considerados como un sistema solar en miniatura cuyo sol es el núcleo y los planetas, los
electrones.
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Figura 1.2 Los átomos están formados por
protones y neutrones en el núcleo y electrones
en órbitas determinadas en torno al núcleo. En
el estado normal del átomo, el número de
protones es igual al número de electrones. Aquí
podemos ver tres de los átomos más pequeños y
el átomo más grande que existe en la naturaleza.
La disposición de los electrones con respecto al núcleo determina la forma en que
interactúan los átomos. Los electrones son partículas muy pequeñas con una unidad de carga
eléctrica negativa.
Su masa es de tan solo 9´1 x 10-31 Kg y pueden encontrarse los electrones girando en torno
al núcleo casi a la velocidad de la luz como los planetas giran alrededor del sol.
Para expresar las MASAS de los átomos y de las partículas que los constituyen no se
utilizan las unidades del Sistema Internacional (SI) al tener estas masas valores sumamente
pequeños comparados con la unidad del SI (kilogramo). En su lugar, se adopta la unidad de masa
12
atómica definida como "la doceava parte de la masa del átomo de
abundante). Su valor en gramos es:
1 u.m.a. = 1,66 A 10
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-27
6C"
(que es el más
kg.
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FIG. 1.3:
La masa atómica de un electrón es de 0´000549 UMAS. Si no se necesita mucha precisión
se utiliza un sistema de números enteros llamado: Número de masa atómica, el Nº de masa
atómica de un electrón es 0.
El núcleo contiene partículas llamadas nucleones que son de dos tipos:
Protones.
Neutrones.
Los Protones son partículas cargadas, siendo su valor igual en magnitud a la del electrón,
pero signo positivo. Con una masa de 1´6725 x 10-27 Kg, mientras que los Neutrones no tiene
carga y una masa ligeramente superior, de aproximadamente 1836 veces mayor que la del
electrón. Su número de masa atómica es de 1 (del Protón y del Neutrón).
La diferencia fundamental es su carga eléctrica. Por lo tanto en el núcleo atómico se
concentra casi toda la masa del átomo. Si tenemos en cuenta que los diámetros nucleares son del
orden de 10-15, la densidad del núcleo atómico resulta ser del orden 10 18 kg/m3.
D = m/v
El átomo es un su mayoría espacio vacío; el núcleo atómico es muy pequeño pero contiene
casi toda la masa del átomo.
Si una pelota de baloncesto, con un diámetro de 23 cm aproximadamente representara el
núcleo de un átomo de Uranio, que es el átomo natural más grande, los orbitales electrónicos se
encontrarían a unos 12´8 Km de distancia. El tamaño de un electrón es aproximadamente igual al
del núcleo y por lo tanto menos de 0´001 % del volumen del átomo esta ocupado por materia (la
probabilidad de choque es pequeña).
Como ya se ha indicado, los átomos, normalmente se encuentran en estado eléctrico
neutro, o sea con el mismo número de electrones en la corteza que de protones en el núcleo. Él
número de protones es el número atómico (Z) que es característico de cada elemento.
Z =
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Nº de protones
= Nº atómico
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Todos los átomos que tengan igual numero atómico (Z) tienen las mismas propiedades
químicas.
Él número atómico (Z) de los elementos existentes en la naturaleza, comprenden todos lo
números enteros desde Z=1 para él hidrogeno hasta Z=92 para el Uranio. A éstos hay que añadir
los elementos artificiales generados por el hombre desde el descubrimiento de la energía nuclear,
como son el plutonio, Z = 94, el americio, Z = 95, el californio, Z = 96, etc., todos ellos
radiactivos. Los elementos de número atómico superior a Z=82 (Pb) son radiactivos, hasta llegar
al Lawrencio (Lw) con Z=103.
A cada elemento químico le corresponde un número atómico que coincide con su lugar de
colocación en el Sistema Periódico de los Elementos, en el que se ordenan en sentido creciente
respecto a sus pesos atómicos, presentando un conjunto de regularidades que permiten
clasificarlos en diversos grupos afines. (Fig. 1.4)
El Nº ATÓMICO (Z) es él numero de orden en el sistema periódico de los elementos.
El Nº total de neutrones y protones que componen el núcleo de un átomo se denomina
NÚMERO MASICO (A).
Figura 1.4 Sistema Periódico de los Elementos
NUCLEIDOS
El número de protones y neutrones que constituyen un determinado núcleo se denomina
número de masa o número másico de ese núcleo y se representa por A. El número de neutrones
que existen en un núcleo se representa por N. Se tiene la relación:
A=Z+N
N=A-Z
A los diferentes núcleos atómicos que existen en la naturaleza o que pueden producirse
artificialmente se les llama, en general, NUCLEIDOS y se les designa mediante el símbolo:
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A
Z
X
Siendo X el símbolo del elemento químico correspondiente y A y Z el número másico y el
número atómico, respectivamente.
Aunque en la naturaleza solo hay 92 elementos químicos y 11 han sido producidos
artificialmente, existen aproximadamente 1500 nucleidos. Debido a esta gran variedad los
Nucleidos se clasifican en tres categorías.
Isótopos.
Isóbaros.
Isótonos.
ISÓTOPOS
Son nucleidos que tienen el mismo Nº de protones pero no el mismo Nº de neutrones.
Estos elementos tendrán el mismo Nº atómico (Z) pero distinto Nº másico (A).
Como un elemento químico se identifica por (Z) Nº atómico, todos los isótopos
correspondientes a un valor dado de Z pertenecen al mismo elemento químico.
=Z ≠ N ≠A
130
Ba
56
132
Ba
56
1
2
3
H
H
H
1
1
1
134
Ba
56
135
Ba
56
136
Ba
56
130
I
53
137
Ba
56
138
Ba
56
131
I
53
59
Co
27
60
Co
27
61
Co
27
CARBONO Z=6; A=12
CARBONO Z=6; A=14
14
12
Figura 1.5 Isótopos del Carbono ( C es un radioisótopo del C)
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Por ejemplo, los átomos con 6 protones son todos átomos de carbono, los cuales tendrán
normalmente 6 electrones. Puede haber, o pueden producirse, átomos de carbono conteniendo
cada uno 4, 5, 6, 7, 8 ó 9 neutrones en su núcleo. Serán, por tanto, átomos de carbono con número
másico 10, 11, 12, 13, 14 ó 15 respectivamente. A todos ellos se les llama isótopos del carbono y
tienen las mismas propiedades químicas pero suelen tener distintas propiedades nucleares. Por
ejemplo, unos se desintegran espontáneamente, son radiactivos, y otros no. A los isótopos
radiactivos de cualquier elemento se les llama radioisótopos. Se conocen tres isótopos distintos
1
del hidrógeno: el hidrógeno ordinario, cuyo núcleo H está constituido por un simple protón; el
2
3
deuterio H, constituido por un protón y un neutrón y el tritio H, constituido por un protón y dos
neutrones. Los dos primeros son estables y se encuentran en la naturaleza en las proporciones de
99,985% y 0,014% respectivamente. El tritio es inestable.
El agua cuyas moléculas contienen deuterio en lugar de hidrógeno ordinario, recibe el
nombre de agua pesada; sus propiedades químicas y biológicas son las mismas que las del agua
ordinaria, pero sus propiedades nucleares son muy diferentes.
De entre los elementos naturales, el más pesado es el uranio que tiene siempre 92 protones
en su núcleo y, por tanto, 92 electrones en su periferia cuando se halla en estado neutro. El uranio
238
natural está formado por mezcla de dos isótopos, el 99,27% está constituido por uranio 238 (
U)
235
con 146 neutrones en su núcleo mientras que el 0,73% restante lo constituye el uranio 235 ( U)
con tres neutrones menos. Según se ha dicho, las propiedades químicas de uno y otro son las
mismas, pero las propiedades nucleares son bien distintas.
ISÓBAROS
Son nucleidos que tiene el mismo Nº másico (A) pero distinto Nº de protones y neutrones.
Por tanto los Isóbaros tienen distinto Nº atómico (Z) por lo que corresponderán a elementos
químicos diferentes.
≠Z ≠ N = A
131
I
53
131
13
Xe
54
13
C
N
6
7
ISÓTONOS
Son nucleidos con igual Nº de neutrones pero distinto Nº de protones (Z). Por lo tanto los
nucleidos que son isótonos tienen distinto Nº atómico (Z) y Nº másico (A). Y no corresponden al
mismo elemento químico.
N= Z≠A≠
130
I
53
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131
Xe
54
132
Cs
55
13
14
C
N
6
7
7
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ELECTRONES EN LA CORTEZA ATÓMICA
Los electrones en la corteza se encuentran ligados al núcleo debido a las fuerzas de
atracción que ejerce este sobre cada uno de ellos. Bajo la acción de estas fuerzas los electrones se
mueven alrededor del núcleo describiendo órbitas a distancias relativamente grandes del núcleo.
Las órbitas descritas por los electrones se agrupan por capas a las que se designan por las letras K,
L, M, N, O, P, Q, en orden de mayor a menor distancia del núcleo y de menor a mayor energía.
El Nº máximo de electrones que puede haber en cada nivel aumenta con la distancia, desde
la capa al núcleo. Él limite de electrones por capa se calcula mediante 2 x n2
Donde n es la capa.
Ejm.: Capa K = 2x12 = 2
Los físicos llaman a n número cuántico principal.
TABLA 1.1. Numero máximo de electrones que puede haber en cada nivel
Número del nivel
Símbolo del nivel
Número de electrones
1
K
2
2
L
8
3
M
18
4
N
32
5
O
50
6
P
72
7
Q
98
La fuerza con la que el electrón permanece unido al núcleo se llama energía de ligadura
del electrón y se define como la energía que hay que suministrar a un electrón para expulsarlo de
la corteza atómica.
La energía de ligadura es debida a la fuerza de atracción del campo electrostático positivo
que crean los protones del núcleo.
Esta energía de ligadura (E.L) depende de la capa en que se encuentra el electrón y del
elemento químico de que se trate. Cuanto más cerca está el electrón del núcleo más fuerte es el
enlace que los une. Así los electrones de nivel K tienen energía de ligadura (E.L) mucho mayor
que los electrones de nivel L y estos tienen E.L mucho mayor que los de nivel M y así
sucesivamente. No todos los electrones de nivel K de todos los átomos tienen la misma E.L,
cuanto mayor es el número de protones de un átomo y por tanto de electrones mayor es la E.L,
cuanto más grande es el átomo, mayor es la E.L para los electrones de un determinado nivel.
En los átomos pesados, las órbitas de la capa K están más próximas al núcleo y sus
electrones tiene una E.L mayor, como consecuencia de que se encuentran fuertemente atraídos por
el campo electrostático de la carga positiva nuclear.
Es posible provocar el desplazamiento de los electrones desde sus órbitas normales a otras
de menor E.L y por tanto más energético, suministrándoles la energía necesaria para dar el salto.
Se dice entonces que el átomo se halla en estado excitado, la excitación es una situación
totalmente inestable por lo que los electrones desplazados vuelven a sus órbitas normales
(denominado estado fundamental) y se libera energía correspondiente mediante la emisión de
fotones de radiación electromagnética. Si se suministra al átomo energía suficiente, es posible
separar completamente de él uno o unos electrones pasando a constituir lo que se llama Ion o
átomo ionizado. De esta forma, el átomo primitivo, eléctricamente neutro, da lugar a dos cargas
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eléctricas libres: el ión positivo y el electrón negativo. Este proceso, llamado ionización, puede
alterar algunas propiedades de la materia en la que tiene lugar. Por ejemplo, puede hacer
parcialmente conductor de la electricidad a un gas que en condiciones normales es un buen
aislante.
Cuando se le ha arrancado un electrón se dice que el átomo está simplemente ionizado,
doblemente ionizado, triplemente ionizado, etc.
Cabría suponer que el átomo se puede transformar en ion si cambia el número de cargas
positivas, al igual que cuando cambia el número de cargas negativas. No obstante los átomos no
pueden ser ionizados cambiando el número de protones, ello supondría la transformación de un
elemento en otro.
Por otro lado la variación del Nº de neutrones no ioniza el átomo ya que el neutrón es
eléctricamente neutro.
RADIACTIVIDAD
La mayoría de los elementos que se encuentran en la naturaleza poseen núcleos estables
cuya constitución, es decir el número de protones y de neutrones que contienen, no varía con el
tiempo a no ser que artificialmente se les someta al bombardeo de otras partículas nucleares. Los
elementos naturales, desde el hidrógeno (H) de número atómico Z = 1 hasta el plomo (Pb) de
número atómico Z = 82 están compuestos por uno o varios isótopos con núcleos estables.
Los elementos naturales con Z superior al del plomo hasta llegar al uranio (U) tienen
núcleos más o menos inestables que tienden, a lo largo del tiempo y con mayor o menor rapidez, a
modificar su composición mediante la emisión espontánea de algunas de las partículas que los
constituyen. A este fenómeno de transformación nuclear espontánea se le llama radiactividad, y a
los átomos que así se comportan, radionucleidos. El ritmo o rapidez de transformación
espontánea es característico de cada radionucleido y viene expresado por la llamada constante de
desintegración (l).
Algunos átomos tienen núcleos con exceso de energía. Dichos átomos existen en un estado
de excitación anormal caracterizado por un núcleo inestable. Para alcanzar la estabilidad, el núcleo
emite de forma espontánea partículas y energía transformándose en otro átomo, este fenómeno se
denomina desintegración radiactiva. Los átomos correspondientes se conocen como
Radionúclidos, cualquier espécimen nuclear se le llama NUCLEIDO O NUCLIDO. Solo los
núcleos que experimentan desintegración nuclear son RADIONUCLIDOS.
RADIOISOTOPOS = isótopos que son radioactivos
Son muchos los factores que afectan la estabilidad nuclear. El más importante
probablemente sea el número de neutrones. Cuando un núcleo tiene exceso o defecto de neutrones
o experimentan desintegración nuclear a fin de conseguir un número de protones y neutrones que
le permitan la estabilidad. Muchos núcleos son inestables y alteran su composición
espontáneamente mediante la emisión de partículas; este proceso implica una desintegración
nuclear. Cuando un núcleo inestable experimenta un proceso de desintegración radiactiva, se
transforma en otro núcleo que posee o que conducirá a una configuración más estable. En los
procesos radiactivos en los que se emiten partículas cargadas (radiactividad alfa y radiactividad
beta), el núcleo residual pertenece a una especie nuclear distinta de la del núcleo original. En los
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procesos en que tan sólo se emite radiación electromagnética (radiactividad gamma) el núcleo
residual pertenece a la misma especie nuclear que el originario.
Además de isótopos estables muchos elementos tienen isótopos radiactivos o
radioisótopos.
Estos se pueden producir de forma artificial en reactores nucleares o aceleradores de
partículas. Se han identificado radioisótopos producidos artificialmente para casi todos los
elementos. Unos cuantos elementos tienen también radioisótopos naturales.
Ejm.: Cobalto 60
Hay dos fuentes principales de radioisótopos naturales.
Unos se formaron durante la etapa de organización de la Tierra y continúan
desintegrándose lentamente y otros se están creando continuamente en la capa exterior de la
atmósfera, por reacción de la energía cósmica.
Existen muchas formas mediante las cuales los isótopos pueden desintegrarse hasta la
estabilidad. Pero sólo tres tienen importancia para nuestros objetivos:
Emisión Beta.
Emisión Alfa.
Emisión Gamma
Durante la desintegración radiactiva por emisión Beta se expulsa una partícula tipo electrón
creada en el mismo núcleo con una Energía Cinética tan grande que escapa del mismo, el
resultado es que se arranca del núcleo del átomo una pequeñísima masa y una carga eléctrica
negativa, simultáneamente un neutrón se convierte en protón y el resultado neto de la emisión
Beta es que el Nº atómico (Z) aumenta en una unidad permaneciendo igual el Nº de la masa
atómica (A).
Esta transformación nuclear tiene como consecuencia que el átomo cambie de un tipo de
elemento a otro. Pasa a ser un puesto siguiente en el sistema periódico. (Fig. 1.6A y 1.6D)
La desintegración Radioactiva por emisión Alfa es un proceso mucho más violento. La
partícula Alfa está compuesta por dos protones y dos neutrones unidos y su Nº másico es cuatro,
el núcleo tiene que ser muy inestable para emitir partículas Alfa, pero cuando lo hace pierde 2
unidades de carga positivas y cuatro unidades de masa. (Fig. 1.6 B y 1.6 C)
La transformación tiene gran importancia ya que el átomo resultante no solo es químicamente
diferente sino también 4 UMAS más ligero.
FIG. 1.6 (A, B, C y D):
Fig. 1.6 A: Desintegración del 131I a 131Xe con
emisión de una partícula beta.
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Fig. 1.6 B: Desintegración del 226Ra a 222Rn
con emisión de una partícula alfa.
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Fig. 1.6 C: Desintegración alfa
Fig. 1.6 D: Desintegración beta
La emisión Beta es mucho más frecuente que la emisión Alfa. Casi todos los radioisótopos
pueden desintegrarse mediante emisión Beta pero sólo los muy pesados pueden hacerlo por
emisión Alfa. Algunos radioisótopos son emisores puros Beta o Alfa pero la mayoría emite rayos
Gamma simultáneamente a la emisión de la partícula.
Desintegración Gamma: La desintegración por emisión de rayos gamma representa para el
núcleo un medio para desprenderse de su energía de excitación, Un núcleo que acaba de
experimentar una desintegración alfa o beta puede quedar en un estado excitado; se desexcitará
emitiendo un fotón gamma Fig. 1.6 E. Este proceso se representa por:
Donde el asterisco nos indica que el núcleo estaba en un estado excitado.
Figura 1.6 E:
Desintegración gamma
VIDA MEDIA RADIACTIVA
El material radioactivo no desaparece de un día para otro, por el contrario los radioisótopos
se desintegran transformándose en isótopos estables de otros elementos con una tasa decreciente;
pero la tasa, y por tanto, la cantidad de material radioactivo nunca alcanza 0.
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La tasa de desintegración radioactiva y la cantidad de materia que queda en un momento
dado pueden calcularse mediante una formula matemática llamada Ley de desintegración
radiactiva. Con esta fórmula se obtiene una cantidad llamada vida media y se representa por T 1/2.
La vida media de un isótopo radiactivo es el tiempo necesario para que una cantidad de
radiactividad se reduzca a la mitad de su valor inicial. La vida media de los radioisótopos puede
variar entre fracciones de un segundo y varios años. Cada radioisótopo tiene una vida media única
y característica.
Por ejemplo la vida media T1/2 de Yodo (131) es de 8 días. Si tenemos 100 milicurios
(mcurio) el día 1 de enero por la tarde, el 9 de enero tendremos 50 mc, transcurridos 8 días, el día
17 de enero quedaran 25 mc, y el 25 de enero quedaran 12´5 mc.
Figura 1.7 El 131I se desintegra con una vida media de 8 días
La gráfica lineal permite estimar la actividad El gráfico semilogarítmico es útil para leer e
que queda tras un corto período de tiempo.
interpretar tiempos de desintegración mayores.
Teóricamente la radioactividad de los radioisótopos no desaparece nunca. Después de cada
periodo equivalente a la vida media queda la mitad de la masa activa de lo que teníamos al
principio, por tanto, aunque la cantidad de radioisótopos decrece progresivamente nunca alcanza
0, por muy largo que sea el tiempo transcurrido.
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Figura 1.8 La cantidad restante de cualquier tipo de material radiactivo tras un determinado
período de tiempo se puede estimar a partir del: A, gráfico lineal o, B, gráfico semilogarítmico. A
la cantidad inicial se le asigna el valor 100% y el tiempo de desintegración se expresa en unidades
de vida media.
El carbono 14, es un radioisótopo natural con una vida media T1/2 de 5730 años.
La concentración de C14 en el ambiente es constante.
Ejm.: Los árboles de un bosque petrificado contienen menos 14 C que los de un bosque vivo ya
que el C 14 de un bosque vivo está en equilibrio con la atmósfera. El carbono de un árbol
petrificado se fijo hace miles de años y el carbono fijado se ha ido reduciendo con el tiempo por
desintegración radiactiva.
Ejm.: Si un trozo de madera petrificada contiene un 25 % del Carbono 14 contenido en un árbol
vivo. ¿Qué edad tiene la madera petrificada?
El C 14 permanece constante mientras la materia está viva, ya que se intercambia
constantemente con el ambiente. En este caso la madera petrificada ha estado muerta durante
suficiente tiempo como para que el C 14 se desintegre hasta el 25 % de su valor original. Ese
tiempo representa dos veces la vida media. En consecuencia, podemos decir que la muestra de
madera petrificada tiene aproximadamente 2 x 5730 = 11460 años de antigüedad.
El concepto de vida media T1/2 es esencial en radiología. Se usa a diario en Medicina
Nuclear y tiene un paralelismo exacto con el termino radiológico de Capa Hemirreductora o filtro
hemirreductor.
TIPOS DE RADIACIONES IONIZANTES
Se pueden clasificar en dos categorías:
Radiación de partículas.
Radiación electromagnética.
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No se conocen otros tipos de Radiación Ionizante. Las radiaciones utilizadas en
ecografías y en imágenes de resonancia magnética no son ionizantes. Aunque todas las radiaciones
ionizantes actúan de la misma manera sobre el tejido vivo. Existen diferencias fundamentales
entre los distintos tipos de radiaciones. Estas diferencias pueden analizarse en función de 5
características físicas:
MASA, ENERGIA, VELOCIDAD, CARGA, ORIGEN
TABLA 1.2: Clasificación general de las radiaciones ionizantes
Tipo de radiación
Símbolo Numero de
carga
Origen
masa atómica
De partículas
Radiación alfa
4
+2
Núcleo
α
Radiación beta
0
-1
Núcleo
β
Otras partículas
*
*
Núcleo
*
Electromagnéticas
Rayos gamma
0
0
Núcleo
γ
Rayos X
0
0
Nube electrónica
X
Radiación de partículas
Cualquier partícula subatómica en movimiento es capaz de ionizar. Por tanto podemos
clasificar como Radiación Ionizante de partículas a los electrones, protones, neutrones e incluso
raros fragmentos del núcleo si están en movimiento y tienen suficiente energía cinética. En reposo
no se produce ionización. Existen dos tipos principales de radiación de partículas:
Partículas Alfa y partículas Beta.
Ambas asociadas con la desintegración radioactiva. La partícula Alfa es equivalente a un
núcleo de Helio, contiene 2 protones y dos neutrones, su masa es de 4 UMAS y tiene dos unidades
positivas de carga.
Comparada con un electrón a punto de ser arrancado de su átomo, debido a la ionización,
tiene una masa considerable y ejerce una gran atracción electrostática. (las cargas de signo opuesto
se atraen y las del mismo signo se repelen).
Las partículas Alfa solo son emitidas por núcleos de elementos pesados.
Los elementos ligeros no pueden emitir partículas Alfa ya que no tienen suficiente exceso
de masa. Una vez emitida por un átomo radioactivo la partícula Alfa viaja a gran velocidad a
través de la materia, pero debido a su elevada masa y a su carga, transfiere con facilidad su energía
cinética a los electrones orbitales de otros átomos.
La radiación Alfa se acompaña de ionización.
La partícula Alfa media posee de 4 a 7 megaelectronvoltios (Mev) de energía cinética e
ioniza aproximadamente 40000 átomos por cm de aire recorrido. Debido a esa cantidad de
ionización la partícula Alfa pierde energía rápidamente y su recorrido en la materia es muy corto.
En el aire las partículas Alfa recorre unos 5 cm, mientras que en los tejidos blandos penetran como
máximo una micra (una milésima de mm). En consecuencia la radiación Alfa de una fuente
externa es completamente inofensiva ya que la energía se deposita en las capas más superficiales
de la piel.
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Como fuente interna de la radiación, se comporta exactamente al contrario. Si un
radioisótopo emisor de partículas Alfa se deposita en el cuerpo puede irradiar severamente los
tejidos locales.
Cuando una partícula Alfa acaba por perder su energía cinética, se para y atrae dos
electrones libres, convirtiéndose en un átomo de Helio.
Las partículas Beta se diferencian de las Alfa por su masa y su carga; son partículas ligeras
con un número de masa atómica 0, tienen una unidad de carga negativa y son emitidos por el
núcleo del átomo radioactivo.
Las partículas Beta se originan en el núcleo de los átomos radioactivos y los electrones
existen en capas fuera del núcleo de todos los átomos.
Una vez emitida por un radioisótopo, las partículas Beta, atraviesan el aire ionizando unos
cientos de átomos por centímetro. El alcance de las partículas Beta es mucho mayor que de las
partículas Alfa. Dependiendo de su energía una partícula Beta puede atravesar entre 10 y 100 cm
de aire o de 1 a 2 cm de tejidos blandos.
Una vez que la partícula Beta ha perdido su energía se detiene y se combina con un átomo
deficitario en electrones.
Radiaciones electromagnéticas
Los rayos X y los rayos gamma son formas de radiación Ionizante electromagnética. A los
rayos x y gamma se les suele llamar fotones.
No tienen ni carga, ni masa, viajan a la velocidad de la luz (c= 3x 108 m/seg.) y pueden
considerarse como alteraciones enérgicas en el espacio. Como en el caso de las partículas Beta y
los electrones la diferencia está en su origen.
Los rayos gamma son emitidos por el núcleo de un átomo radioactivo y suele asociarse a la
emisión de Alfa o Beta. Los rayos X se producen fuera del núcleo, concretamente en las capas
electrónicas de los átomos. La única forma en que pueden existir los rayos X y gamma es a la
velocidad de la luz. Una vez emitidas atraviesan el aire produciendo una tasa de ionización de 100
pares iónicos por micrómetro (=1 micra), aproximadamente igual al de las partículas Beta. Sin
embargo a diferencia de las partículas Beta, los rayos X y gamma tienen un alcance ilimitado en la
materia. La radiación fotónica disminuye su intensidad al atravesar la materia, pero nunca alcanza
el valor 0, como la radiación de partículas.
TABLA 1.3 . Características de varios tipos de radiación ionizante
Tipo de radiación
Energía
Tasa
Alcance aproximado
Origen
En tejido
aproximada aproximada de En el
aire
blando
ionización
(pi/cm de aire)
De partículas
Radiación Alfa
4-7 MeV
20.000 - 60.000 1-10 cm Hasta 0.1 mm Núcleos radiactivos pesados
Núcleos radiactivos
Radiación Beta 0-7 MeV
100-400
0-10 m 0-2 cm
Electromagnéticas
Nube electrónica
Rayos X
0-10 MeV
hasta 500
0-100 m 0-30 cm
Núcleos radiactivos
Rayos gamma
0-5 MeV
hasta 500
0-100 m 0-30 cm
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Las radiaciones más importantes en Medicina Nuclear son las Beta y las Gamma. En
tecnología de los rayos X solo tiene importancia estos rayos. La capacidad de penetración y baja
tasa de ionización de los rayos X los hace particularmente útiles en Radiología Médica.
Figura 1.9 Los distintos tipos de radiación ionizan la materia con distinta eficacia: Las partículas
alfa son radiaciones muy ionizantes con un alcance muy corto, las partículas beta no ionizan tan
fácilmente, pero tienen un alcance mucho mayor y los rayos X tienen una capacidad de ionización
mucho menor, pero una gran capacidad de penetración.
UNIDADES DE ENERGÍA EN FÍSICA ATÓMICA
En física atómica, para expresar la energía, se utiliza una unidad especial que es el
electronvoltio (eV) y sus múltiplos, el kiloelectronvoltio (kev =10 3 ev). Se define el electrón
voltio como la energía cinética que posee un electrón inicialmente en reposo después de ser
acelerado por la diferencia de potencial de un voltio.
Nombre
Símbolo
Equivalencia
Kiloelectronvoltio
keV
1.000 eV
Megaelectronvoltio
MeV
106 eV
Gigaelectronvoltio
GeV
109 eV
ELECTRICIDAD
Se dice que un átomo esta ionizado, cuando ha ganado o perdido uno o más electrones de
lo que normalmente compone su configuración electrónica. Desde el punto de vista eléctrico todos
los materiales pueden dividirse en dos categorías:
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Materiales conductores: que son los que tienen electrones libres como ocurre en la
mayoría de los metales.
Materiales aislantes: que son los que su estructura atómica impide el movimiento
de los electrones libres. Normalmente se utilizan para evitar perdidas de corriente.
Los más eficaces son el aire seco, vidrio, mica, goma, amianto, baquelita, porcelana
y el aceite.
Las observaciones sobre electricidad estática llevaron al físico Coulomb a iniciar la ley
sobre cargas eléctricas que dice:
"la fuerza de atracción o repulsión de dos cargas eléctricas es directamente proporcional al
producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa":
F = Q1 x Q2 / R2
La unidad de medida de la carga eléctrica en el sistema internacional es el culombio que
representa la carga de 6´28 x 1018 e-.
Un campo eléctrico de fuerza es la región del espacio en la que se deja notar la influencia
de los cuerpos cargados eléctricamente. Estos campos se extienden alrededor del punto que los
origina disminuyendo su intensidad proporcionalmente al cuadrado de la distancia de la fuente de
origen.
Se puede establecer una analogía entre la ley de Coulomb con la ley de la Gravitación de
Newton, según la cual: todo cuerpo ejercita una fuerza de atracción sobre cualquier otro cuerpo de
forma proporcional al producto de su masa e inversamente proporcional a la distancia de los
objetos.
Al igual que los planetas del universo giran alrededor de una estrella a una distancia
constante, también los electrones giran alrededor de su núcleo a una distancia constante. En el
primer caso (esa distancia) es mantenida por el campo de fuerzas gravitacional y en el segundo el
responsable es el campo de fuerza eléctrica.
CORRIENTE ELÉCTRICA
Hasta ahora hemos estado considerando la electricidad estática o inmóvil, pero los
electrones libres que hay en un conductor eléctrico se mueven constantemente y cambian su
posición según un sistema vibratorio. Así cuando conectamos dos terminales de un circuito
eléctrico a una fuente de energía (batería, generador etc.,) los electrones empiezan a moverse casi
inmediatamente a la largo del conductor en una sola dirección, desde el terminal positivo (+) de la
fuente hasta el negativo (-). Esto es así aunque por acuerdo se establezca que la corriente circula
desde el polo (-) al (+), que es la dirección del movimiento electrónico. Por lo tanto el inicio del
paso de corriente es casi instantánea y se produce al mismo tiempo en todos los puntos del circuito
al que está conectada la fuente. Este movimiento constituye la corriente eléctrica. Sólo queda
establecer una unidad de medida de la cantidad de corriente y esta es el Amperio.
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Amperio
Amperio
Q
I
=
=
=
=
6´28 . 10 18 e -/ seg.
Q / seg.
Intensidad x tiempo
Q/ t
Ambas magnitudes tienen como factor común el tiempo, por este motivo la cantidad de
carga eléctrica en culombios movida a través de un circuito, equivale al producto de la corriente en
amperios y la duración del paso de la corriente en segundos.
TENSIÓN ELÉCTRICA (V)
La fuerza que determina el movimiento de los electrones libres a través de un hilo
conductor en forma de corriente eléctrica se llama fuerza electromotriz (f.em) o tensión o
diferencia de potencial y cuando esta se establece entre dos cuerpos cargados eléctricamente
unidos por un cuerpo conductor, los electrones se moverán a través de este último desde el cuerpo
negativo hasta el cuerpo positivo, hasta que se equilibren las dos cargas o hasta que la diferencia
de potencial quede neutralizada.
Para generar una tensión eléctrica existen varios métodos, pero las más utilizadas son las
pilas, baterías y los generadores rotativos. La unidad de tensión eléctrica es el voltio (V).
Una de las leyes de la electricidad es que la corriente es directamente proporcional a la
tensión aplicada.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Es la característica que tienen los circuitos eléctricos de ofrecer oposición, o de dificultar el
paso de la corriente eléctrica que circula por ellos. Podría efectuarse una buena comparación entre
el rozamiento que sufre el agua en su contacto con las paredes internas de las tuberías y la
resistencia eléctrica.
La resistencia ofrecida por los conductores eléctricos depende de tres factores:
Longitud.
Diámetro o sección.
Naturaleza del material que lo forme (cobre, aluminio).
La unidad de medida de la Resistencia es el Ohmio. Un ohmio es la resistencia eléctrica
que existe entre dos puntos de un hilo conductor entre los que se ha aplicado una diferencia de
potencial constante de un voltio y produce una intensidad de un amperio.
R=E/I
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RxI=E
Ley de Ohm
R= Ohmios
E= Voltios
I= Amperios
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CIRCUITO ELÉCTRICO
Es el camino estipulado para el paso de la corriente eléctrica, tanto en grandes redes como
en pequeños circuitos caseros. Cuando este es inadecuado se produce lo que llamamos un
cortocircuito o circuito demasiado corto. La energía eléctrica se manifiesta siempre en circuitos
cerrados, que en su forma más sencilla, esta formado por:
Un generador de corriente con dos terminales.
Una carga que utiliza la corriente también con 2 terminales.
Un hilo conductor que los comunica entre sí.
PILAS Y ACUMULADORES
Existen varios métodos de generar una tensión eléctrica. Los más empleados son:
Mediante fricción: Por ejemplo, al frotar una varilla de madera contra un jersey de
lana, se produce electricidad estática. Se emplea para la construcción de generadores de
electricidad estática y alta tensión.
Químicamente: Sumergiendo dos electrodos de carbón y zinc en una solución de ácido
sulfúrico y agua. Este método se emplea en pilas y baterías o acumuladores.
A las pilas se las llama células primarias compuestas por carbón, zinc, etc. Y una vez
agotada la fuente de producción eléctrica no es posible su recuperación.
A los acumuladores o baterías se les denomina células secundarias y se pueden
recargar, se entiende que pueden volver al estado inicial mediante la recarga, por medio
de energía eléctrica, de modo que cuando ésta se hace circular en el sentido opuesto sus
elementos vuelven al estado original.
Mecánicamente: Por medio del efecto inductivo, moviendo un conductor en el seno de
un campo magnético de manera que corte las líneas de fuerza. Se emplea en la
construcción de generadores.
Mediante la exposición al calor: de un par de metales puestos en contacto entre si,
produciendo el denominado efecto termoeléctrico. Con él se fabrican los dispositivos
llamados pares termoelectronicos para la medida de la temperatura.
Mediante el efecto piezo- eléctrico: Basado en que algunos cristales emiten descargas
eléctricas cuando se someten a esfuerzos mecánicos. Sirven para la producción de
micrófonos de cristal, fonocaptadores, encendedores de gas y para la emisión y
recepción de ultra sonidos.
Mediante el efecto fotovoltaico (también llamado efecto fotoeléctrico): Emite
tensión, cuando los rayos luminosos inciden sobre una sustancia especial como por
ejemplo el oxido de cobre o el selenio.
Este método es la base de los aparatos para la medida y transformación de la intensidad
luminosa en energía eléctrica y son llamados fotocélula o célula fotoeléctrica. Éstos se
comportan como pequeños generadores que producen entre sus terminales una tensión
proporcional a la intensidad de luz que les llega.
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CORRIENTE ALTERNA Y CORRIENTE CONTINUA
Entendemos por corriente alterna, aquella corriente eléctrica, que circula en un sentido
durante cierto tiempo, para después circular en sentido opuesto durante un tiempo determinado.
FIG. 1.10:
Representación de una onda de corriente
alterna
Representación de la corriente continua
Como podemos ver en la figura anterior, partiendo del valor cero, en que no existe
movimiento de corriente, ésta alcanza su valor máximo en sentido positivo para después volver al
valor cero, continua descendiendo hasta alcanzar el valor máximo en sentido negativo, regresando
al valor cero de nuevo.
Este ciclo se repetirá infinitamente mientras que el circuito permanezca cerrado.
La corriente alterna se caracteriza por el Nº de ciclos por segundo (frecuencia).
La frecuencia habitual de la corriente alterna es de 60 ciclos / seg. 1 ciclo/seg = 1 Hertzio
(Hz).
Corriente continua: es la que alcanza rápidamente un valor máximo determinado de
amplitud en un solo sentido y la mantiene durante el tiempo que se mantenga el circuito cerrado.
Diferencias entre corriente alterna y continua son:
La Corriente continua sufre perdidas considerables de potencia a lo largo de su
recorrido, aumentando estas perdidas con la longitud del conductor. Son perdidas
producidas por la resistencia del conductor y que se producen en forma de calor.
La Corriente alterna se puede transportar a largas distancias con cables de alta
tensión o baja tensión sin que se produzcan pérdidas de potencia. Esto permite su
transformación en el momento de utilizarla, posibilidad que también nos da la
corriente continua, pero en éste caso resulta más complicada y costosa.
La Corriente continua no se puede retransmitir mediante antenas por lo que no
puede utilizarse en la radiofonía ni en la transmisión de ondas electromagnéticas en
general.
A pesar de estas desventajas la corriente continua se sigue utilizando a niveles
industriales en las instalaciones eléctricas en que la fuente de energía son los
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acumuladores y en los casos en los que se necesite generar altas tensiones con
valores máximos muy estables a partir de corriente alterna, como es el caso de los
Aparatos de Rayos X.
Electrónica
Es la utilización en numerosas aplicaciones y actividades tecnológicas de la vida cotidiana
de las consecuencias físicas producidas por el movimiento de los electrones. En particular ha
habido un gran avance en los últimos años en microelectrónica que es una rama que han
desarrollado los japoneses y los americanos consiguiendo miniaturizar componentes de los
circuitos eléctricos hasta límites microscópicos. Una de las aplicaciones de la electrónica más
prospera es la informática, que consiste en un conjunto de conocimientos científicos y
tecnológicos que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de
ordenadores o dispositivos electrónicos dotados de memoria de gran capacidad y con métodos de
tratamiento de la información. Con ellos se pueden resolver problemas aritméticos y lógicos,
gracias a la utilización automática de programas registrados.
En el campo del Radiodiagnóstico se han aplicado los métodos de la informática tanto en
la producción de equipos como en el funcionamiento y control de los mismos, así, como en las
técnicas de obtención y tratamiento de las imágenes obtenidas por medio de las propiedades de los
Rayos X., o de otras formas de energía utilizadas en los departamentos de Diagnostico por Imagen
actuales.
EL CALOR
El calor es una forma de energía que suele expresarse en calorías/ gr., aunque actualmente
la unidad utilizada es el julio = 0´2388 calorías, que es la cantidad de caloría necesaria para elevar
la temperatura de un gramo de agua en 1ºC.
1 cal
1 julio
=
=
4´1868 julios
0´2388 cal.
Todas las sustancias necesitan una cantidad diferente de julios para que su temperatura se
eleve un grado (1ºC) que es lo que se llama calor especifico.
Todas las sustancias tienen un estado sólido, el cual, alcanzada una determinada
temperatura denominada punto de fusión, se cambia en estado liquido, este cambio absorbe más
julios por gramo que el calor especifico y se llama calor latente.
Ejm.: para convertir un gramo de hielo a 0º C en un gramo de agua a 0ºC se necesitan 80 calorías.
Si se sigue calentando, el estado liquido se transforma en gaseoso o vapor; al alcanzar el
llamado punto de ebullición. Esta conversión de líquido en vapor, necesita más julios por gramo
aun debido, a que las moléculas tienen que separarse completamente unas de otras, y se llama
calor de evaporación.
Ejm.: conversión de 1g. de agua a 100 ºC en 1g de vapor a 100ºC.
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Se necesitan 589 calorías.
Expresado todo ello en terminología actual, la conversión de 1g. de agua a 373 º Kelvin
(100ºC) en 1g. de vapor de agua a 373 ºK, exige una energía de 2466 julios.
En el proceso inverso, es decir, el paso de vapor a líquido y de este a sólido, se desprende
energía en forma de calor. Si se extrae energía de una sustancia, esta se enfría, lo que
experimentamos en nuestro cuerpo, como en las técnicas de refrigeración (enfriamiento por
evaporación).
TRANSMISIÓN DEL CALOR Y SU EMISIÓN
La transmisión del calor se lleva a cabo por:
Conducción: las moléculas mas calientes, se quedan donde están, pero transmiten
calor a sus vecinas mas frías.
Convección: las moléculas más calientes se desplazan hacia los lugares más fríos.
Radiación: las moléculas más calientes irradian energía en forma de radiación
térmica hacia los alrededores más fríos.
La conducción se realiza, sobretodo en los cuerpos sólidos.
La convección en los líquidos.
La radiación se realiza en el espacio que lo rodea, que puede ser también, el vacío transfiriéndose
la energía correspondiente al objeto con el que choca esa radiación.
Ejm.: las radiaciones del sol sobre la tierra.
Los cuerpos blancos reflejan una mayor proporción de la radiación térmica y absorben
muy poca.
Un cuerpo negro, por el contrario absorbe una gran parte de ella y refleja poco o nada.
Todo lo que este más caliente que su ambiente, radia calor y cuanto mayor sea la diferencia
de temperatura entre ambos más fuerte será la radiación. Esta radiación es proporcional a la 4
potencia de la temperatura absoluta (Ley de Stefan Boltzmann).
Ejm.: un objeto que este a una temperatura de 450 ºK (177 ºC), no radia vez y media más que otro
de 300 ºK (27), sino que irradia (1´5 ) 4 = 5´0625 veces más.
En resumen cuanto más alta sea la temperatura, mayor será la emisión de calor por
radiación. Por consiguiente, el enfriamiento puede conseguirse dejando que el objeto emita calor
por convección, conducción, radiación o por una combinación de todas ellas.
Esto es lo que ocurre en los tubos de Rayos X y su alojamiento.
La conducción térmica varia en las diferentes sustancias. Los metales Plata y Cobre son
conductores especialmente buenos, mientras que el Wolframio no lo es tanto. El punto de fusión
es independiente de esto.
Ejm.: el punto de fusión es muy bajo en el Plomo, Cobre, Plata siendo muy alto en el Wolframio
(3350ºC). El mercurio ya es liquido en la temperatura ambiente, tiene un punto de fusión de -39ºC.
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PRODUCCIÓN Y EMISIÓN DE CALOR
Al calentar un cuerpo, un hilo de metal, por ejemplo, su temperatura crece por lo que sus
moléculas empiezan a vibrar cada vez con más fuerza e incluso pueden llegar a separarse unas de
otras. Tal es lo que sucede, por ejemplo, cuando se eleva la temperatura de un filamento metálico
hasta que se pone incandescente, este empieza a evaporarse y por ultimo se rompe.
Los aislantes térmicos no conducen bien el calor. Entre estos cuerpos todos conocemos el
vidrio, la grasa y sustancias especiales que contienen grandes cantidades de aire tales como la
lana, los plásticos espumosos etc.
Si hay que eliminar calor de alguna parte, esto suele conseguirse mediante una
combinación de convección, conducción y radiación, así el ambiente extrae una parte de calor y
ese ambiente a su vez puede ser trasladado a otro. Por ejemplo. Aire caliente soplado por
ventiladores, agua caliente o aceite bombeados y sustituidos por otro más fresco. En este último
caso se habla de refrigeración por circulación forzada de líquido.
También puede suceder que el material que rodea al cuerpo pueda extraer de él un calor
suficiente para el uso, con lo cual se puede prescindir de la refrigeración forzada.
El enfriamiento por radiación se produce siempre que el ambiente esta a menor
temperatura que el cuerpo. La perdida de calor por radiación es muy considerable en altas
temperaturas.
Cuando por la causa que sea la producción de calor excede constantemente a la disipación
de calor aparece el sobrecalentamiento que puede llegar incluso a la fusión.
Al construir equipos de Rayos X y tubos de rayos X hay que prestar mucha atención a su
refrigeración con objeto de evitar sobrecarga.
Si se concentra una gran cantidad de calor en una zona relativamente pequeña durante, un
periodo breve, la posibilidad de su evacuación dependerá: del tamaño de dicha zona expresada en
mm2, del tipo de material afectado, según su capacidad de conducción térmica, según su punto de
fusión y de la potencia expresada en julio / seg. así como de que la zona en cuestión pueda
aguantar el calor producido sin fundirse, de lo contrario se tendrá una sobrecarga.
El punto de fusión de un metal o una combinación de ellos (aleación) no sólo depende de
su pureza y su estructura, sino también, a veces, de unos aditivos que se incorporan en cantidades
minúsculas.
Los experimentos para encontrar sustancias de elevado poder de fusión a la vez que
poseedoras de una mejor disipación térmica siguen aún en vigor y los resultados de tales
experimentos han tenido expresión en el blindaje térmico de las cápsulas espaciales que han de
resistir temperaturas altísimas en su recorrido por la atmósfera terrestre.
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