sábado, 22 de enero de 2011

La física de la cinta Scotch: rayos X inesperados

Tim Koeth (izquierda) y Pat O'Shea llevan a cabo su experimento con cinta adhesiva en la Universidad de Maryland. (Foto cortesía de Tim Koeth).

La cinta Scotch no puede fijar un hueso roto, pero podría ser capaz de decirnos que el hueso está roto. Tim Koeth está trabajando para averiguar cómo el humilde elemento de oficina crea rayos X cuando se desenrolla y qué podríamos hacer con ellos.
Koeth, físico de la Universidad de Maryland, está continuando el trabajo del físico Seth Putterman de UCLA, quien encontró en 2008 que la cinta adhesiva emite rayos X cuando es desenrrollada dentro de un vacío.

En el experimento de Putterman, la intensidad de rayos X era lo suficientemente fuerte para permitir que los investigadores de UCLA obtuvieran una imagen de rayos X de un dedo. Si el mecanismo se pudiese determinar, este descubrimiento podría conducir a una máquina barata, portátil, de rayos X que puede funcionar sin electricidad, una herramienta inestimable para los trabajadores de campo en áreas remotas o los médicos militares y los servicios de emergencia. Koeth estaba fascinado. "Tenía que intentarlo por mí mismo", dijo.
Así que él y su jefe de departamento, el físico Patrick O'Shea, improvisaron un experimento con su propia cinta. En un rincón del laboratorio, cerca de donde trabajan en el Anillo electrónico de la Universidad de Maryland, construyeron una cámara de vacío para alojar un rollo de cinta adhesiva; un material fosforescente que brilla cuando los electrones se golpean, y un detector de rayos X, todos ellos con partes y piezas que que se encuentran por ahí el laboratorio.

Koeth coloca esta llave entre la cinta y una pantalla de fósforo para crear una sombra. Imagen cortesía de Tim Koeth.

"Son el mejor tipo de experimentos", dijo O'Shea. Koeth tenía curiosidad sobre la fuente de los rayos X . Mientras que los metales pesados como el tungsteno a menudo emiten rayos X cuando son golpeados por electrones en rápido movimiento, les sorprendió que algo tan simple como la cinta adhesiva pudiera producirlos. La respuesta, pensó, podría tener que ver con algo de "física pegajosa" en la que la extracción de la cinta crea un fuerte campo eléctrico.

Para ilustrar esto, Koeth sugiere un experimento sencillo: Espolvoree brillo en su escritorio; desenrolle un rollo de cinta adhesiva sobre él, y vea cómo un campo eléctrico se forma y se chupa los destellos. Pero no se preocupe, usted no está creando rayos X en el escritorio. Los electrones deben acelerarse al menos a 10 keV para producir rayos X penetrantes, y las moléculas de aire frenarse mucho antes para llegar a esta energía.
En el vacío, sin embargo, los electrones no se detienen hasta que chocan contra una superficie sólida y emiten un estallido de rayos X, un fenómeno conocido como bremsstrahlung o "radiación de frenado" en alemán. Cuando los investigadores desenrrollaron la cinta dentro de la cámara de vacío, la luz verde del material fosforescente les dijo que un gran número de electrones estaba golpeando.

La llave se coloca por debajo de la cinta, pero por encima la pantalla de fósforo ha bloqueado los electrones y hace una sombra. Imagen cortesía de Tim Koeth

Para estudiar si estos electrones eran lo suficientemente fuertes para crear rayos X, los investigadores agregaron una pantalla con un voltaje negativo de 10 kV (10.000 volt). Los electrones acelerados por la cinta desenrrollada fueron capaces de abrirse camino a través de la pantalla hacia el material fosforescente.
Koeth y O'Shea no carecen de ideas para futuros proyectos: la determinación de si se podría aumentar la tensión de aceleración del campo, el estudio de las propiedades del adhesivo de la cinta, tomando algunas imágenes reales de rayos X, y la integración de los componentes de la experiencia en una máquina utilizable. Si el componente de vacío pudiera ser portátil, una máquina autónoma de rayos X sería un ejemplo de lo que O'Shea llama "ingeniería culturalmente competente", la creación de soluciones tecnológicas, sin el uso de materiales de lujo para su uso en zonas remotas del mundo. Sin embargo, él y Koeth encuentran la física de la cinta tan fascinante como sus posibles aplicaciones.

"A pesar de que la fricción es una fuerza presente a diario, muchos de sus detalles no se conocen bien. Nos gusta explorar cosas que no se entienden bien", dijo O'Shea. "Si aumentamos nuestro conocimiento del universo, a menudo encontramos aplicaciones útiles. Cuando Faraday comenzó sus experimentos sobre la electricidad, no estaba seguro de las aplicaciones prácticas que ellos podrían tener, sin embargo, él y otros han hallado unas cuantas".



Fuente:
The physics of Scotch tape (Sara Reardon para Symmetry )

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