DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTAS FISCA II PARA ELECTÓNICA CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA
INFORME DE LABORATORIO DE FISICA PRACTICA No. 3.1 TEMA DE PRACTICA: ATENUACIÓN DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS PROFESOR: FÍSICO MIGUEL CHÁVEZ FECHA DE ENTREGA: 26 DE ENERO DEL 2015 REALIZADO POR: ACOSTA ALEJANDRO, REINOSO MONSERRATE NRC: 1824
Laboratorio de Física Informe N°. 3.1 TEMA: ATENUACIÓN DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS Objetivos: Determinar
la
dependencia
de
la
atenuación
de
las
radiaciones
electromagnéticas con el espesor de los materiales absorbentes. Teoría: Conceptos Básicos: Radiación: es el proceso de transmisión de ondas o partículas a través del espacio o de algún medio; el término también se emplea para las propias ondas o partículas. Las ondas y las partículas tienen muchas características comunes; no obstante, la radiación suele producirse predominantemente en una de las dos formas. Plomo: es un metal blando, maleable y dúctil. Si se calienta lentamente puede hacerse pasar a través de agujeros anulares o troqueles. El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza industrialmente en las redes de tuberías, tanques y aparatos de rayos X. Marco Teórico – Atenuación de las radiaciones electromagnéticas La utilización de radiaciones ionizantes es cada vez más frecuente. Por esto, aparte de que estamos expuestos siempre a una cierta dosis natural, tiende a incrementarse la posibilidad de recibir radiación proveniente de (múltiples fuentes artificiales, entre las cuales mencionamos: equipos médicos con la aplicación de diversos radioisótopos. Equipos industriales de amplia utilización en tecnologías modernas de ensayos no destructivos. Equipos de comunicación satelital, etc. Cuando se usa radiación, el riesgo de una dosis excesiva se puede reducir al mínimo con métodos de trabajo apropiados y buenos hábitos.
El manejo inadecuado de las radiaciones ionizantes ha dado lugar a accidentes de serias consecuencias. Además, las radiaciones pueden tener efectos a largo plazo, recuerde la experiencia de Hiroshima y Nagasaki y últimamente de Chernobyl, lo que ha ocasionado temores irracionales y rechazo de su empleo. Por otra parte, como las radiaciones no se ven ni se sienten, se puede una expectativa de falsa confianza. La radiación, sus características y sus efectos principales en los humanos son bien conocidos. Por lo tanto debe ser posible convivir con ella con la máxima seguridad. Se pueden establecer rutinas de manejo que tomen en cuenta las experiencias y conocimientos expresados aquí. Además existen normas a nivel nacional e internacional para regular su uso. Supóngase que se envía un haz delgado de intensidad lo (número de fotones) de rayos X o gamma mono energéticos sobre un material de espesor x, y se coloca detrás de éste un detector. En el material, el haz será atenuado por las tres interacciones (alfa, beta y gamma), llegando al detector sólo la cantidad 1, menor que lo. La atenuación obedece la ley exponencial: −μx
I =Io e
Donde: e es la base de los logaritmos naturales, y µ se llama coeficiente lineal de atenuación. Normalmente x se .expresa en unidades de cm, por lo que µ estará dado en cm-1.
Nótese
que la ecuación tiene la misma forma
que la ley de
decaimiento radioactivo.
Este grafico muestra una curva de atenuación típica. Cuando x= O, o sea sin absorbedor, la intensidad medida I= lo. El valor del coeficiente lineal de atenuación IJ determina qué tan rápidamente cae la curva de atenuación. En analogía con la vida media, se puede definir la capa hemirreductora X 1/2 como el grueso de absorbedor que reduce la intensidad inicial a la mitad. Dos capas hemirreductoras la reducen a una cuarta parte, y así sucesivamente, n capas hemirreductoras la reducen por un factor 1/2 n. La capa hemirreductora está relacionada con el coeficiente lineal de atenuación según la ecuación x 1/ 2=0.693/µ
También se define la capa decimo reductora x
1/10
como el espesor que
reduce la intensidad a una décima parte Dos de éstas la reducen a un centésimo, y n capas decimo reductoras la reducen a un factor 100 n. La capa decimo reductora se relaciona con µ según la ecuación: x 1/10 =2.203/µ
Una cantidad que se usa normalmente es el coeficiente másico de atenuación um, que se obtiene al dividir el coeficiente lineal entre la densidad p del material:
µ m=µ/ p
Si las unidades de p son g/ cm 3, las de µm son cm2/ g. Si se emplea el coeficiente másico de atenuación, la ley de atenuación queda en la forma: −µ I = Io e
( px )
m❑
Los coeficientes lineales y másico de atenuación difieren de un material a otro, según sean bueno o malos absorbedores de rayos X y gamma. También sus valores dependen de la energía de la radiación. El siguiente grafico muestra un ejemplo de la variación del coeficiente másico de atenuación para un buen absorbedor, el plomo, según la energía. Allí se puede ver también la contribución relativa que ofrecen cada uno de los tres efectos de atenuación.
La absorción de energía por el material está relacionada por la atenuación, pero no son iguales. La atenuación implica absorción de energía sólo si se trata de efecto fotoeléctrico; en los otros dos efectos, la atenuación del haz
inicial implica la absorción de sólo una parte de la energía de los fotones. Se define entonces un coeficiente de absorción Ua, que siempre es menor o igual al de atenuación. Equipo:
Tubo Geiger-Muller (G.M) Fuente radioactiva (Acetato de Uranyl) Ratímetro Láminas absorbentes Cronómetro
Procedimiento:
Alimente el detector G.M con 500 V. Coloque la muestra radioactiva a una distancia de 2 cm. Del detector. Ubique la segunda placa del ratímetro entre el detector y la muestra; y
anote el valor de CPM promedio, sin atenuador. Empiece a colocar uno a uno los atenuadores de la misma naturaleza y
anote las lecturas promedio correspondientes Tabulación de Datos:
Apreciación de los Equipos Calibrador Tubo Geiger-Muller(G.M)
0.1mm CPS
Atenuador: Plomo Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 22 1 mm
2 18 2 mm
3 15 3 mm
4 13 4 mm
5 10 5mm
Atenuador: Acrílico Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 2446 1 mm
2 1375 2 mm
3 727 3 mm
4 321 4 mm
5 124 5mm
Atenuador: Baquelita Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 2219 1 mm
2 1330 2 mm
3 478 3 mm
4 162 4 mm
5 49 5mm
Ejemplo de Cálculos: En primer lugar ya ubicado el voltaje correspondiente en EL tubo Geiger-Muller, y el material radiactivo, procedemos a tomar la CPM, también llamadas cuantos por minuto. Primero tomamos la medida cuando no se encuentra ningún material en el aparato. En este caso tomamos como ejemplo al plomo, en el cual tomamos la placa, del material y con el calibrador, obtenemos su espesor, en el primer caso su espesor es de un milímetro, ubicamos la placas en el aparato y obtenemos sus CPS que en este caso nos da 4, pero le multiplicamos por mil, porque es la escala la cual tomamos. Para la segunda toma de datos tomamos otra placa y medidos su espesor, que nos da otra vez un milímetro, y este le sumamos al espesor de la placa anterior, que ya se encontraba en el aparato, y el espesor total nos dará 2 milímetros, procedemos a ubicar la nueva placa encima de la ya ubicada y tomamos otra vez los CPS. Procedemos así con todas las placas, y con todos los materiales de la práctica que nos proporcionen en este caso cinco, y su espesor lo adquirimos con: Espesor Total=( Espesor ubicadoen el aparato ) +( Espesor de la placaa ubicar)
Preguntas: 1. Construya la relación CPS – Espesor, analice y realice sus respectivas linealizaciones: Naturaleza del atenuador: PLOMO Atenuador: Plomo Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 22 1 mm
2 18 2 mm
3 15 3 mm
4 13 4 mm
5 10 5mm
CPS- Espesor 5000 4500 4000 3500 3000
CPS- Espesor
2500 2000 1500 1000 500 0 0
1
2
3
4
5
6
Al graficar los datos obtenidos en la experiencia con los atenuadores de baquelita, obtenemos una rama de hipérbola de la forma
Y =a X
b
, es decir, encontramos
que las cuentas por minuto (CPM) son directamente proporcionales al espesor de los atenuadores elevado a una constante b.
Linealización de la curva
Linealización CPS vs Espesor (Plomo) 1000
100
Cuentas por segundo
10 1
10
100
Espesor
Tabla-Plomo: Espesor(mm) X 1 2 3 4 5
Cuentas por minuto (CPM) Y 22 18 15 13 10
LOG(X) 0 0,3 0,5 0,6 0,7
LOG(Y) 1,3 1,3 1,2 1,1 1,0
Trabajando con los puntos P4 (4,13), P5 (5,10) b Rama de la hipérbola de la forma: y=a x Aplicando logaritmos obtenemos la ecuación de la forma: log ( y )=log ( a )+ blog( x) b=
∆ log y log ( y 5 )−log ( y 4) 1,0−1,1 = = =−1 ∆ log x log ( x 5 )−log ( x 4) 0,7−0,6
Y a=antilog (log y−b log x ) Con P4 (4,13) a=antilog (1,1−(−1 ×0,6)) a=50,12 y=50,12 x−1
Análisis Dimensional: Al linealizar la curva CPM – Espesor del atenuador, obtenemos una recta cuya pendiente es constante y representa
la capa hemirreductora propia de cada
coeficiente lineal de atenuación. Sus unidades en el S.I. son: m ( l 1 )=μ=
1 −1 =mm . mm .
Análisis Físico: Al graficar los datos, podemos expresar la ley del experimento de la siguiente manera: “El espesor de los atenuadores de baquelita es
inversamente
proporcional a las cuentas por minuto (CPM)”. La curva es una línea recta que no pasa por el origen, su pendiente es una constante negativa.
Espesor atenuadores baquelita ∝
m(l 1) ( pendiente constante ) CPS
Espesor de los atenuadores baquelita=
μ CPS
Naturaleza del atenuador: ACRILICO
Atenuador: Acrílico Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 2446 1 mm
2 1375 2 mm
3 727 3 mm
4 301 4 mm
5 124 5mm
CPS- Espesor 5000 4000 3000 CPS
2000 1000 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Espesor
Análisis Físico: Al graficar los datos obtenidos en la experiencia con los atenuadores de aluminio, obtenemos una rama de hipérbola de la forma
Y =a X b , es decir, encontramos
que las cuentas por minuto (CPM) son directamente proporcionales al espesor de los atenuadores elevado a una constante b.
Acrílico 100
Cuentas por segundo
10
1 1
10 Espesor
100
Tabla-Acrílico: Cuentas por Espesor(mm) minuto (CPS) X Y 1 2446 2 1375 3 727 4 321 5 124
LOG(X) 0 0,3 0,5 0,6 0,7
LOG(Y) 3,4 3,1 2,9 2,5 2,1
Trabajando con los puntos P4 (4,301), P5 (5,124) b Rama de la hipérbola de la forma: y=a x Aplicando logaritmos obtenemos la ecuación de la forma: log ( y )=log ( a )+ blog( x) b=
∆ log y log ( y 5 )−log ( y 4) 2,1−2,5 = = =−4 ∆ log x log ( x 5 )−log ( x 4) 0,7−0,6
Y a=antilog (log y−b log x ) Con P4 (4,321) a=antilog (2,5−(−4 × 0,6)) 3
a=79,43× 10
3
−4
y=79,43 ×10 x Análisis Dimensional:
Al linealizar la curva CPM – Espesor del atenuador, obtenemos una recta cuya pendiente es constante y representa la capa hemirreductora propia de cada coeficiente lineal de atenuación. Sus unidades en el S.I. son: m ( l 2 )=μ=
1 =mm.−1 mm .
Análisis Físico:
Al graficar los datos, podemos expresar la ley del experimento de la siguiente manera: “El espesor de los atenuadores de aluminio es inversamente proporcional a las cuentas por minuto (CPM)”. La curva es una línea recta que no pasa por el origen, su pendiente es una constante negativa.
Espesor atenuadores aluminio ∝
m(l 2) ( pendiente constante ) CPM
Espesor de los atenuadores aluminio=
μ CPM
Naturaleza del atenuador: Baquelita Atenuador: Baquelita Nº de Atenuaciones CPS Espesor
0 4294 0 mm
1 2219 1 mm
2 1330 2 mm
3 478 3 mm
4 162 4 mm
5 49 5mm
CPS-Espesor 5000 4000 3000
CPS-Espesor
2000 1000 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Análisis Físico: Al graficar los datos obtenidos en la experiencia con los atenuadores de baquelita, obtenemos una rama de hipérbola de la forma
Y =a X b , es decir,
encontramos que las cuentas por minuto (CPM) son directamente proporcionales al espesor de los atenuadores elevado a una constante b.
Linealización de la curva 100
Cuentas por segundo
10 Aluminio
1 1
10
100
Espesor
Tabla-Baquelita: Cuentas por Espesor(mm) minuto (CPS) X Y 1 2219 2 1130 3 478 4 162 5 49
LOG(X) 0 0,3 0,5 0,6 0,7
LOG(Y) 3,3 3,1 2,7 2,2 1,7
Trabajando con los puntos P4 (4,162), P5 (5,49) b Rama de la hipérbola de la forma: y=a x Aplicando logaritmos obtenemos la ecuación de la forma: log ( y )=log ( a )+blog( x) b=
∆ log y log ( y 5 )−log ( y 4) 1,7−2,2 = = =−5 ∆ log x log ( x 5 )−log( x 4) 0,7−0,6
Y a=antilog (log y−b log x ) Con P4 (4,162) a=antilog (2,2−(−5 × 0,6))
3
a=158,49× 10
3
−5
y=158,49 ×10 x Análisis Dimensional:
Al linealizar la curva CPM – Espesor del atenuador, obtenemos una recta cuya pendiente es constante y representa
la capa hemirreductora propia de cada
coeficiente lineal de atenuación. Sus unidades en el S.I. son: m ( l 1 )=μ=
1 =mm .−1 mm .
Análisis Físico: Al graficar los datos, podemos expresar la ley del experimento de la siguiente manera: “El espesor de los atenuadores de plomo es inversamente proporcional a las cuentas por minuto (CPM)”. La curva es una línea recta que no pasa por el origen, su pendiente es una constante negativa.
Espesor atenuadores de plomo ∝
m(l 1) ( pendiente constante ) CPS
Espesor de los atenuadores de plomo=
μ CPS
2. ¿Qué relación existe entre el sonido del parlante (su intermitencia) y la radiación emitida? Según lo que se pudo observar en la experiencia de laboratorio, se detectó, que ha más placas de los materiales, el sonido del parlante se iba haciendo menos agudo, y la radiación emitida a más material absorbente iba también
siendo disminuida, por lo que podemos decir, que el sonido que se daba en el parlante, y la radiación que se emitía, tienen una relación directa, ya que ha más sonido existía mayor radiación emitida y viceversa, con esto también se pudo observar que el plomo es el material más absorbedor de la radiación, ya que al poner solo una placa de un milímetro, el sonido del parlante se baja instantáneamente de forma brusca, por lo que se da también la baja de la radiación que se emitía. 3. ¿Por qué el plomo proporciona mejor blindaje que el cobre? Porque en el material de plomo debido a su elevada densidad y propiedades nucleares, ofrece una mejor protección y
blindaje
de
materiales radiactivos, es por esta razón que es utilizado también en algunas aplicaciones que los rayos x, y es mejor que el cobre ya que en cambio este material, no tiene las propiedades absorbentes precisas para la radiación el cobre es mejor utilizado, en las áreas eléctricas porque posee las mejores propiedades para conducir electricidad. 4. ¿Qué problemas para los seres vivos conlleva la utilización inadecuada de radiaciones? Muchas veces, es muy difícil diagnosticar estos casos que se han producido por exposición inadvertida a una fuente de radiación industrial o a un equipo de tratamiento médico, en ocasiones obtenido o manipulado de manera ilegal. En un caso ocurrido en Estonia, donde la fuente de radiación se había trasladado a una casa, el diagnóstico de exposición a la radiación se realizó después de que un miembro anciano de la familia falleció y otros comenzaron a presentar malestar general, además se debe tomar en cuenta que la radiación puede durar en la persona de más de 40 años aproximadamente, lo que quiere decir que si se vio expuesta a una
radiación, a los 15 años, y a ya en una edad adulta presenta cáncer es muy probable que se deba a esa radiación recibida. En una exposición inadecuada y aguda a la radiación puede producir la muerte. El efecto biológico principal es la lesión celular, cuya intensidad depende del tipo de tejido afectado, en algunos casos, se produce una reducción
significativa
del
número
de
células
sanguíneas
como
consecuencia de la disminución de la médula ósea, lo que conduce a un aumento de la susceptibilidad a las infecciones, la presencia de hemorragias y anemia. En las zonas en las que existe una exposición directa intensa o una contaminación superficial con materiales radiactivos, pueden aparecer quemaduras cutáneas, lo que incrementa la pérdida de líquidos corporales y el riesgo de infección. Conclusiones: A través de la práctica realizada pudimos determinar que la dependencia que la atenuación de las radiaciones electromagnéticas con el espesor de los materiales, viene dada con la relación de a mayor espesor o sea a mayor placas de cada material existe mayor atenuación, y sobre todo en el material de plomo, ya que este material por sus propiedades es el que más atenuó a las radiaciones. También se pudo concluir que el plomo al ser el material que más atenúa a las radiaciones, es utilizado como blindaje para los materiales radioactivos, y también utilizado para las puertas en áreas de radiactividad, para proteger a los seres humanos y seres vivos. Bibliografía: Sánchez del Rio (coordinador). Física Cuántica. Ediciones Pirámide.
1997 . Un libro sobre física cuántica escrito por varios físicos españoles.
