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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS QUÍMICA DE ALIMENTOS

FISICA II

INTEGRANTES: Pozo Katherine

Tuitice Alicia Urquizo Michelle

TEMAS Rayos X: El experimento de RÖENTGEN en la

Universidad de WÜRTZBURG. Conclusiones de RÖENTGEN, debido a su experimento. El trabajo de LAUE, FRIEDRICH y KNIPPING, consecuencias.

Contribución de los rayos X en el estudio de sistemas orgánicos. Composición de los rayos X. –Gráfica de curvas típicas de las distribución espectral de emisión continua de rayos X. significado de BREMSSTRAHLUNG.

Postulado de Planck- Einstein .- Energía máxima de un fotón.

Rayos X Los rayos X son ondas electromagnéticas Se originan por la desaceleración de electrones, Son de alta frecuencia con una longitud de onda muy corta es

por esto que no son visibles. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar

con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga.

RAYOS X, EL EXPERIMENTO DE ROENTGEN,CONCLUSIONES, TRABAJO DE LAUE,

FREDRICHY, KNIPPING.

EL EXPERIMENTO DE ROENTGEN

• La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William Crookes,

• En 1895, el físico alemán Wilhelm Roentgen director de la universidad Würzburgdescubrió que del tubo en el que se crean rayos catódicos se emiten, además, unos rayos desconocidos

• Estos rayos muy energéticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecían las placas fotográficas, incluso cubiertas, y producían fluorescencia en algunas sustancia.

• Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no podían contener partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida.

• Usó placas fotográficas, para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer.

El experimento de Roentgen• Los electrones emitidos por el cátodo incandescente del tubo de rayos X se

aceleran por el fuerte campo eléctrico en el espacio entre el ánodo y el cátodo y a gran velocidad chocan contra el ánodo, como resultado irradian rayos X que salen del vidrio del tubo al exterior

• Puesto que los electrones que bombardean el ánodo tienen diversas velocidades, al chocar se producen los rayos X de diferentes longitudes de onda, debido a esto la radiación del tubo de rayos X tienen espectro continuo.

Consecuencias

1. Los rayos x se distinguen por su dureza, cuanto más corta es la longitud de onda, tanto mayor se considera su dureza

2. Una particularidad muy importante de los rayos X es su alta penetrabilidad respecto a muchas sustancias opacas a la luz visible, el plomo es una de las sustancia que es menos trasparentes a los rayos X

3. Además del platinocianuro de bario otras sustancias, al quedar expuestas a los rayos X, emiten radiación luminosa. Como ejemplo de estas sustancias se pueden mencionar algunos compuestos de calcio, vidrio de uranio, cuarzo. Sin embargo, la luz emitida es distinta para compuestos diferentes.

4. Igual que todas las ondas electromagnéticas, los rayos X no se desvían en el campo eléctrico y magnético.

5. El índice de refracción de los rayos X se diferencia muy poco de la unidad y ellos casi no sufren refracción al pasar de un medio a otro.

6. Las emulsiones fotográficas resultan ser muy sensibles a los rayos X. Una placa fotográfica expuesta a un haz de rayos X se ennegrece.

TRABAJO DE LAUE, FRIEDRICH Y KNIPPING: DIFRACCION DE LOS RAYOS X

Estructura cristalina: Los metales, las sales y la mayoría de los minerales formados por cristales. Durante siglos, la gente ha conocido cristales como la sal y el cuarzo; pero no fue sino hasta el siglo XX que se interpretaron como ordenamientos regulares de átomos.

El físico alemán Max von Laue descubrió que un haz de rayos X dirigido hacia un cristal se difracta (se separa) y forma un patrón característico

Los patrones de difracción de rayos X en las películas fotográficas muestran que los cristales son mosaicos nítidos de átomos establecidos en redes regulares, como tableros tridimensionales de ajedrez.

Los metales como hierro, cobre y oro tienen estructuras cristalinas relativamente sencillas.

El estaño y el cobalto son un poco más complicados. Todos los metales contienen una mezcla de muchos cristales, cada

uno casi perfecto, y cada uno con la misma red regular, pero con inclinaciones distintas respecto a las del cristal vecino.

Laue tenia un argumento los rayos x al atravesar un cristal, este estaría funcionando como una rejilla de difracción para los rayos X de manera análoga a aquella en que una rejilla común funciona para la luz visible.

Se recordará que el fenómeno de difracción solamente se presenta en haces que tienen características ondultorias.

La zona central corresponde al haz directo que no se difractó, mientras que los puntos a su alrededor corresponden a haces difractados por el cristal.

Consecuencia Es así como Laue, Friedrich y Knipping, estudiantes alemanes, demostraron dos cosas al mismo tiempo: En primer lugar, que la estructura cristalina consiste

efectivamente en una red regular y ordenada, ya que el patrón de difracción muestra regularidad.

En segundo lugar, que los rayos X son ondas. La idea de Laue fue que para que el patrón de

difracción fuera apreciable, era necesario que la longitud de onda de la radiación incidente fuese del mismo orden de magnitud que la separación entre los elementos de la rejilla. Asimismo, Laue hizo notar que el cristal estaba funcionando como una rejilla en tres dimensiones, a diferencia de las rejillas en una y dos dimensiones con las que anteriormente había trabajado.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

• Los rayos x fueron descubiertos por Wilhelm Röntgen, quien en 1895, encontró que dichos rayos eran capaces de atravesar varios tipos de materiales con mucha facilidad, a ellos los denomino rayos x.

• Röntgen fue el primer hombre que realizo una radiografía.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

En el año de 1896, Whielm Koening realizo 14 radiografías dentales, y Otto Walkoff, en colaboración de Fritdrich Gusel, radiografiaron los molares de Walkoff.

Edmund Kells en 1900, descubrió que si se obtura un conducto radicular, se logra disminuir el tiempo de exposición a los rayos x.

Antonie Beclere, creo un servicio de enseñanza radiológica, sin embargo el uso de dichos rayos era aún muy limitada.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

La exposición a esta clase de radiación provoca la muerte de células y tejidos, pero se logró aprovechar esta aparente desventaja en el ámbito de las enfermedades cancerígenas, puesto que en el año de 1904, se registraron 33 casos de cáncer a la piel, y 1 caso de cáncer de ovarios curados.

Gracias a la radiocinematografía llevada a cabo por Lomon y Commandon, es posible utilizar los rayos x para determinar zonas en el cuerpo que son transparentes a los rayos x.

La radioscopia y la radiografía, son aplicaciones diagnosticas en la medicina. La primera observa órganos en movimiento que se visualizan borrosos, mientras que la segunda otorga imágenes claras y precisas de órganos fijos.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

A demás de la aplicación en la medicina, los rayos Röntgen, causaron un gran impacto en el ámbito de las ciencias químicas, siendo de gran ayuda para determinar la estructura electrónica del átomo.

Gracias a la espectroscopia de rayos x, se identificaron elementos que aún no eran conocidos, puesto a que cada elemento químico tiene un espectro de rayos x característico.

El fenómeno de difracción de rayos x se refiere a la desviación de los rayos debido a la forma de una red cristalina.

Gracias a los patrones de dispersión (difracción) se pueden deducir el ordenamiento de las partículas de una red cristalina.

La difracción de rayos x es el método mas efectivo para determinar los ángulos y distancias de enlace de las moléculas en estado solido. Debido a que los rayos x son dispersados por los electrones, se puede realizar un “mapa de contorno de densidad electrónica”.

Cuando la densidad electrónica es mayor, es porque se encuentra mas cerca del centro del átomo, lo que permite indagar el lugar donde se encuentra el núcleo del átomo y por ende determinar la forma de la partícula.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

La placa fotográfica permite el análisis de la estructura cristalina.Max Theodor Felix von Laue (1879-1960). Físico alemán. Von Laue recibió el premio Nobel de Física en 1914, por su descubrimiento de la difracción de los rayos X.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

La onda inferior viaja una distancia de 2d sen θ más larga que la onda superior. Para que las dos ondas estén en fase nuevamente después de la reflexión es necesario que 2d sen θ = nλ

Donde: λ es la longitud de onda de

los rayos X n = 1, 2, 3...

d= distancia entre los dos rayos

Θ = ángulo comprendido entre los rayos X en el plano

del cristal.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

Gracias a la cristalografía de rayos x, cuestión que fue estudiada por Max von Laue, se lograron determinar las propiedades estructurales de todo tipo de moléculas y hasta componentes celulares como los ribosomas.

CONTRIBUCIÓN DE LOS RAYOS X EN EL ESTUDIO DE SISTEMAS ORGÁNICOS.

COMPOSICIÓN DE LOS RAYOS X

Los rayos x son una radiación electromagnética producida por la desaceleración de los electrones, produciendo la ionización de la materia con la que hace contacto, es decir origina partículas con carga.

Los rayos x se encuentran comprendidos por una longitud de onda entre 10 y 0.01 nanómetros, a las que corresponde una frecuencia en el rango de 30 a 30000 PHz, lo que la diferencia de la luz visible puesto que es de 50 a 5000 veces la frecuencia de la misma.

Se encuentran compuestos de rayos blandos y rayos duros. Los rayos blandos hace referencia a aquellos que se encuentren cerca de la banda de los rayos ultravioleta, mientras que a los rayos duros se los relaciona a aquellos más cercanos a los rayos gamma.

COMPOSICIÓN DE LOS RAYOS X

GRAFICA DE CURVAS TÍPICAS DE LA DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE EMISIÓN

CONTINÚA DE RAYOS X.

En un tubo de rayos X, se encuentran dos electrodos, el cátodo y el ánodo, además de un blanco (diferentes metales como el tungsteno). Los rayos X se generan debido al choque de un haz de electrones contra el blanco de tungsteno, los electrones proyectil interactúan con los electrones de la placa de tres maneras diferentes que dan lugar a emisiones energéticas distintas.

La emisión de radiación infrarroja, en donde casi toda la energía cinética del electrón proyectil se convierte en calor. Excita a los electrones del metal sin ionizarlos y al desexcitarce se produce la radiación infrarroja.

La emisión de radiación característica, se produce cuando uno de los electrones proyectil, arranca a uno de los electrones del metal que se encuentran muy cercano al núcleo, provocando inestabilidad en el mismo, uno de los electrones que se encuentra en un nivel superior ocupara el lugar del arrancado produciendo la radiación característica.

La emisión continua, es el resultado de las colisiones entre los electrones proyectiles del haz de electrones con los átomos de la placa metálica. En cada una de las colisiones los electrones se desaceleran y se produce un fotón de energía de rayos X. La energía de dicho fotón será igual a la diferencia entre la energía cinética del electrón antes y después de la colisión.

GRAFICA DE CURVAS TÍPICAS DE LA DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE EMISIÓN

CONTINÚA DE RAYOS X.

Un electrón puede perder toda su energía cinética en una sola colisión con el núcleo, o puede perderla paulatinamente mediante varias colisiones.

En la ecuación se representa que si una fuente de rayos x trabaja a un potencial , la energía con la que todos los electrones llegan a la placa es . Es decir la energía máxima que puede tener el electrón proyectil es y se refiere a una sola colisión. El resto de energías debe ser menor y tienen al limite cero.

𝐸0=𝑒𝑈 0

GRAFICA DE CURVAS TÍPICAS DE LA DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE EMISIÓN

CONTINÚA DE RAYOS X.

EMISIÓN CONTINUA

La radiación continua de rayos X no varía respecto al material del blanco, pero si depende del potencial de aceleración o voltaje.

SIGNIFICADO DE BREMSSTRAHLUNG Y QUÉ DESCRIBE

El efecto BREMSSTRAHLUNG, es llamado también como emisión de radiación de frenado, la cual ocurre cuando el haz de electrones pasa considerablemente cerca del núcleo del átomo del blanco, lo cual genera una interacción electrostática, la misma que provoca que el electrón proyectil se frene y se desvíe en forma del rayo X.

SIGNIFICADO DE BREMSSTRAHLUNG Y QUÉ DESCRIBE

El Bremsstrahlung tiene también un espectro continuo, porque produce una partícula cargada que se encuentra libre antes y después de la deflexión o aceleración del haz de electrones. El fenómeno de la emisión de radiación de frenado fue estudiado por Nikola Tesla en 1888 y 1897.

La física clásica proponía que a una mayor generación de calor también debía incrementarse la radiación de luz, sin embargo ante una observación más detenida esta teoría resulta incorrecta.

POSTULADO DE PLANCK-EINSTEIN

• Max Planck (1958-1947) fundador de la teoría cuántica.

La radiación no es emitida de manera continua, sino en forma de pequeños paquetes discretos llamado CUANTOS.

POSTULADO DE PLANCK-EINSTEIN

• En 1889, descubrió una constante fundamental, la denominada constante de Planck.

La energía total solo puede ser un múltiplo de aquel cuanto que Planck llama el “cuando de acción”

Valores de h Unidades

6.62606896 x 10

-34

[J.s]

4.13566733 x 10

-15

[eV.s]

6.62606896 x 10

-27

[erg.s]

POSTULADOS DE PLANCK-EINSTEIN

Cuando la energía está en forma de radiación electromagnética (es decir, de una radiación similar a la luz), se denomina energía radiante y su unidad mínima recibe el nombre de fotón. La energía de un fotón viene dada por la ecuación de Planck:

𝑬=𝒉𝝂Donde:

POSTULADOS DE PLANCK-EINSTEIN

Einstein (1879-1955) proporcionó una verificación al ampliar las ideas de Planck en la explicación del efecto fotoeléctrico.

A finales del siglo XIX, algunos investigadores notaron que la luz es capaz de expulsar electrones Para ello en la física clásica se esperaba que:• A mayor intensidad de la radiación incidente, mas

energéticos serian los electrones emitidos del metal. • Si la intensidad de la radiación indidente es muy debil, se

espera que pase cierto tiempo hasta que el metal almacene suficiente energia para expulsar electrones.

POSTULADOS DE PLANCK-EINSTEIN

Tomando como punto de partida el postulado de Planck, Einstein dedujo que cada una de estas partículas de luz, llamadas fotones, debe poseer energía E de acuerdo con la ecuación :

𝑬=𝒉𝝂

ENERGÍA MÁXIMA DE UN FOTÓN

Los electrones de un metal se mantienen unidos por fuerzas de atracción, y para emitirlos, se necesita una luz que tenga una frecuencia suficientemente alta (es decir, energía suficiente). Si la frecuencia de los fotones es de una magnitud tal que hv es exactamente igual a la energía de enlace de los electrones en el metal, entonces la luz tendrá la energía suficiente para emitirlos.

ENERGÍA MÁXIMA DE UN FOTÓN

Un fotón de baja frecuencia con energía menor que no producirá expulsión electrónica.

𝝓=𝒉𝒗𝟎

Donde:

Se requiere de un mínimo de energía, llamado trabajo de extracción () para que el electrón salga de la superficie.

ENERGÍA MÁXIMA DE UN FOTÓN

Grafica de Kmax contra la frecuencia incidente

La pendiente de la línea es la constante de Planck y la intersección ф es llamada función de trabajo.

ENERGÍA MÁXIMA DE UN FOTÓN

La ecuación lineal de las rectas graficadas se conoce como la Ecuación fotoeléctrica de Einstein. 𝑲𝒎𝒂𝒙=𝒉𝒗−𝝓

= energía cinética máxima de electrones emitidos = la constante de Planck ф = función de trabajo.