Intensidad De Radiación Con Cambio De Distancia, Ángulo Y área De Observación

Introducción

Durante esta práctica se abordara el fenómeno de la transferencia de calor por radiación, mecanismo que tiene como propiedad interesante la no necesidad de contacto entre los cuerpos, o de un medio para que este ocurra, debido a que esta es instantánea y además puede ocurrir en el vacío.

En la actualidad es fundamental conocer de forma completa el fenómeno de la radiación ya que debido a esta cada vez tiene más importancia en el campo laboral de todo ingeniero, como ejemplo tenemos los procesos industriales de calentamiento, enfriamiento y secado, o procesos más modernos como la conversión de energía de combustibles fósiles o la radiación solar que cada vez tiene más auge en la generación de energía eléctrica.

Por eso lo importante de esta práctica, que nos ayudará a conocer un poco mejor las propiedades de este interesante mecanismo de transferencia de calor, aplicando experimentos sencillos para la obtención del poder emisivo de cualquier material, en este caso de cilindro de bronce, al cambiar el área, ángulo y distancia de observación.

Objetivos

Objetivo General

Comprobar la variación de la potencia emisiva al variar el área, ángulo y distancia de observación.

Objetivos Específicos

Identificar la el principio teórico por el que se rige la Ley de Kirchhoff de radiación térmica.

Estudiar el comportamiento emisivo de un cilindro metálico influenciado por una fuente de calor.

Graficar la relación poderes emisivos de Angulo vs. Pe.

Marco Teórico

Si uno quiere poner en práctica cualquier fenómeno físico, se necesita cuantificarlo. El caso de la radiación no se escapa. Es evidente que no es lo mismo decir que de vez en cuando pasó un neutrón por allí que aseverar que se necesita un muro de un metro de espesor de concreto para que la dosis recibida no rebase el máximo permitido. La información que dan los detectores debe usarse con números y criterios adicionales que nos ayuden a calcular sus efectos. Cuantifiquemos, pues, la radiación.

Pensemos en un detector cualquiera que nos da un pulso cada vez que pasa una radiación. Como las radiaciones llegan aleatoriamente, contemos por un tiempo largo, por ejemplo, 10 000 segundos. Si en este lapso contamos, v. gr., 10 000 radiaciones, decimos que en promedio llegó una radiación por segundo. Esto se llama rapidez de conteo. La rapidez de conteo multiplicada por el tiempo de conteo da el número total de radiaciones contadas. Esto ya es un dato valioso, pero falta todavía información que nos permita evaluar con más exactitud el fenómeno. Por ejemplo, no sabemos de qué dirección vino la radiación, dónde está la fuente, de qué tipo es, qué energía tiene, si el detector contó todas las radiaciones que llegaron o sólo una parte, cuánta ionización produce la radiación o qué efectos biológicos puede tener.

Comencemos por pensar en la geometría del haz de un acelerador, que podemos imaginar como el chorro de una manguera. Todas las partículas viajan en la misma dirección y llevan la misma energía. Hay un colimador que define el área transversal del haz, como se muestra en la figura 40. Lo que nos determina la intensidad de flujo del haz es el número de partículas que atraviesan el área A en un segundo. Por ejemplo, en un acelerador típico l012 protones cruzan el área de 1 mm² por segundo. Ahora bien: sabemos que los protones tienen carga eléctrica, así que el haz constituye una corriente eléctrica que se puede medir con un amperímetro convencional de corriente directa pero muy sensible, pues 1012 protones/seg. equivalen a 0.16 x l0-6 amperes, o 0.16 microamperes. Nótese que en los aceleradores, aunque la corriente eléctrica sea pequeña, la cantidad de partículas es grande. Si uno multiplica esta corriente de haz por el número de segundos de exposición se obtiene el número total de partículas. Por ejemplo, si se irradia una hora (3 600 seg.) con un haz de 0.16 microamperes (1012protones/seg.), llegará un total de 3 600 X 1012 = 3.6 X 1015 protones al blanco.

Un haz de partículas cargadas constituye una corriente eléctrica que se mide con un amperímetro.

El lanzar proyectiles como en un acelerador nos permite dilucidar el tamaño del blanco al que le pegan, por ejemplo, un núcleo. Imaginemos el siguiente experimento: una mesa con una moneda en el centro, y desde el décimo piso le lanzamos canicas. Desde tal alto perdemos el tino, así que las canicas caen por casualidad en diferentes puntos de la mesa. Si la moneda es pequeña, será difícil pegarle, y decimos que la probabilidad de choque es baja. En cambio si ponemos un plato, podremos pegarle con más frecuencia. Es claro que cuanto más grande sea el blanco, le pegaremos más frecuentemente: la probabilidad será mayor. Esta técnica de averiguar tamaños según la frecuencia de choques se usa para medir el tamaño del núcleo. La probabilidad de choque se llama sección transversal.

Hay otra técnica para cuantificar el haz de partículas de un acelerador, usando un calorímetro. Por ejemplo, si la energía del haz de protones que hemos mencionado es 1 MeV, cada protón le transmite al dispositivo receptor del haz una energía equivalente a 3.8 X l0-14 calorías; el haz de 1012 protones por segundo calentará al receptor en 0.038 calorías, o 0.16 watt cada segundo. Por lo tanto, midiendo el calentamiento del receptor se conoce no sólo el número de partículas que llegaron, sino también su energía promedio.

Desde luego, no todas las fuentes de radiación producen un haz de partículas como los aceleradores. Otra geometría común es la fuente puntual (o casi puntual ) en que generalmente se encuentran los radioisótopos. En este caso la radiación sale de un punto hacia todas direcciones, y la intensidad recibida por un objeto dado disminuye a medida que se aleja, como se ve en la siguiente figura. Disminuye con el cuadrado de la distancia; es decir, si la distancia se duplica, la intensidad recibida se divide entre 4. Ésta es la misma ley que rige, por ejemplo, a la iluminación de un objeto por un foco. Se debe sólo a la geometría. Si además hubiese absorción por parte del medio, la iluminación disminuiría aún más.

Un objeto colocado a una distancia d de la fuente de radiación recibe una dosis determinada, la cual se reduce a la cuarta parte si el objeto se aleja a una distancia 2d.

La intensidad de una fuente radiactiva se mide en desintegraciones por segundo. La unidad más empleada es el curie (Ci), que equivale a 3.7 x 1010 desintegraciones por segundo. También se define el becquerel (Bq) como una desintegración por segundo. Cuando uno compra una fuente radiactiva hay que especificar su intensidad en una de estas unidades.

Muchas veces está uno interesado en los efectos que puede producir una fuente radiactiva, más que en el número de emisiones. Por ejemplo, un curie de emisor rayos deg puede tener efectos muy distintos que un curie de emisor de partículas b. Estos efectos son debidos principalmente a la ionización y excitación del material absorbente, y en último caso a la energía que la radiación deposita en él. Por esa razón hay una serie de unidades de dosis absorbida, como el roentgen (R), que describen más fielmente lo que la radiación puede hacerle a una substancia. Un roentgen es la cantidad de radiación X o gque produce determinada ionización en un cm³ de aire. Corresponde a una absorción de 84 ergs de energía por un gramo de aire. Un erg corresponde a 2.39 X 10-8 calorías. El roentgen es casi equivalente al rad, que corresponde a la cantidad de radiación que depositan 100 ergs de energía en un gramo de substancia. La otra unidad usual es el gray (Gy), que es igual a 100 rads.

La llamada dosis equivalente es una medida más precisa del posible daño biológico. Toma en cuenta cómo se distribuye la energía depositada. La unidad es el rem, que corresponde a un rad de rayos X, g, o electrones. Un mrem es un milésimo de rem.

Ahora bien: estas unidades, aunque están bien definidas y se usan cotidianamente, no nos dicen nada si no tenemos puntos de comparación. Hay que recalcar que cada situación de uso de radiación es distinta, dependiendo de factores como tipo y energía de la radiación, su concentración, la geometría del dispositivo y muy especialmente el tipo de tejido que la puede recibir. Se investiga continuamente sobre cómo utilizar la radiación con el máximo de seguridad.

Cantidades de radiación típicas de diversas fuentes.

Radiactividad natural (promedio) 100 mrem/año

Radiografía de Tórax 20 mrem

Radiografía dental 1000 mrem

Vuelo trasatlántico 5 mrem

Preservación de papas por radiación 5000 rads

Destrucción de salmonelas 1,000,000 rads

Esterilización de insectos 50,000 rads

Dósis máxima permitida a personal que

trabaja con radiación 5 ó 100 rem/año

mrem/semana

Se pueden comprar medidores de radiación que dan directamente la dosis en rem o en mrem. Sin embargo, se deben tener algunas precauciones. Uno de los problemas que puede surgir es que el detector no sea el apropiado para la radiación que está presente. En general los detectores son sensibles a rayos X y g, y a electrones o partículas b. Si uno trata de medir neutrones, por ejemplo, no sirven, pues, como ya vimos, éstos requieren de técnicas especiales para ser detectados. Puede uno estar

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