BI_BOEM_U2_EA - Jessica Mendoza (2)

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Universidad Abierta y a Distancia de México
División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales
Ingeniería en Biotecnología
 
 
Termodinámica 
Evidencia de aprendizaje 
El sincrotrón
18 de MAYO de 2021
El sincrotrón 
Introducción 
La luz como base del sincrotrón 
La luz es una onda electromagnetica que tiene cierta velocidad de propagacion, longitude de onda y frecuencia, y que dependiendo de los valores de estas variables, será la naturaleza en el comportamiento de la misma. La longitud de las ondas nos permite clasificar a la luz, que va más allá de lo que el ojo humano es capaz de visualizar. 
Figura 1: La luz según su longitud de onda y espectro de luz visible
Los fotones son las unidades elementales que pueden ser consideradas particulas compuestas por radiación electromagnética. 
Su masa es igual a 0 y viaja a una velocidad constante. Manifiestan las propiedades de las ondas: difracción, refracción y reflexión. 
Incluye los rayos gamma 
Rayos X
Luz ultravioleta 
Luz visible 
Luz infrarroja 
Microondas 
Etc. 
Figura 2: Generación de fotones 
Absorción 
Un fotón puede ser absorbido cuando su energía es idéntica a la diferencia entre dos niveles cuánticos de energía.
Si la energía del fotón es mayor o menor que la diferencia entre los dos niveles cuánticos, este no será absorbido. 
Estos valores son distintos para cada elemento químico y los procesos que sufren.
Permite identificar y deducir la naturaleza de la materia 
Permite realizar procedimientos como las espectroscopías
Figura 3: Absorción de fotones 
Difracción 
Se relaciona con la naturaleza ondulatoria de la luz, proporcionando información sobre la estructura de la materia. 
Debe usarse luz con longitud de onda similar a la orden de separación de los átomos
La luz “tiene que caber” entre los átomos para que la difracción sea efectiva
Permite determinar la disposición de los átomos en un cristal y la forma de moléculas complejas. 
Figura 4: Foto 51 de Rosalind Franklin que permitió conocer la estructura del ADN
Reflexión 
La estructura de la materia es un medio continuo, y para que pueda ser observada como tal, es necesaio que la longitud de onda de la luz sea menor que la del objeto observado. 
Cuando la materia tiene un tamaño menor, la nitidez se pierde y se vuelve casi imposible observarla 
Para la observación de materia pequeña, debe usarse luz con menor longitud de onda. 
Figura 5: Células sanguíneas: Eritrocito de 7 micrómetros, plaqueta y linfocito, tomadas con microscopio eléctrico de barrido 
La luz en el sincrotrón 
Los electrones son movidos a velocidades muy próximas a las de la luz
Se usa energía del orden Gev: Giga electrón voltios
La luz es producida aplicando aceleración centrípeta a electrones relativistas 
Los electrones son sometidos a movimiento circular con velocidad constante 
Surge la radiación sincrotrón, que es pérdida de energía de estos electrones circulantes 
Figura 6: Producción de radiación sincrotrón 
Descubrimiento 
En 1974 un grupo de físicos de partículas buscaba sincronizar paquetes de electrones de distintas energías en un acelerador circular de 70 MeV. 
Se propuso que a los de menor energía recibieran mayor impulso y los de mayor energía recibieran un impulso menor. 
El uso de paredes de vidrio permitió apreciar la luz que provenía de estos paquetes. 
Eventualmente, la radiación emitida por los electrones fue encontrando diversas aplicaciones. 
Figura 7: Edwin Mcmillan, quien propuso sincronizar un paquete de electrones 
Producción de luz en el sincrotrón
El tránsito de los electrones no es completamente circular 
Hay alternancia de tractos rectos y curvos 
Rectos: Es el espacio donde los electrones circulan 
Curvos: Aquí se produce la luz pues es donde los electrones son acelerados y tienen un movimiento circular por un corto tiempo 
La luz producida por este aceleramiento de electrones cubre todo el espectro, pero es de particular interés la luz del extremo de los rayos X por sus innovadoras aplicaciones 
Figura 8: Sincrotrón modelo desde vista aérea externa 
Bases teóricas 
Ecuaciones de Maxwell 
Establecen los fundamentos de la electricidad y del magnetismo. Permiten desarrollar las formulas de trabajo en el campo
Relatividad especial 
Factor 22: Se refiere al desplazamiento Doppler que ocurre cuando la emisión de los electrones móviles es observada en el marco R del laboratorio. 
Figura 9:Representación gráfica de las ecuaciones de Maxwell
Tercera generación de sincrotrones
Esquema representativo de las características que reúnen la másmoderna generación de sincrotrones
Estructura del sincrotrón 
1. Producción de electrones 
2. Aceleración de electrones .
3. Almacenamiento de electrones. 
4. Beam lines 
5. Selección de luz 
6. Deteccíón de luz 
Aplicaciones de luz sincrotrón 
Medicina 
Obtención de imágenes y de diagnósico menos invasivas para el paciente
Aumento en la precision de detección y diagnóstico 
Disminuye el tiempo de exposición a la radiación X
Microhaces de rayos X  Tratamiento de enfermedades complejas como tumores
Figura 11:Imagen de SYRMEP ( Synchrotron radiation for medical physics) 
Química
Análisis de estructura molecular de los materiale s
Mejora de procesos de producción de compuestos 
Desarrollo de Tamiflu y Herceptin 
Predícción de propiedades químicas de los elementos y compuestos 
Figura 12: Antiviral Tamiflu producido con ayuda de la tecnología sincrotrón 
Biología 
Estudio de la estructura de los bloques fundamentales como son las proteínas y áciidos nucleicos. 
Estudio de células a mejor detalle, observación de estructuras de menor tamaño no observables con la microscopía traidicíonal 
Identificación de metabolitos con mayor fidelidad y sensibilidad 
Figura 13: Estudio basado en rayos X con resulición menor a 100 nm desarrollado con sincrotrón 
Ciencia de materiales 
Análisis de alta precisión para determinación de las propiedades de los materiales 
Por ejemplo, los sistemas electromécanicos y biosensores fueron desarrollados con esta tecnología. 
Figura 14: Entradda de rayo de radion dispersado por el material de análisis en conos de Debye Shcerrer 
Petroquimica 
La luz es usada para estudiar las propiedades del petróleo
El análisis en crudo o refinado es posie 
Se mejora la eficiencia de refinación 
Se mejoran las cualidades de los productos 
Referencias 
Fuenes-Penna, A. (2016) Estructura y aplicaciones de un sincrotrón. Recuperado de http://riaa.uaem.mx/xmlui/bitstream/handle/20.500.12055/144/158-2186-2-PB.pdf?sequence=1&isAllowed=y
INCyTU (2018) Fuente de Luz Sincrotrón. INCyTU, (003). Recuperado de https://www.foroconsultivo.org.mx/INCyTU/documentos/Completa/INCYTU_18-003.pdf