2) PROPIEDADES NUCLEARES REGISTROS GEOFÍSICOS DE POZOS

DAVID JOSUÉ ÁLVAREZ ELIZALDE

ING. GEOFÍSICO

2) PROPIEDADES NUCLEARES

1) Descripción del átomo 2) Decaimiento radioactivo 3) Niveles de energía de rayos gama 4)  Interacción de rayos gama con los átomos 5)  Interacción de los neutrones con los núcleos de los átomos 6) Vida de un neutrón 7)  Factor fotoeléctrico 8) Magnetismo nuclear 9) Polarización 10) Tiempos de relajación T1 y T2 11) Ecos de spin y secuencias de pulsos CMPG (Carr-Purcell-

Meiboom-Gill)

2

1) QUÉ ES EL ÁTOMO?

Definimos al átomo como la partícula más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus propiedades químicas. El origen de la palabra átomo proviene del griego, que significa indivisible, los átomos están formados por partículas aún más pequeñas, las cuales son partículas subatómicas.

3

BREVE HISTORIA DEL ÁTOMO

400 años antes de Cristo à Demócrito (filósofo griego) consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas y surge la palabra átomos.

Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.

4

HIS

TO

RIA

DE

L Á

TO

MO

5

DESCRIPCIÓN DEL ÁTOMO

El átomo esta compuesto en un principio por:

Los protones y neutrones se encuentran agrupados en el centro del átomo formado el núcleo atómico. Por este motivo también se les llama nucleones. Los electrones aparecen orbitando alrededor del núcleo del átomo.

6

-Neutrones (s/c) -Protones (+) -Electrones (-)

CARACTERÍSTICAS

•  Los electrones tienen una carga negativa y son las partículas subatómicas más livianas que tienen los átomos.

•  La carga de los protones es positiva y pesan unas 1.836 veces más que los electrones.

•  Los únicos que no tienen carga eléctrica son los neutrones que pesan aproximadamente lo mismo que los protones.

7

8

•  Según la composición de cada átomo se diferencian los distintos elementos químicos representados en la tabla periódica.

•  Durante las reacciones químicas los átomos se conservan. Por lo que se organizan de manera d i f e r e n t e c r e a n d o diferentes enlaces entre un átomo y otro.

•  L o s á t o m o s s e agrupan formando moléculas y otros tipos de materiales. Cada tipo de molécula es la combinación de un cierto número de átomos enlazados entre ellos de una manera específica.

CARACTERÍSTICAS DE LA TABLA PERIÓDICA

•  Número atómico, es representado por la letra Z, e indica el # protones y electrones presentes en un átomo.

Todos los átomos con un mismo número de protones pertenecen al mismo elemento y tienen las mismas propiedades químicas.

Por ejemplo todos los átomos con un protón serán de hidrógeno (Z = 1), todos los átomos con dos protones serán de helio (Z = 2).

•  Masa Atómica, se representa con la letra A, y hace referencia a la suma de protones y neutrones que contiene el elemento.

AZ

Masa atómica

Numero atómico 9

TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS

Tabla periódica obtenida de: http://www.rsc.org/periodic-table/ 10

MODELO ACTUAL DEL ATOMO •  Protón (+), neutrón (+/-) y electrón(-) •  Particulas mas pequeñas; Quarks, leptones

En física de partículas, los quarks, en conjunto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales, asimilando la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2. Forman junto a los leptones, la materia visible.

up (arriba) down (abajo) charm (encanto) strange (extraño) top (cima) bottom (fondo).

Existen seis tipos distintos de quarks

11

Las Cuatro fuerzas Fundamentales

Existen 4 tipos de interacciones fundamentales: •  Interacción nuclear fuerte •  Interacción nuclear débil •  Interacción electromagnética •  Interacción gravitatoria

12

PARTÍCULAS ELEMENTALES

13

QUE MANTIENE UNIDO A LOS ELEMENTOS DEL ÁTOMO

Una fuerza nuclear potente mantiene unido el núcleo. Esta fuerza de atracción actúa entre los protones, los neutrones, y entre el protón y el neutrón y sólo es eficaz en distancias cortas, para una separación entre partículas de menos de 3x10-15 m Por ejemplo

Suponga que el núcleo de un átomo contiene protones Z y está rodeado por un número igual de electrones de carga negativa, por lo que el átomo es eléctricamente neutro Z es el número atómico del elemento y define su lugar en la tabla periódica. El número de masa es la suma de neutrones + protones Los átomos del mismo elemento con números de neutrones diferentes se llaman isótopos

14

2) BREVE HISTORIA DE LA RADIACIÓN

http://museovirtual.csic.es/coleccion/amaniel/radiactividad/radio1.htm

•  1743. Martion Heinrich Klaproth, profesor de química en la Universidad de Berlín, analizaba la pechblenda

•  1841. El francés Eugéne Peligot descompone el óxido de uranio de Heinrich y obtiene por primera vez el metal puro.

•  1869. Wilheln Hittof, alumno de Plucher, descubrió que los misteriosos rayos catódicos no atravesaban las láminas de metal.

•  1885. Wilhem Conrado Röntgen descubrió los rayos X. •  En 1897 J.J. Thomson, descubrió el "electrón",

•  Los trabajos de los Curie comenzaron en 1897, sometiendo a la prueba del electrómetro todo tipo de metales y minerales. En Abril del año siguiente encontraron actividad radiactiva en el torio un metal aislado en 1829 por J.J. Berzelins y bautizado así en honor a Thor, dios del trueno.

Quedando así asentadas las bases de la radiactividad, para posteriores trabajos

15

DECAIMIENTO RADIACTIVO

Definición: “El decaimiento radioactivo es un proceso en el que un núcleo inestable se transforma en uno más estable, emitiendo partículas y/o fotones y liberando energía durante el proceso”. La desintegración de todos los núcleos de una cierta masa no sucede a intervalos iguales de tiempo. En base a esto podemos determinar la velocidad a la que ocurre un proceso de decaimiento en una muestra radioactiva, la cual es proporcional al número de núcleos radioactivos presentes.

16

DECAIMIENTO RADIACTIVO

Tiempo

http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/NuclearDecay.swf

•  La desintegración de un núcleo radiactivo es un proceso espontáneo y es imposible predecir cuando un átomo se transmutará

•  Cuando hay una gran cantidad de átomos radiactivos, se puede demostrar que la cantidad de núcleos iniciales disminuye con el tiempo

•  El número de átomos que se desintegran en un tiempo dado es directamente proporcional al número de átomos presentes en la muestra

La actividad o velocidad de desintegración de una sustancia radiactiva (-dN/dt) es proporcional al número de átomos presentes, N: λ, constante de proporcionalidad (desintegración), indica la probabilidad de que un átomo determinado se desintegre en la unidad de tiempo

17

ISÓTOPOS Los isótopos son dos átomos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Los isótopos de un mismo elemento, tienen unas propiedades químicas y físicas muy parecidas entre sí. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su Masa atómica ó número másico.

18

Zà# atómico

POR EJEMPLO

Los isótopos se distinguen añadiendo el número de masa al símbolo químico, dando U234, U235 y U238

, contiene 92 protones, pero puede tener 142, 143 o 146 neutrones

19

TASAS DE DECAIMIENTO

N, es el número de átomos radiactivos en el tiempo inicial to=0. Esta ley puede aplicarse también a masas de sustancias radiactivas, ya que N y la masa de un determinado isótopo son proporcionales.

20

ESTRUCTURA DE UN ELEMENTO

La fuerza de repulsión de Coulomb actúa entre cada par de protones en el núcleo La fuerza nuclear de corto alcance sólo actúa sobre los protones y los neutrones cercana lo que evita que se separen debido a la repulsión de Coulomb

Todos los núcleos con número atómico Z mayor de 20 tienen un exceso de neutrones

Esto ayuda a atenuar los efectos de repulsión que producen los protones Sin embargo, los núcleos con Z 83 son inestables y se desintegran

Esto significa que se rompen de forma espontánea mediante la emisión de partículas elementales y radiación 21

22

Está formado, normalmente, por un tubo con un fino hilo metálico a lo largo de su centro y cuenta con un electrodo que inyecta un voltaje. El espacio entre ellos está aislado y relleno de un gas inerte. Un ion o electrón de la fuente penetra en el tubo, desprende electrones de los átomos del gas y que debido al voltaje del electrodo, son atraídos hacia el hilo. Al hacer esto ganan energía, colisionan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte en una avalancha que produce un pulso de corriente detectable. Al instrumento se le llama un "contador" debido a que cada partícula que pasa por él, produce un pulso idéntico, permitiendo contar las partículas, pero sin decirnos nada sobre su identidad o su energía.

EQUIPO PARA DETECTAR LA RADIACTIVIDAD – CONTADOR GEIGER

23

DETERMINACIÓN DE LA EDAD RADIOMÉTRICA

Se utilizan diversos elementos para la datación, cada esquema consiste en la medición precisa de la concentración de un isótopo Si la desintegración radiactiva ha avanzado demasiado, la resolución del método se deteriora

Carbón radiactivo C14 Rubidio - estroncio Potasio – argón Argón – argón Uranio – plomo Plomo-plomo isócrona

24

FORMAS DE ENERGÍA Rayos alfa (núcleos de átomos de Helio)

Partícula con dos protones y dos neutrones (similar al núcleo del átomo de helio) son altamente ionizantes y debido a su carga eléctrica, interactúan fuertemente con la materia y por lo tanto son fácilmente absorbidos por los materiales

Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros núclidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas

El poder de penetración de esta radiación es limitada, ya que las partículas alfa (incluso si es muy ionizante) pueden no exceder de capas superiores de material a una hoja de papel 25

Rayos beta (electrones que viajan a gran velocidad)

Son en e lec t rones o pos i t rones (electrones con carga positiva) La interacción de las partículas beta con el material generalmente tiene un radio de diez veces mayor, y un poder de ionización igual a un décimo en comparación con la interacción de las partículas alfa

FORMAS DE ENERGÍA

26

Rayos gamma Es un tipo de radiación electromagnética, constituida por fotones

También se genera en fenómenos astrofísicos de gran violencia

Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia

La energía se mide en megaelectron volt (MeV)

Un MeV corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10-11 m o a frecuencias superiores a 1019 Hz

Los rayos gamma se producen por desexcitación de un nucleón de un nivel o estado excitado a otro de menor energía y por desintegración de isótopos radiactivos

3) FORMAS DE ENERGÍA-RAYOS GAMMA

27

RADIACTIVIDAD (¿QUÉ ES LA RADIACTIVIDAD?)

Proceso mediante el cual los núcleos atómicos emiten espontáneamente diferentes formas de radiación

28

RAYOS GAMMAàRADIACIONES DE ALTA FRECUENCIA

Las longitudes de onda de la radiación e l e c t r o m a g n é t i c a s o n extraordinariamente variables, por lo que también lo son su energía asociada y los efectos que se producen cuando se “encuentra” con la materia. La radiación electromagnética ha recibido nombres muy diferentes según la longitud de onda que posea y actualmente esas categorías sirven para clasificar en unos pocos grupos la a m p l i a v a r i e d a d d e o n d a s electromagnéticas

29

RADIACIÓN GAMMA

30

4) INTERACCIÓN DE RAYOS GAMMA CON LOS ÁTOMOS

Los fotones, de modo general, tienen la propiedad de interactuar con la materia cuando “se cruzan” en su camino, provocando ciertas alteraciones en las partículas con las que se encuentran. Sin embargo, no todos los tipos de átomos o moléculas reaccionan i g u a l a n t e c u a l q u i e r o n d a electromagnética, por lo que sus m e c a n i s m o s y e f e c t o s predominantes varían mucho de un caso a otro.

https://sites.google.com/site/teoriatiempoespacio/los-fotones

31

INTERACCIÓN RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA - MATERIA

(ionización)

32

IONIZACIÓN

Es la formación de pares ionicos. Los Rx al interaccionar con un átomo neutro le arrancan un electrón de la capa m á s i n t e r n a y q u e d a c a r g a d o positivamente (Ion +) y el electrón arrancado es el ion negativo.

33

EFECTO COMPTON

El efecto Compton se produce entre los rayos X de moderada energía (rango diagnóstico) y electrones de la capa externa. El átomo blanco se ioniza. Se libera un electrón compton. El rayo X incidente cambia de dirección y reduce su energía: rayo X disperso. La longitud de onda del rayo X disperso es mayor que la del rayo X incidente; ya que parte de la energía se absorbe.

34

EXITACION - DESEXCITACIÓN

Un electrón pasa de una órbita interna a otra más externa.

El electrón externo vuelve a la órbita interna emitiendo un fotón, que se denomina rayo X característico.

35

Radiación característica Radiación de frenado Constituye el espectro discreto del haz de rayos X. El electrón interacciona con un electrón de la capa K. Posteriormente se produce la transición de un electrón orbital de una capa mas externa hasta la capa interna donde se ha sido expulsado el electrón K y ha de jado un hueco. Esto va acompañado de la emisión de un fotón de rayos X. El rayo X producido tiene una energía igual a la diferencia de las energías de l igadura de los correspondientes electrones orbitales.

Un electrón pasa lo suficientemente cerca del núcleo del átomo, existiendo entre ellos una fuerza electroestática de atracción. Cuanto más cerca del núcleo llegue el electrón, más se verá influido por el campo electroestático del núcleo. Y esto se acentúa aun más, si la distancia entre el núcleo y el electrón es muy pequeña. Al pasar cerca del núcleo el electrón disminuye su velocidad y cambia su curso reduciéndose su energía cinética y modificándose su dirección.

36

Interacción de los neutrones con los núcleos de los átomos

La radiación por neutrones es una clase de radiación ionizante que consisten en neutrones l ibres producidos como resultado de reacciones nucleares, tales como la fisión nuclear o la fusión nuclear, y son la liberación de neutrones libres a partir de moléculas e isótopos estables. Estos neutrones libres reaccionan con los núcleos de otras moléculas estables para formar nuevos isótopos a partir de moléculas previamente no isotópicas, que en su momento producen radiación. Esto resultará en una reacción en cadena emitiendo peligrosas y dañinas radiaciones sobre grandes espacios.

37

FUERZA NUCLEAR FUERTE

La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones en el núcleo, a pesar de la fuerza de repulsión eléctrica. La fuerza nuclear es un centenar de veces más intensa que la fuerza electromagnética y gracias a ella los nucleones (protones y neutrones) permanecen unidos. Los neutrones no poseen carga eléctrica, pero están sometidos a la fuerza nuclear fuerte.

38

5) INTERACCIÓN NEUTRÓN - MATERIA

Es el resultado de la interacción es el intercambio de energía entre las partículas que colisionan, permaneciendo libre el neutrón luego del proceso.

Dispersión

Absorción El neutrón es retenido en el núcleo formándose una nueva partícula.

39

Interacción de los neutrones con los núcleos de los átomos

http://slideplayer.es/slide/2261893/

Dispersión

Absorción

40

CARACTERÍSTICAS

•  Al igual que la radiación gamma, los neutrones son capaces de atravesar grandes espesores de material. (rN=10-13cm)

•  Si un neutrón colisiona con un núcleo atómico y sus

masas son muy parecidas, entonces el neutrón pierde una gran cantidad de energía. Mayor será la pérdida de energía mientras más se asemejen sus masas.

•  Los neutrones se pueden desintegrar, formando un protón

y un electrón, o bien pueden ser absorbidos por los núcleos de los átomos circundantes, dando lugar a reacciones nucleares, como por ejemplo la fisión nuclear 41

6) VIDA DE UN NEUTRÓN

http://www.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo2/8.html

El neutrón es una partícula inestable cuando se halla en solitario, el neutrón no es una partícula estable, se desintegra al cabo de cierto tiempo. Su vida media es de 889 segundos, casi 15 minutos. Esto quiere decir que, si tenemos un conjunto de varios neutrones, cada 15 minutos se desintegrará la mitad de ellos. Se debe a que su masa es ligeramente mayor que la del protón y tiende a desintegrarse à en un protón, un antineutrino y un electrón.

42

http://neofronteras.com/?p=763

Cuando el neutrón no es una partícula libre sino que forma parte de un núcleo atómico, las cosas cambian. Por ejemplo, 1à protón + 1à neutrón se encuentran y se unen para crear un núcleo, la energía del nuevo sistema es menor que la que tenían el protón y el neutrón por separado. Por lo tanto al unirse se libera un poco de energía y el nuevo núcleo pesara menos que la suma del peso del protón y del neutrón por separado. La masa del neutrón dentro del núcleo es menor que la masa del protón.

+ = à Nuevo sistema con menos masa

43

FOTÓN

El fotón, visto de des un punto de vista tridimensional, son dos “esferas” (positivo-negativo).

Los fotones son producidos por cargas eléctricas en movimiento. Las cargas eléctricas producen simultáneamente fuerzas eléctricas y magnéticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz como ondas electromagnéticas.

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una corriente eléctrica. 44

Al acercarse el fotón a un electrón, su parte negativa pierde energía por el rechazo del electrón (-), en tanto la parte positiva, “gana energía”, por lo que aumenta su energía, separándose del átomo. El electrón se “acelera” por expansión del espacio y se “pierde energía” por su carga positiva, a esto llamamos absorción. Dando paso al efecto fotoeléctrico.

FOTÓN

45

Cuando los rayos gamma y los rayos X se encuentran en su recorrido con un átomo, pueden provocar efectos de diverso tipo, como la energía del fotón.

•  En algunos casos, un fotón puede transferir toda su energía a un electrón que forma parte de un átomo y hacer que quede desligado de éste (efecto fotoeléctrico).

•  En otros casos, puede transferirse sólo una parte de la energía del fotón, pero es suficiente para que el electrón que la haya absorbido quede también liberado del átomo al que pertenecía.

La energía sobrante dará lugar a la formación de un nuevo fotón menos energético que el inicial (efecto Compton). En el caso de fotones de rayos gamma especialmente energéticos puede producirse un efecto en el cual esos fotones interactúan con el campo eléctrico del núcleo, generando una pareja de partículas, un electrón y un positrón (formación de pares electrón-positrón).

46

7) FACTOR FOTOELÉCTRICO

https://naturalmenteciencias.wordpress.com/2013/09/27/radiacion-electromagnetica-atmosfera-y-vida/

Cuando un rayo X incidente es totalmente absorbido por el átomo. El átomo queda ionizado tras la liberación de un electrón de la capa interna. El fotón incidente desaparece y el electrón de la capa K es expulsado del átomo en forma de fotoelectrón. Un electrón de otra capa ocupa su lugar y la diferencia de energía se libera en forma de radiación secundaria con una longitud de onda mayor que la del rayo X incidente pero que variará según la energía de ligadura de los electrones de los orbitales.

El Factor fotoeléctrico, se expresa en función del número Z de protones, esto es, número de electrones por átomo eléctricamente neutro, para una formación geológica dada. 47

8) MAGNETISMO NUCLEAR El magnetismo nuclear, esta dado por el giro que presentan los elementos del sistema

átomo, esto quiere decir que los nucleones (protones + neutrones) poseen un cierto giro, lo cual hace que el núcleo sea una partícula cargada, el giro que presenta es equivalente a una pequeña corriente eléctrica que viaja a través de un diminuto aro de alambre que genera un pequeño campo magnético, que se asemeja a una barrita imanada (llamada dipolo). La fuerza del campo magnético se expresa en términos de momento magnético. (Unidades Tesla) Los materiales con propiedades magnéticas tienden a alinearse en función de las líneas magnéticas de la fuerza. Si un conductor eléctrico se coloca en un campo magnético, se genera corriente. A su vez, la corriente eléctrica genera un campo de fuerzas magnéticas.

48

MOMENTO MAGNÉTICO NUCLEAR

Los núcleos atómicos son partículas cargadas y su momento angular produce un momento magnético, representado por µ µ=γL=γ√I (I+1) ℏ donde γ es la constante giromanética, característica de cada núcleo. Cuando aplicamos un campo magnético, B0, a núcleos con I=1/2, los momentos magnéticos se orientan de forma que los núcleos con mI=1/2 presentan su momento magnético alineado con el campo y los núcleos con mI=−1/2 tienen su momento magnético opuesto al campo aplicado.

49

SPIN

El número cuántico spin magnético indica el sentido de rotación del electrón alrededor de su propio eje. Sus valores permitidos son: ms = +/- 1/2 Cuando un electrón gira o rota genera un pequeño campo magnético, es decir actúa como un pequeño microimán. En base a esta cualidad del electrón en el sistema atómico y molecular, se logra explicar las propiedades magnéticas de una sustancia química.

Estos electrones giran alrededor del núcleo pero también giran sobre sí mismos con un movimiento denominado spin.

50

9) POLARIZACIÓN

Es la alineación de los dipolos aplicando un campo eléctrico. P (C/m2) = Z*q*d Z: # de centros de carga desplazados por m3

q: carga electrónica d: desplazamiento entre los extremos positivo y negativo del dipolo

51

CLASIFICACIÓN

• Polarización Electromagnética

• Polarización Electrónica • Polarización Química

• Polarización Iónica

• Polarización Molecular

52

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

•  Polarización electromagnética (es un fenómeno que se produce en las ondas electromagnéticas, como por ejemplo la luz, por el cual, el campo eléctrico oscilará solo en un plano determinado, des ignado como p lano de polarización).

El electromagnetismo clásico define la polarización eléctrica como el campo vectorial que representa la densidad de los momentos eléctricos dipolares inducidos o permanentes en un material dieléctrico. También conocido como “densidad de polarización” ó “polarización”. Es uno de los tres campos eléctricos macroscópicos que proporcionan una descripción del comportamiento de los mater ia les, complementando al desplazamiento eléctrico D y al campo eléctrico E.

53

LA POLARIZACIÓN ELECTRÓNICA

La polarización electrónica, describe el desplazamiento de cargas cuando se encuentran con un campo eléctrico externo y que generará la pérdida de su simetría, creando una reorientación del átomo que acarrea una ligera distorsión.

54

POLARIZACIÓN QUIMICA

•  Es la facilidad con la cual es posible distorsionar la densidad electrónica de un átomo o de una molécula.

Es la tendencia que tienen distribuciones de cargas tales como la nube electrónica de una molécula ó de un átomo a distorsionarse de su estado normal a causa de un campo eléctrico externo à debido a la existencia de un dipolo o un ion cercano.

55

POLARIZACIÓN IÓNICA

56

POLARIZACIÓN MOLECULAR

57

10) TIEMPOS DE RELAJACIÓN T1

También llamado spin-lattice o tiempo de relajación longitudinal. Corresponde a un tiempo constante –específico- para los protones y es una medición del tiempo que se requiere para lograr una realineación con el campo magnético externo, debido a la excitación del sistema en equilibrio siempre transfiere dicho sistema a un estado inestable de alta energía. La cantidad de tiempo en que el sistema mantendrá este estado dependerá de las condiciones del entorno. La constante T1 nos informa cuan rápido el movimiento espín del núcleo puede emitir la energía de radiofrecuencia absorbida al medio circundante, por lo que existe una dependencia de factores como tipo de moléculas, movilidad y entorno. Tal como se describe el comportamiento de varios procesos naturales como el aumento bacterial o la caída de la radiactividad, la relajación longitudinal tiene la forma de una exponencial creciente regulada por una constante de tiempo llamada T1 (ms), que caracteriza su recuperación.

NOTA: T1 y T2 se llevan a cabo de manera independiente 58

El proceso de vuelta al estado de equilibrio desde un estado excitado se denomina el proceso de relajación spin-red o proceso de relajación longitudinal. Este proceso viene caracterizado por el tiempo de relajación T1. El tiempo de relajación T1 es el tiempo requerido para que el sistema recupere al 63% de su valor de equilibrio después de ser expuesto a un pulso de 90°. Para un determinado tipo de núcleo, T1 dependerá de varios parámetros: •  tipo de núcleo •  frecuencia de resonancia (intensidad de campo) •  temperatura •  movilidad de espins observada (microviscosidad) •  presencia de moléculas grandes •  presencia de iones paramagnéticos o moléculas.

http://www.resonancia-magnetica.org/MagRes%20Chapters/04_02.htm

59

TIEMPO DE RELAJACIÓN T2

La recuperación de la magnetización longitudinal es acompañada por el decaimiento de la magnetización transversal caracterizada por la constante T2 y recibe el nombre de tiempo de relajación espín-espín o tiempo de relajación transversal. Los fenómenos de relajación de T2 afectan a la duración natural de la señal de inducción libre, durante la cual los diversos componentes de magnetización en el plano x-y se mantienen más o menos en fase(indica la situación instantánea en el ciclo). Después del pulso de excitación, los núcleos no sólo perciben el campo estático externo sino también los campos locales asociados con las propiedades magnéticas de los núcleos vecinos, de forma que van adquiriendo una frecuencia de precesión ligeramente diferente, lo que provoca una caída de la magnetización transversal. Si el campo magnético estático fuese perfectamente uniforme, bastaría medir la velocidad de amortiguación en la señal de inducción libre para determinar el valor de T2. La constate de tiempo que define la velocidad real de la caída de la señal de un campo imperfecto se designa por T2.

http://www.resonancia-magnetica.org/MagRes%20Chapters/04_11.htm

60

La descomposición adicional de la magnetización neta en el plano x'-y' es debida a una pérdida de coherencia de fase entre los componentes microscópicos que se debe en parte a las pequeñas diferencias de las frecuencias de Larmor inducidas por pequeñas diferencias en los campos magnéticos estáticos en distintas localizaciones de la muestra. Este proceso se conoce como T2, relajación spin-spin o relajación transversal. T2 depende de varios parámetros: •  frecuencia de resonancia (intensidad del campo), T2 es menos que T1 •  temperatura •  movilidad observada de espíns (microviscosidad) •  presencia de grandes moléculas, iones y moléculas paramagnéticos o otras

interferencias externas.

http://www.resonancia-magnetica.org/MagRes%20Chapters/04_11.htm

Frecuencias de Larmor : Indica la precesión de los momentos magnéticos de los electrones, núcleos atómicos y átomos bajo la acción de un campo magnético externo. El campo magnético ejerce un momento de fuerza en el momento magnético

61

RELACIÓN T1 Y T2

En los fluidos móviles T2 es casi igual a T1 mientras que en sólidos o en sistemas lentos (sistemas de alta viscosidad) las componentes del campo estático inducidas por los núcleos vecinos entran en acción y T2 se hace significativamente más corto que T1. En compuestos sólidos T2 es generalmente tan corto que la señal se extingue en el primer milisegundo mientras que en los fluidos la señal de resonancia magnética puede durar varios segundos. En gran medida esta es la causa de la baja o ausencia de señal de estructuras solidas o compactas ó cuerpos de una densidad.

http://www.resonancia-magnetica.org/MagRes%20Chapters/04_11.htm

62

A pesar de todo ello, podemos determinar el valor intrínseco de T2 para una muestra aunque esté sometida a un campo imperfecto, ya que las desigualdades del campo magnético son constantes, lo que permite identificarlas y cancelarlas. Se recoge la señal en forma de «eco de espín» o una serie de ecos, aplicando un perfil especial de pulso de radiofrecuencias, conocido como la secuencia de pulsos Carr-Purcell modificada. En dicha secuencia, la señal inicial de amortiguación de inducción libre y cada uno de los ecos de espín individual decaen con una constante de tiempo T2, aunque las alturas del pico de los sucesivos ecos de espín decaen con una constante de tiempo igual al valor intrínseco de T2 en la muestra. La evolución de la magnetización transversal con el tiempo hasta que se anula corresponde a una sinusoidal a la frecuencia de relajación hasta que se anula, amortiguada por una exponencial decreciente. Se llama T2, al fenómeno que considera los factores que influyen en el desfase de los espínes o T2 si no se consideran ni variaciones locales ni la influencia de las heterogeneidades del campo magnético externo y sólo atiende a la composición y estructuración propia del medio.

63

11) ECOS DE SPIN Y SECUENCIAS DE PULSOS CMPG (CARR-PURCELL-MEIBOOM-GILL)

En una medición de resonancia magnética nuclear (RMN), se refiere al ciclo de pulsos de frecuencia radial diseñados por Carr, Purcell, Meiboom y Gill para producir ecos de pulsos y contrarrestar el desfasaje debido a las inhomogeneidades del campo magnético. En la secuencia CPMG, se aplica un pulso de frecuencia radial inicial durante un tiempo suficiente como para inclinar los protones en un plano perpendicular al plano magnético estático (el pulso de 90o). Inicialmente, los protones precesan al unísono, produciendo una señal grande en la antena, pero luego se desfasan rápidamente debido a las inhomogeneidades.

http://www.glossary.oilfield.slb.com/es/Terms/c/cpmg.aspx?p=1

64

Posteriormente, se aplica otro pulso durante un tiempo suficiente como para invertir su dirección de precesión (el pulso de 180o), lo que hace que vuelvan a estar en fase después de un corto tiempo. Cuando están en fase, producen otra señal intensa denominada eco. Pronto se desfasan nuevamente pero pueden ser puestos en fase de nuevo con otro pulso de 180o. El proceso de re-fasaje se reitera muchas veces, a la vez que se mide la magnitud de cada eco. Esta magnitud se reduce con el tiempo debido a los mecanismos de relajación molecular: superficial, volumétrica y por difusión. Una medición puede incluir muchos cientos de ecos, en tanto que el tiempo entre cada eco (el espaciamiento entre ecos) es del orden de 1 ms o un valor inferior.

65

CONCLUSIONES

•  El átomo es la partícula mas pequeña que nos interesa para nuestro estudio •  Las relaciones que guardan los elementos del átomo (electro, protón y neutro)

son las fuerzas fundamentales que involucran cualquier tipo de reacción atómica.

•  El neutrón es fundamental para el estudio de la interacción rayos gama – átomo en el medio

•  El átomo y su interacción con el medio es muy compleja, sin embargo es posible estudiarlo para conocer su respuesta ante la inducción bajo ciertos campos

•  El decaimiento radioactivo y la energía de rayos gama, será lo que nos ayude a evaluar una formación ya que estaremos midiendo su reacción con las herramientas

•  Siempre se inducirá un campo externo al medio, para medir y leer sus características según se este estudiando

•  Existen campos naturales que se estudian, pero para ello hay que entender muy bien la relación que guarda ese campo con el átomo

66

FUENTES •  http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/120/

htm/sec_4.htm •  https://naturalmenteciencias.wordpress.com/2013/09/27/radiacion-

electromagnetica-atmosfera-y-vida/ •  https://proteccionradiologica.wordpress.com/category/3-introduccion-al-

atomo-y-a-la-radiacion/ •  http://www2.fisica.unlp.edu.ar/materias/Nucleo/2014/Teoria/

ENR_C17_2014_neutrones.pdf •  http://www.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/

capitulo2/8.html •  http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nuclear/nspin.html#c2 •  http://www.quimicaorganica.org/resonancia-magnetica-nuclear/794-rmn-

momento-magnetico-nuclear.html •  http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/

alumnosmateriales0506/G1-ppt1111.pdf •  http://www.scielo.cl/pdf/rchradiol/v11n3/art03.pdf •  http://www.fullquimica.com/2012/08/numero-cuantico-magnetico-m.html

67