Introducció a les radiacions

L’ésser humà viu en un món amb radiació natural: rep la radiació còsmica, procedent de l’espai exterior i del sol; rep la radiació del radó emesa per les roques de l’escorça terrestre, i la radiació de les aigües i l’aire; ingereix cada dia productes naturals i artificials que contenen petites quantitats de substàncies radioactives, i té elements radioactius als seus ossos, als seus músculs i als seus pulmons.

La radiació de fons depèn de molts factors: el lloc on es viu (materials de construcció, composició del sòl, ubicació geogràfica), l’època de l’any i fins i tot de les condicions meteorològiques.

La radiació artificial va aparèixer l’any 1895, quan el físic Roëntgen va inventar el tub de rajos X.

Durant els anys següents nombrosos científics estudiaren el fenomen de la radiació: Becquerel, Marie Curie i el seu marit Pierre, etc.

Un cop es van començar a conèixer les propietats i la potencialitat de la radiació, es van anar desenvolupant les tècniques per obtenir radiacions artificials i aplicar-les.

Avui en dia és habitual l’ús de radiacions en processos industrials, en sectors com el sanitari (radioteràpia, rajos X), en laboratoris, il·luminació, etc.

A la natura hi ha diferents fenòmens naturals i artificials que es comporten i estudien com a ones. Entre els més freqüents podem destacar el soroll, la llum, les ones radioelèctriques, etc. Tant la llum com les ones radioelèctriques són radiacions electromagnètiques.

La radiació electromagnètica és una forma de propagació d’energia que no requereix un suport material. Es desplaça en el buit i a la velocitat de la llum (3 x 10⁸ m/s).

Les radiacions electromagnètiques estan constituïdes per camps elèctrics i camps magnètics perpendiculars entre si i perpendiculars a la direcció de propagació (figura). El conjunt de camp elèctric i magnètic es coneix com a camp electromagnètic.

La matèria està formada per àtoms. Els àtoms es poden definir com la unitat més petita d’un element químic que manté la seva identitat o les seves propietats i que no és possible dividir mitjançant processos químics. En l’àtom es distingeixen dues parts:

• El nucli és la part central de l’àtom i conté partícules amb càrrega positiva (protons) i partícules sense càrrega elèctrica (neutrons). El nucli té, per tant, càrrega elèctrica positiva. La massa d’un protó és aproximadament igual a la d’un neutró.
• L’escorça és la part exterior de l’àtom. S’hi troben els electrons amb càrrega negativa, que giren al voltant del nucli. La massa d’un electró és molt més petita que la d’un protó (unes 2.000 vegades inferior), això fa que es pugui dir que la massa de l’àtom està pràcticament concentrada en el seu nucli.

Els àtoms tenen el mateix nombre d’electrons que de protons, i per tant són elèctricament neutres.

Els electrons que formen la matèria tenen facilitat per abandonar els àtoms i, també, certa facilitat per fixar-se en altres àtoms. Quan succeeix qualsevol d’aquests fenòmens, es trenca l’equilibri elèctric que existeix normalment entre protons i electrons.

Les càrregues del mateix signe es repel·leixen i les de signe contrari s’atrauen.

Qualsevol càrrega elèctrica, quieta o en moviment, crea al seu voltant un camp elèctric.

Així doncs, si es col·loca una càrrega en un camp elèctric, s’observarà l’aparició de forces elèctriques d’atracció o de repulsió. La força que actua sobre la càrrega dependrà del valor de la càrrega i del lloc del camp on se situa.

La intensitat del camp elèctric és una magnitud vectorial que ve definida pel seu mòdul E i per la seva direcció i sentit. El sentit i direcció de la intensitat del camp en un punt donat de l’espai es defineixen com el sentit de la força que s’exerciria sobre una càrrega positiva de prova situada en aquell punt.

Els camps elèctrics són més intensos com més petita és la distància a la càrrega que els genera i menys intensos a mesura que ens allunyem d’aquesta càrrega.

Dels objectes que tenen la propietat del magnetisme en diem imants. Un imant exerceix sobre altres imants forces magnètiques a distància i crea, al seu voltant, una zona d’influència magnètica que anomenem camp magnètic.

Els camps magnètics són produïts per càrregues en moviment, és a dir, per corrents elèctrics, o per imants permanents.

Tot aparell connectat a una xarxa elèctrica generarà al voltant seu, si està encès i hi circula el corrent, un camp magnètic proporcional a la quantitat de corrent que obté de la font que l’alimenta. Com més gran sigui la intensitat del corrent, més elevada serà la intensitat del camp magnètic generat.

Quan tenim un aparell elèctric connectat, hi pot haver un camp elèctric, fins i tot quan l’aparell no està en marxa. En canvi, els camps magnètics s’originaran quan es posi en funcionament l’aparell elèctric i hi circuli el corrent.

A l’igual que els camps elèctrics, els camps magnètics són més intensos en els punts més propers al seu origen i la seva intensitat disminueix ràpidament a mesura que augmenta la distància des de la font.

Una càrrega elèctrica sempre té associat un camp elèctric, però si aquesta càrrega es mou, es genera un camp magnètic. Igualment, una càrrega magnètica sempre té associat un camp magnètic, però si aquesta càrrega magnètica és variable, es genera també un camp elèctric.

Una càrrega elèctrica fixa té associat un camp elèctric estàtic i un imant fix té associat un camp magnètic estàtic. Però si la càrrega elèctrica o l’imant es mouen, a més del camp associat a la càrrega o a l’imant, apareix un camp de l’altre tipus, i es genera així un camp electromagnètic.

És més habitual trobar càrregues en moviment que càrregues estàtiques; per tant, podem dir que, en general, l’existència d’un camp elèctric implica l’existència d’un camp magnètic i l’existència d’un camp magnètic implica l’existència d’un camp elèctric.

La freqüència (f) és la quantitat de cicles complets que realitza una ona en un segon (figura). Dit d’una altra manera, és la quantitat de cops que un fenomen físic es repeteix en un període de temps.

La unitat de mesura de la freqüència és l’hertz (Hz). Així es defineix que 1 Hz = 1 cicle/s.

La longitud d’ona (λ) és la distància, mesurada al llarg de la línia de propagació, entre les crestes d’ones consecutives. Es mesura en unitats de longitud i pot variar des de nanòmetres (nm) fins a kilòmetres (km). En la figura s’ha representat la longitud d’ona.

L’energia (E) és l’energia transportada per la radiació electromagnètica expressada en energia per fotó. La seva unitat és l’electrovolt (eV). També es pot mesurar en joules (J), que és la seva unitat en el sistema internacional.

L’energia que transporta una radiació és directament proporcional a la seva freqüència, segons l’equació:

En què:

• E = energia del fotó (J).
• = constant de Planck = 6,63·10^-34 (J·s).
• f = freqüència de la radiació (Hz).

La freqüència i la longitud d’ona es relacionen mitjançant l’expressió:

En què:

• c = velocitat de la llum = 3·10⁸ (m/s).
• λ = longitud d’ona (m).

La freqüència està estretament relacionada amb la longitud d’ona: com més llarga és la longitud d’ona més petita és la freqüència. Totes dues són inversament proporcionals. Això implica que si una augmenta el doble, l’altra es redueix a la meitat.

Substituint la freqüència en l’equació de l’energia, tindrem:

L’energia es relaciona amb la longitud d’ona:

Segons aquestes equacions, la longitud d’ona d’una radiació és inversament proporcional a la seva energia i la seva freqüència.

D’aquesta manera, totes les radiacions electromagnètiques es poden descriure indistintament en funció de la seva energia E, de la seva freqüència o de la seva longitud d’ona.

Com més gran sigui la freqüència, més curta és la longitud d’ona. La freqüència és el nombre d’oscil·lacions d’ona per segon, que es mesura en hertzs, Hz (cicles per segon); la longitud d’ona és la distancia entre una ona i la següent. A les anteriors s’ha d’afegir l’energia que és capaç de transportar l’ona, i la seva magnitud serà directament proporcional a la freqüència i inversament proporcional a la longitud d’ona.

Les relacions entre la freqüència, l’energia i la longitud d’ona es resumeixen en la figura.

Segons la física clàssica, hi ha diferències entre ones i partícules. Una partícula ocupa un lloc en l’espai i té massa, mentre que una ona s’estén en l’espai i es caracteritza per tenir una velocitat definida i massa nul·la.

Alguns fenòmens electromagnètics es poden descriure més fàcilment si l’energia no s’associa a ones, sinó a partícules elementals o fotons. Això és el que a la física quàntica es coneix com a dualitat ona-partícula o ona-corpuscle de la radiació electromagnètica.

Les radiacions electromagnètiques no són les úniques que tenen una doble naturalesa i es manifesten com a ones i com a partícules. La matèria presenta també aquesta dualitat. En el cas de la matèria, però, les seves propietats ondulatòries només són apreciables en partícules molt petites, com electrons, neutrons i protons.

La dualitat ona-partícula va ser postulada pel físic francès Louis de Broglie en la seva tesi doctoral de 1924. Tres anys després es van fer els experiments que van confirmar la seva teoria.

Segons la hipòtesi de De Broglie, cada partícula en moviment porta associada una ona, de manera que la dualitat ona-partícula es pot enunciar així: “una partícula de massa m que es mogui a una velocitat determinada pot, en condicions experimentals adients, presentar-se i comportar-se com una ona”.

Actualment es considera que la dualitat ona-partícula és un concepte de la mecànica quàntica, segons el qual no hi ha diferències fonamentals entre partícules i ones: les partícules es poden comportar com a ones i a l’inrevés.

Les ones electromagnètiques es diferencien entre si per la quantitat d’energia que són capaces de transmetre, i això depèn de la seva freqüència.

Les ones electromagnètiques engloben una àmplia gamma de freqüències i longitud d’ones; per aquesta raó l’espectre electromagnètic se sol dividir en diferents regions: rajos X, rajos γ, ultraviolats (UV), visibles (Vis), infrarojos (IR), microones, radiofreqüències, radiacions de freqüència baixa (LF), molt baixa (VLF) i extremament baixa (ELF), i camps elèctrics i magnètics estàtics (figura).

Els límits entre aquestes regions no són exactes, ja que hi ha diferents criteris per establir-los.

Així, les radiacions formen un grup heterogeni d’agents de risc que impliquen un ampli interval d’energies, amb la possibilitat de produir efectes biològics molt diferents; per tant, s’han d’estudiar separadament. L’únic punt en comú de totes les radiacions és la naturalesa física de l’agent causal.

Atenent la freqüència de la radiació i la quantitat d’energia que es propaga, les radiacions es poden classificar en radiacions ionitzants i radiacions no ionitzants.

Les radiacions ionitzants es localitzen a la part més alta de l’espectre electromagnètic (freqüències més altes). Les radiacions no ionitzants, de freqüències més baixes són massa febles per danyar les molècules que formen les nostres cèl·lules i no són capaces d’ionitzar las cèl·lules del nostre cos. Les radiacions no ionitzants, per tant, són molt menys perilloses, encara que no per això s’ha de pensar que no tenen cap efecte.

Quan les radiacions interaccionen amb la matèria es produeixen canvis d’energia a les molècules. Les molècules es poden trobar en l’estat fonamental o en estats excitats.

Quan les molècules absorbeixen energia passen a l’estat excitat, més inestable. A les molècules es poden presentar tres tipus de nivells energètics excitats diferents.

Els estats excitats poden correspondre a nivells rotacionals, nivells vibracionals i nivells electrònics:

• Nivells rotacionals. Als nivells rotacionals l’energia és baixa i correspon a moviments de rotació dels àtoms que formen la molècula. Aquesta energia és la que proporcionen les radiacions microones i l’infraroig llunyà.
• Nivells vibracionals. L’energia dels nivells vibracionals és mes gran que la corresponent als nivells rotacionals. En una molècula, els àtoms no ocupen posicions fixes, sinó que vibren dins un determinat espai i originen deformacions, asimetries, etc. Aquesta energia és la que proporcionen les radiacions infraroges. L’energia utilitzada en rotacions i vibracions es transforma en energia tèrmica.
• Canvis en nivells electrònics. L’energia capaç de produir canvis en nivells electrònics és molt superior i correspon a radiacions visibles i ultraviolades. L’energia utilitzada per produir canvis en nivells electrònics dóna lloc a energia tèrmica i a reaccions fotoquímiques.