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Astrofísica Nucleary Física Médica
Enrique Nácher GonzálezInstituto de Estructura de la Materia
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• De dónde vienen los núcleos atómicos?
• Cómo influyen las reacciones nucleares en la evolución de las estrellas?
ASTROFÍSICA NUCLEAR
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De dónde vienen los núcleos atómicos: nucleosíntesis primordial
Henri Joseph Edouard Lemaitre,sacerdote católico y astrofísicobelga (1894-1966), aplicó lasecuaciones de la relatividad generalde Einstein a la Cosmología ypropuso la teoría del Universoexpansivo y del Big-Bang.
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A mayor energia de enlace, más ligados los nucleones, más estable es el núcleo. La naturaleza tiende a formar sistemas estables. Por ello, la fusión de elmentos ligeros libera energía, y la rotura o fision de elementos pesados tambienlibera energía.
FUSION
•700000 Toneladas/s de Hidrógeno se fusionan en el centro del Sol para producir Helio y energía, que nos llega a nosotros en la Tierra.
(…)
De dónde vienen los núcleos atómicos: nucleosíntesis estelar
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Fred Hoyle propuso la existencia de una resonancia en 12C sinla cual no podria producirse el proceso triple alpha en lascondiciones que se encuentra el He en una gigante roja =>=>Argumento antropocentrista:
De dónde vienen los núcleos atómicos: nucleosíntesis estelar
4He+4He
3.03 2+
-0.092 g.s. 0+
8Be
7.65 0+
≈10 0+,2+
g
8Be10-18 s
g.s. 0+
12C
7.27
T>100 x 106 KRed Giants
12C* g4.44 2+
g
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• Evolución estelar => “batalla” entre la energía de fusión “expansiva” y la energía gravitatoria “contractiva”
• Cuando el combustible se termina, solo queda la gravedad: colapso => supernova
p+e- n + ne
De dónde vienen los núcleos atómicos: nucleosíntesis estelar
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número de neutrones
núm
ero
de p
roto
nes
Pero en la Tierra, tenemos elementos más pesados que el hierro¿De dónde vienen?
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Procesos s, r y rp
• Captura de neutrones: procesos s (slow) y r (rapid)
• Captura de protones: proceso rp (rapid proton)
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Procesos s, r y rp• http://www.jinaweb.orgThe r-process is responsible for the origin of about half of the elementsheavier than iron that are found in nature, including elements such as goldor uranium. Shown is the result of a model calculation for this process thatmight occur in a supernova explosion. Iron is bombarded with a huge flux of neutrons and a sequence of neutron captures and beta decays is thencreating heavy elements.
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Procesos s, r y rp• Observable Físico: abundancias nucleares en el Sistema Solar
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Procesos s, r y rp• http://www.jinaweb.orgIf neutron stars are orbited by a normal companion star they can suck matterfrom the companion. This matter gets compressed and heated as it reachesthe neutron star surface and if enough has accumulated it explodes in a gigantic hydrogen bomb. The explosion can be observed from earth as anX-ray burst with duration of 10-100s.
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• Resumiendo: los núcleos son “productos” de la vida (y muerte) de las estrellas… y algo más
• Para entender la procedencia de los núcleos y sus abundancias en la Tierra necesitamos comprender los mecanismos de evolución estelar y galáctica a lo largo de la historia del Universo
• Para comprender la evolución de las estrellas, necesitamos comprender las propiedades de los núcleos (secciones eficaces de captura, tasas de desintegración, masas…)
• Esto se estudia experimentalmente en el laboratorio utilizando aceleradores de partículas y detectores.
… y viceversa …
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10-15 m
104 m
1012 m
1019 m
1022 m
10-9 m
10-6 m10-5 m
10-12 m
10-14 m
Telescopios
Microscopios
Aceleradores
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Astrofísica Nuclear Las reacciones nucleares que ocurren de modo natural en las estrellas, se pueden reproducir artificalmente en el laboratorio mediante aceleradores de partículas y estudiarlas empleando detectores.
AC
EL
ER
AD
OR
ES
DE
PA
RT
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LA
SA
CE
LE
RA
DO
RE
S D
E P
AR
TÍC
UL
AS Instalación GSI/FAIR en Instalación GSI/FAIR en DarmstadtDarmstadt (Alemania)(Alemania)
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Y TODO ESTO…, ¿PARA QUÉ?
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• Física nuclear para radiodiagnóstico: imagen médica (CT, PET, NMR…)
• Física nuclear para radioterapia
FÍSICA MÉDICA
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Radiodiagnóstico: CT & PET
• Computerized Tomography (CT): diagnóstico tradicional por transmisión de rayos X => buena imagen morfológica
• Positron Emission Tomography (PET): uso de radiotrazadores y su acumulación en diferentes órganos del cuerpo => buena imagen funcional
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Computerized Tomography (CT)
Radiodiagnóstico: CT & PET
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Radiodiagnóstico: CT & PET
Positron EmissionTomography (PET)
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Radiodiagnóstico: CT & PET
Combinación PET/CT: imagen funcional con gran definición y calidad morfológica
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Radiodiagnóstico: CT & PET
Combinación PET/CT: imagen funcional con gran definición y calidad morfológica
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Radiodiagnóstico: CT & PET
Combinación PET/CT: imagen funcional con gran definición y calidad morfológica
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Imagen de cámara gamma portátil de www.gem-imaging.com, empresa spin-off del CSIC
Imagen de tumor de New Scientist,Agosto 2007
Paratiroides, Hospital General Universitario, Valencia
Gammacámaras portátiles
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Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
• Terapia con rayos X o g: tubos de rayos X, fuente de 60Co, acelerador lineal de electrones (barata, menos selectiva)
• Terapia con hadrones: aceleradores (ciclotrones o sincrotrones) de protones o de 12C (cara, muy selectiva)
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Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
• Intensity Modulated Radiation Therapy• Terapia conformada 3D
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Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
• Hadrontherapy: hace uso de haces acelerados de p o 12C => dosis muy localizada
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Carcinoma nasofaringeal: rayos X
Energía depositada frente a la profundidad en el tejido:
Tumor medular:
rayo
s X
Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
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Carcinoma nasofaringeal: rayos X protones
Energía depositada frente a la profundidad en el tejido:
Tumor medular:
pro
ton
es
rayo
s X
Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
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Radioterapia:
rayos X o g vs hadrones (p,12C)
Meduloblastoma pediátrico.
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1. Fuente de Iones de C02, libera C2 ionizado.
1. Acelerador lineal b=0.1
1. Syncrotrón acelera iones de Chasta b=0.73
HIT: Centro de terapia con haces de iones en Heidelberg
• Este centro realiza terapiacon protones e ionespesados.
• Tiene permiso para tratarpacientes desde 2 Nov 2009Aprox.: 1300 p/y
• Tratará tumores dedifícil acceso hasta 30cm.
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Proyectado para 2019
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¡Gracias por vuestra atención!
http://www.iem.csic.es/departamentos/nuclear/fnexp/index_es.html