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Láseres y Rayos X (Física II)

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UnderHijo NoNwo

on 18 October 2013

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Transcript of Láseres y Rayos X (Física II)

¿Qué es una onda?
¿Qué es electromagnetismo?
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
¿Qué es la radiación electromagnética?
Radiación electromagnética
Características de las ondas electromagnéticas
FRECUENCIA
Absorción Emisión
Reflexión Refracción
Interferencia.
Características generales
LÁSERES Y RAYOS X
Se manifiesta como: calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma.
LONGITUD DE ONDA
AMPLITUD
EL LASER
Es un equipo que proporciona un haz estrecho de una radiación especial de luz monocromática y coherente en el rango visible, infrarrojo o ultravioleta del espectro de las radiaciones electromagnéticas.
¿ Qué es un láser ?
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation

“Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiaciones”
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Las ondas electromagnéticas tienen diferentes longitudes de onda y frecuencias, formando el llamado “espectro electromagnético” o simplemente “espectro”.
Las longitudes de onda mas largas tiene frecuencias bajas, y son las que menor cantidad de energía transportan, un ejemplo son las ondas de radio.

Al ir aumentando la energía transportada por la onda, su longitud de onda disminuye y su frecuencia aumenta, por ejemplo rayos x o rayos gamma.
A un láser se le puede suministrar la energía de diversas formas, tales como :
radiación electromagnética, energía eléctrica, energía química.
Mecánica cuántica
 A pesar de estar rodeados permanente mente de ondas electromagnéticas de todo el espectro, solo percibimos las que tienen longitudes de onda entre 380 y 700 nM, correspondientes a la luz visible.
Sin embargo, es posible ver el resto del espectro electromagnético con instrumentos como cámaras infrarrojas.

Haz o rayo de luz calificado como coherente respecto del medio
Las ondas electromagnéticas y su interacción con las cosas le dan a estas su respectivo color, este es la reflexión de las ondas cuya frecuencia coinciden con un color dado.
DE MENOR A MAYOR LONGITUD DE ONDA SE TIENE
ONDAS GAMMA
Su longitud de onda es del orden del núcleo de un átomo. Por esta razón son muy difíciles de detectar.
Al ser los de menor longitud de onda son los más energéticos, tanto así que pueden matar tejido vivo. Su origen es por lo general violento, explosiones, fuentes de mucho calor y materiales radioactivos.
Tanto así que una ráfaga de rayos gamma en tan solo 10 segundos emite mas energía que el Sol en toda su vida.
RAYOS X
Son rayos de luz de alta energía, su longitud de onda oscila entre 0.03 y 3 nM. Alrededor del tamaño de un átomo.
Son utilizados para determinar la composición de una sustancia y para analizar moléculas como la del ADN.
En observatorios espaciales son utilizados para determinar la composición, temperatura, densidad y campo magnético de cuerpos en el espacio, por ejemplo, agujeros negros y supernovas. Todo esto aparte del conocido uso en medicina.
Un poco de historia...
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser: un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas
FINALMENTE, el primer láser se invento en 1960
En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación.
RAYOS ULTRAVIOLETAS
Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.
FISICA DEL LASER Y SU FUNCIONAMIENTO
Su longitud de onda varia entre los 10 y 400 nM y se dividen en rayos UVA, UVB y UVC.
Los UVA son los mas cercanos a la luz visible y tienen como característica que pasan fácilmente por la capa de ozono. Por su parte los B y C son nocivos para la salud, sin embargo su paso por la capa de ozono es restringido.
Al igual que los rayos X son utilizados en observatorios espaciales para identificar la composición de cuerpos en el espacio.
Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión.
BOMBEO
Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.
EMISIÓN ESPONTÁNEA DE RADIACIÓN
La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados.
EMISIÓN ESTIMULADA DE RADIACIÓN
LUZ VISIBLE
Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.
ABSORCIÓN
La luz visible varia entre los 380 y los 700 nM de longitud de onda, los 380 nM representan el violeta y los 700 nM el rojo.
Como su nombre lo indica es la única porción del espectro que el humano puede percibir naturalmente.
Con la luz visible es posible determinar la temperatura de un objeto, es por esto que una llama azul esta mas caliente que una amarilla. La azul contiene mas energía.
RAYOS INFRAROJOS
Su longitud de onda varia entre 760 y 1.000.000 nM, está más allá de la luz visible y generalmente se percibe como calor. El calor que llega a la tierra del sol viene transportada en ondas infrarrojas.
Es utilizada para la observación del espacio y el estudio de este, también es utilizado para transmisiones inalámbricas, por ejemplo, controles de TV.
Gracias a estos, es posible el estudio de la vegetación en la tierra desde el espacio, con la ayuda de receptores en satélites.
MICROONDAS
Varía entre 1mm y 30cm, son las utilizadas para la transmisión de datos en los celulares y GPS.
Tienen la capacidad de atravesar polvo y nubes, por esta razón son utilizadas para la obtención de informes del clima.
En todo el universo existe una radiación de microondas llamada “radiación cósmica de fondo”, esta fue utilizada como prueba a la teoría del Big Bang.
ONDAS DE RADIO
Son las ondas electromagnéticas con longitud de onda mas grande, empieza en los 30cm y puede llegar a longitudes del tamaño del diámetro de la tierra e incluso más.
Al ser las de mayor longitud de onda son las de menor frecuencia y menor potencia.
Al igual que el resto de ondas en el espectro es utilizada en la observación del espacio, ya que estrellas y demás cuerpos celestes emites de estas ondas.
Emite una radiación electromagnética de una sola longitud de onda
Características de los láseres
.
•Monocromaticidad
La radiación láser tiene una divergencia muy pequeña, es decir, puede ser proyectado a largas distancias sin que el haz se abra o disemine la misma cantidad de energía en un área mayor.
•Coherencia espacial
La luz láser se transmite de modo paralelo en una única dirección debido a su naturaleza de radiación estimulada
•Coherencia temporal
Tipos de láseres
El rubí esta formado por cristales de óxido de aluminio y una pequeña concentración de impurezas de óxido de cromo; este óxido de cromo hace que el transparente cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de cromo aumenta.
•Láser de Rubí
Los centros activos de este láser son los átomos de neón, pero la excitación de éstos se realiza a través de los átomos de helio. Una mezcla típica de He-Ne para estos láseres contiene siete partes de helio por una parte de neón.
•Láser de Helio-Neón
Se obtiene mediante Las transiciones radiactivas entre niveles altamente excitados de gases nobles. Es el más utilizado de este tipo de láseres debido a sus intensas líneas de emisión en la región azul-verde del espectro electromagnético y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de él.
•Láser de argón ionizado
El medio activo en este láser es una mezcla de bióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He).
•Láseres de CO2
El medio activo en este tipo de láser está compuesto por líquidos en los que se han disuelto compuestos orgánicos, entendidos estos últimos cómo los hidrocarburos y sus derivados.
•Láser de soluciones líquidas orgánicas
Los láseres de semiconductores son los láseres más eficientes, baratos y pequeños que es posible obtener en la actualidad.
•Láseres de semiconductores
los electrones libres no están sujetos a la existencia de transiciones energéticas particulares y por lo tanto pueden generar radiación electromagnética en cualquier longitud de onda del espectro.
•Láser de electrones libres
Aplicaciones
El láser en la medicina es cada vez más usado al actuar muy selectivamente sobre la lesión, dañando mínimamente los tejidos adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a destrucción de otro tejido sano de su entorno e inflamación, así como presentar una esterilización completa al no ser necesario instrumental quirúrjico.
•Aplicaciones en la medicina
•Lesiones pigmentadas
•lesiones vasculares.
•cirugía dermatológica
•depilación
•Resurfacing: peeling -láser.-
-En dermatología
•Glaucoma
•Corte de membranas secundarias
•Rinopatía diabética
•Desprendimiento de retina
•Edema muscular
•Vitrectomía
•Cirugía refractiva
-En oftalmología
•Eliminación de obturaciones antiguas
•Sellado de fosas y fisuras
•Hiperestesia dentinaria
•Endodoncia
-En odontología
Aplicaciones más cotidianas de los sistemas láser son, por ejemplo, el lector del código de barras, el almacenamiento óptico y la lectura de información digital en discos compactos (CD) o en discos versátiles digitales (DVD), que se diferencia en que éstos últimos utilizan una longitud de onda más corta (emplean láser azul en vez de rojo).
•El laser en la Computación
•Realizar Soldaduras.
•Tratamientos superficiales como:
- Endurecimiento o temple.
- Aleación superficial.
- Recubrimiento superficial.
- Fusión superficial.
•Corte mediante el láser.
•Taladrado y punzonado.
•Marcado mediante láser.

•El laser en la ingeniería
INTRODUCCIÓN RAYOS X
Fueron descubiertos por Wilhelm Conrad Röntgen en 1895, mientras experimentaba en su laboratorio con un tubo de Crookes, fueron llamados inicialmente rayos incógnita o rayos x debido a que Röntgen no sabia que eran.
Gracias a su investigación recibió en 1901 el primer premio Nobel de física en la historia. A pesar de que Thomas Alba Edison le propuso patentarlos Röntgen se negó a hacerlo.
Los Rayos X se producen cuando un haz de electrones se desaceleran al chocar con un blanco metálico, en medicina y en trabajos de laboratorio se utilizan tubos de Rayos X para su producción.
Dentro de un tubo de vidrio al vacío, recubierto por plomo, se ubican el cátodo que es el encargado de hacer el disparo y el ánodo que es el blanco. Los Rayos X son producto de la colisión de los electrones con el ánodo.
PROPIEDADES
USOS
.
* Esta siendo desarrollado por El laboratorio, llamado Instalación Nacional de Ignición (NIF), en California
* provocará la reacción nuclear enfocando 192 rayos láser gigantescos a una pequeña munición de combustible de hidrógeno.
* Se espera reducir la dependencia del mundo a combustibles fósiles
El laser mas poderoso del mundo
Si se sustituye la película fotográfica por el platinocianuro de bario o el sulfuro de Zinc, puede observarse directamente la estructura interna de objetos opacos. Esta técnica se conoce como fluoroscopia.
FLUORESCENCIA
Proporciona un método para medir la energía de los rayos X. Cuando se hacen pasar rayos X por una cámara de ionización se produce una corriente eléctrica proporcional a la energía del haz incidente. Por otra parte, la capacidad ionizante de los rayos X hace que su trayectoria pueda visualizarse en una cámara de niebla
IONIZACIÓN
En 1912, el físico alemán Max Von Laue y su equipo, sugirieron que los átomos de un cristal están espaciados a una distancia tan pequeña que les permite servir como elementos de una rejilla de difracción tridimensional para los rayos X
DIFRACCIÓN DE LOS RAYOS X
Cuando un fotón correspondiente a la zona de rayos X del espectro electromagnético choca contra un átomo, puede golpear un electrón de una capa interior y expulsarlo del átomo. Si el fotón tiene más energía que la necesaria para expulsar el electrón, le transferirá esta energía adicional en forma de energía cinética. Este fenómeno, tiene lugar principalmente en la absorción de rayos X de baja energía.
EFECTO FOTOELÉCTRICO
Cuando un fotón de alta energía choca con un electrón, ambas partículas pueden ser desviadas formando un ángulo con la trayectoria de la radiación incidente de rayos X. El fotón incidente cede parte de su energía al electrón y sale del material con una longitud de onda más corta.
EFECTO COMPTOM
Este tipo de absorción se observa especialmente cuando se irradian elementos de masa atómica elevada con rayos X de muy alta energía. Cuando un fotón de alta energía penetra en la capa electrónica cercana al núcleo, puede crear un par de electrones, uno con carga negativa y otro con carga positiva; los electrones con carga positiva se conocen también como POSITRONES.
PRODUCCIÓN DE PARES
INTERACCIÓN CON LA MATERIA
* ABOITES, Vicente, EL LASER, la ciencia para todos, biblioteca universidad EAFIT, México D.F.
* ARIELI, Rami, LA AVENTURA DEL LASER, universidad de Murcia, España. Versión en español, sacado de: http://www.um.es/LEQ/laser/index.htm
* LABORATORIO DE RAYOS X, universidad de Sevilla, España. Sacado de : http://investigacion.us.es/scisi/sgi/servicios/area-de-rayosx/presentacion
* BREVE HISTORIA DE LOS RAYOS X, pontificia universidad católica de Chile. Sacado de: http://servicios.fis.puc.cl/rayosx/
* El láser y sus aplicaciones, de: www.monografias.com
* Youtube.com/funcionamientolaser
Bibliografía
MUCHAS GRACIAS
*Laser de descarga eléctrica
*sistema activo de rechazo desclasificado
*Zeus
Laser en la guerra
La fluorescencia de rayos X (FRX) se produce al excitar una muestra con rayos X.
La radiación incidente expulsa electrones de capas interiores del átomo dando lugar a que los de capas más externas ocupan su lugar. El exceso energético resultante de esta transición se disipa en forma de fotones (radiación X ) cuya energía es característica para cada elemento químico, y cuya intensidad depende de su concentración.
La producción de pares es un ejemplo de la conversión de energía en masa. El fotón necesita una energía de al menos 1,2 MeV para proporcionar la masa del par. Si el fotón incidente posee más energía de la necesaria para la producción del par, el exceso de energía se cede al par de electrones en forma de energía cinética. Las trayectorias de las dos partículas son divergentes.
APLICACIONES
En la actualidad es difícil que un hospital moderno no tenga un departamento de radiología
MEDICINA
INGENIERÍA
ULTIMAS HISTORIA

• El espesor del material
• La densidad del material.
• El numero atómico del material.
Para realizar la radiografía el paciente se le coloca entre la fuente que emite la radiación y la placa fotográfica.
RADIOGRAFÍA
Gira 180° en torno al cuerpo del paciente emitiendo un haz de rayos X del grosor de un lápiz. Unos cristales situados en los puntos opuestos reciben y registran la absorción de los distintos espesores de tejido y huesos. Estos datos se envían a una computadora que convierte la información en una imagen sobre una pantalla.
TAXONOMÍA AXIAL COMPUTARIZADA (TAC)
•Sustancias que absorben más radiaciones: RADIOPACAS (más blancas)
•Menos absorción: RADIOLÚCIDAS (más negras)
En radiología lo mas común es hablar de mili-Sievert (mSv)
1 Sv = 1000 mSv
¡cuidado!
Dosis permitida: 20 mSv en un año
Radiografía de tórax……….. 0,1 mSv
TAC Tórax………………………… 8 mSv
TAC Abdomen…………………... 10 mSv
Mamografía……………………. 0,7 mSv
Pueden usarse como control de calidad de piezas terminadas o en proceso de fabricación y además en el mantenimiento de equipos y máquinas.
Cavidades, porosidades
Inclusiones solidas de escorias
Fisuras o micro-grietas
Falta de penetración
Falta de fusión o despego
Exceso de penetración
SOLDADURA
Ejemplos:
Luz de estrella
Energías
Radiaciones
Energías de Ionización
Usos de los rayos Gamma
Astronomía
Medicina
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