Medicina i Física Quàntica
Javier Tejada, Dept. Física Fonamental

Universitat de Barcelona

30 gener 2014
Contenidos
Contenidos
La Mecánica Cuántica
El cuerpo humano
Relación con la Medicina
Título
La mecánica
Big Bang

cuántica
Radiación electromágnetica y materia
La mecánica cuántica
Industria electrónica

Microscopio óptico
Espectroscopia molecular Diagnóstico
Desintegración radiactiva
Industria fotónica

THz Gap

Visible – Rad UV

microondas

Rayos-X

10

10

10

10

dc

kilo

mega

giga

0

3

6

9

10

tera

12

Frequency (Hz)
1 THz ~ 1 ps ~ 300 mm ~ 4.1 meV ~ 47.6 oK

10

15

peta

10

18

exa

Rayos gamma

10

10

zetta

yotta

21

24

Hz
Título
La mecánica
Dualidad onda-partícula

cuántica
Título
La mecánica

cuántica
h
λ=
mv

Onda asociada
No existencia de trayectoria

h
−32
λ=
≈ 10 m
Mv
e

h
−9
λ=
≈ 10 m = 1nm < λvisible
me v
Microscopio electrónico

Microscopio óptico
La mecánica cuántica
Objeto cuántico
Objeto clásico

Efecto túnel
La mecánica cuántica
Entrelazado cuántico: superposición de estados clásicos. Efecto túnel
La mecánica cuántica
e

The magnetic moment of an atom is
due to two contributions:

μorbital

p

1.

The movement of the electrons
around the nucleus. The electric
charges in movement generate
magnetic fields

2.

The electrons, like all the elemental particles, present an intrinsic property,
called spin, that generates magnetic moment even when they are out of
the atoms:
e
e
μ
spin

S=1/2

S=-1/2

So the atomic magnetic moment is the sum of both
contributions: átomo es una brújula

μtotal = μorbital + μspin

e
p
La mecánica cuántica

Brújula electrónica

Brújula nuclear
Título
El cuerpo

humano

El cuerpo humano está hecho de sólidos,
líquidos y gases. Nos centraremos en algunos
fenómenos cuánticos.
En el cuerpo humano continuamente ocurren
fenómenos eléctricos y magnéticos.
Los fenómenos eléctricos son más energéticos
que los fenómenos magnéticos.
Título
El cuerpo

humano

El Helio es un líquido cuántico  no solidifica ni siquiera a
T=0, principio de incertidumbre: los átomos no ocupan una
sola posición, sinó que están a la vez en las posiciones vecinas. Así que los médicos
que trabajan en NMR ven cada día un líquido cuántico.
Título
El cuerpo

humano

Que son los sólidos? Átomos unidos
por fuerzas. La fuerza de unión se
mide por la temperatura a la que un

a

a

a

a

sólido se hace líquido.
Título
El cuerpo

humano

Electrones en un metal moviéndose aleatoriamente dentro del sólido.
Cuando aparece un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre:

valeat
e

≈ 10 m
5

e

e

varr ≈ 10 m
−5

s
−

e

e

s
+

e

V
Título
El cuerpo

humano

Los electrones en su movimiento chocan y pierden
energía  Resistencia que depende de la T.

T ↓⇒ R ↓
Existen metales y oxidos que pueden tener R=0 por
debajo de cierta T  Superconductividad, formación
de parejas.
Fenómeno de un anillo SC con un pequeño aislante
 corriente en ambos sentidos  fenómeno de
interferencia cuántica, superposición de estados.
IMAGEN!!!
Título
El cuerpo

humano

Los superconductores tienen la propiedad de no dejan
penetrar el campo magnético

Por los SC se puede hacer pasar mucha corriente y crear
5
grandes campos magnéticos, NMR:

H = 10 Gauss

Campo magnético terrestre:

H = 0.05Gauss
Cuerpo humano vs memoria magnética

HH

Los sólidos magnéticos (ferromagnéticos)
presentan histéresis cuando son sometidos a un
campo magnético externo
M

Al retirar el campo, estos
materiales mantienen cierta
magnetización que va
decreciendo lentamente con el
tiempo

MR ~ Memoria

Hc tarjeta crédito ~ 5000 Oe
Hc Transformador ~ 1 Oe

H
¡¡¡Los sólidos magnéticos
tienen memoria y la pierden
con el tiempo!!!
t ~ 109 años: Paleomagnetos
t ~ 10 años: Tarjeta de crédito
Disco duro

HH

Hc

MR ~ ln t
Cuerpo humano vs memoria magnética
El desarrollo de nuevas tecnologías
ha permitido fabricar materiales
magnéticos cada vez con menor
número de átomos

Estas nanopartículas son
ampliamente utilizadas para
almacenar información
magnéticamente.

1μm

1

0 1 1

0 1 0 1
Cuerpo humano vs memoria magnética
El cerebro no puede ser un disco duro magnético
M
MR ~ Memoria

H
Título
El cuerpo

humano

Sangre: ejemplo de líquido  la sangre del feto y de la madre. El valor del
momento magnético de la brújula del ión Fe (2+) determina la capacidad de
oxigenación (MC) y depende de la posicíon de dicho ión respecto al plano pirrólico.

Fe

N

N

Fe

N

N
N

N
N

N
Título
El cuerpo

humano

Muerte  criogénesis  hombre congelado leviatan!!!
Título
El cuerpo

humano

Cerebro como metáfora cuántica
Buenos días!!

Bilingüismo cuántico

Bon dia!!
Título
Relación

con la Medicina

Magnetocardiograma (MCG)
Título
Relación

con la Medicina

Magnetoencefalograma (MEG)
Título
Relación

con la Medicina

Investigación en Física

Intravascular excitation
Acou
stic
excit
ation

blood vessel
Method:
acoustic
propagation of acoustic waves
through blooddetection
vessels
Waveguiding effect:
studies of acoustic propagation
along the vessel

Visualización stents

Detection:
stray acoustic fields: require very
sensitive transducers
V1 cuerpo humano y mecanica cuantica-1

V1 cuerpo humano y mecanica cuantica-1

  • 1.
    Medicina i FísicaQuàntica Javier Tejada, Dept. Física Fonamental Universitat de Barcelona 30 gener 2014
  • 2.
    Contenidos Contenidos La Mecánica Cuántica Elcuerpo humano Relación con la Medicina
  • 3.
  • 4.
    La mecánica cuántica Industriaelectrónica Microscopio óptico Espectroscopia molecular Diagnóstico Desintegración radiactiva Industria fotónica THz Gap Visible – Rad UV microondas Rayos-X 10 10 10 10 dc kilo mega giga 0 3 6 9 10 tera 12 Frequency (Hz) 1 THz ~ 1 ps ~ 300 mm ~ 4.1 meV ~ 47.6 oK 10 15 peta 10 18 exa Rayos gamma 10 10 zetta yotta 21 24 Hz
  • 5.
  • 6.
    Título La mecánica cuántica h λ= mv Onda asociada Noexistencia de trayectoria h −32 λ= ≈ 10 m Mv e h −9 λ= ≈ 10 m = 1nm < λvisible me v Microscopio electrónico Microscopio óptico
  • 7.
    La mecánica cuántica Objetocuántico Objeto clásico Efecto túnel
  • 8.
    La mecánica cuántica Entrelazadocuántico: superposición de estados clásicos. Efecto túnel
  • 9.
    La mecánica cuántica e Themagnetic moment of an atom is due to two contributions: μorbital p 1. The movement of the electrons around the nucleus. The electric charges in movement generate magnetic fields 2. The electrons, like all the elemental particles, present an intrinsic property, called spin, that generates magnetic moment even when they are out of the atoms: e e μ spin S=1/2 S=-1/2 So the atomic magnetic moment is the sum of both contributions: átomo es una brújula μtotal = μorbital + μspin e p
  • 10.
    La mecánica cuántica Brújulaelectrónica Brújula nuclear
  • 11.
    Título El cuerpo humano El cuerpohumano está hecho de sólidos, líquidos y gases. Nos centraremos en algunos fenómenos cuánticos. En el cuerpo humano continuamente ocurren fenómenos eléctricos y magnéticos. Los fenómenos eléctricos son más energéticos que los fenómenos magnéticos.
  • 12.
    Título El cuerpo humano El Helioes un líquido cuántico  no solidifica ni siquiera a T=0, principio de incertidumbre: los átomos no ocupan una sola posición, sinó que están a la vez en las posiciones vecinas. Así que los médicos que trabajan en NMR ven cada día un líquido cuántico.
  • 13.
    Título El cuerpo humano Que sonlos sólidos? Átomos unidos por fuerzas. La fuerza de unión se mide por la temperatura a la que un a a a a sólido se hace líquido.
  • 14.
    Título El cuerpo humano Electrones enun metal moviéndose aleatoriamente dentro del sólido. Cuando aparece un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre: valeat e ≈ 10 m 5 e e varr ≈ 10 m −5 s − e e s + e V
  • 15.
    Título El cuerpo humano Los electronesen su movimiento chocan y pierden energía  Resistencia que depende de la T. T ↓⇒ R ↓ Existen metales y oxidos que pueden tener R=0 por debajo de cierta T  Superconductividad, formación de parejas. Fenómeno de un anillo SC con un pequeño aislante  corriente en ambos sentidos  fenómeno de interferencia cuántica, superposición de estados. IMAGEN!!!
  • 16.
    Título El cuerpo humano Los superconductorestienen la propiedad de no dejan penetrar el campo magnético Por los SC se puede hacer pasar mucha corriente y crear 5 grandes campos magnéticos, NMR: H = 10 Gauss Campo magnético terrestre: H = 0.05Gauss
  • 17.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética HH Los sólidos magnéticos (ferromagnéticos) presentan histéresis cuando son sometidos a un campo magnético externo M Al retirar el campo, estos materiales mantienen cierta magnetización que va decreciendo lentamente con el tiempo MR ~ Memoria Hc tarjeta crédito ~ 5000 Oe Hc Transformador ~ 1 Oe H ¡¡¡Los sólidos magnéticos tienen memoria y la pierden con el tiempo!!! t ~ 109 años: Paleomagnetos t ~ 10 años: Tarjeta de crédito Disco duro HH Hc MR ~ ln t
  • 18.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética El desarrollo de nuevas tecnologías ha permitido fabricar materiales magnéticos cada vez con menor número de átomos Estas nanopartículas son ampliamente utilizadas para almacenar información magnéticamente. 1μm 1 0 1 1 0 1 0 1
  • 19.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética El cerebro no puede ser un disco duro magnético M MR ~ Memoria H
  • 20.
    Título El cuerpo humano Sangre: ejemplode líquido  la sangre del feto y de la madre. El valor del momento magnético de la brújula del ión Fe (2+) determina la capacidad de oxigenación (MC) y depende de la posicíon de dicho ión respecto al plano pirrólico. Fe N N Fe N N N N N N
  • 21.
    Título El cuerpo humano Muerte criogénesis  hombre congelado leviatan!!!
  • 22.
    Título El cuerpo humano Cerebro comometáfora cuántica Buenos días!! Bilingüismo cuántico Bon dia!!
  • 23.
  • 24.
  • 25.
    Título Relación con la Medicina Investigaciónen Física Intravascular excitation Acou stic excit ation blood vessel Method: acoustic propagation of acoustic waves through blooddetection vessels Waveguiding effect: studies of acoustic propagation along the vessel Visualización stents Detection: stray acoustic fields: require very sensitive transducers

Notas del editor

  • #11 Sólidos magnéticos: Aprovechar las diapositivas de la corriente eléctrica en los átomos y espines  brújulas. És la següent la que vols?
  • #14 IMAGEN!!! de solido con muelles entre los atomos. IMAGEN!!! de un solido metalico IMAGEN!!! inventada de los electrones de un metal moviendose aleatoriamente dentro del sólido y ver que cuando aparezca un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre . Poner numeros tanto a la v aleatoria como a la de arrastre.
  • #15 IMAGEN!!! de solido con muelles entre los atomos. IMAGEN!!! de un solido metalico IMAGEN!!! inventada de los electrones de un metal moviendose aleatoriamente dentro del sólido y ver que cuando aparezca un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre . Poner numeros tanto a la v aleatoria como a la de arrastre.
  • #17 NMR: imatge amb e saltant d’estat amunt perque entra un fotó Inter-no-se-que de corazon, cerebro, iman nevera, electroimán,
  • #18 Hablar de la capacidad de las conexiones neuronales, de los ordenadores y de la memoria y de la pérdida de la misma.
  • #20 Hablar de la capacidad de las conexiones neuronales, de los ordenadores y de la memoria y de la pérdida de la misma.
  • #25 El magnetoencefalograma es una técnica no invasiva que registra la actividad funcional cerebral, mediante la captación de campos magnéticos, permitiendo investigar las relaciones entre las estructuras cerebrales y sus funciones. La posibilidad de dichos registros viene determinada por la actividad postsináptica neuronal y por la activación sincrónica de millones de neuronas, lo que genera una actividad cerebral uniforme, diferenciada y localizada, capaz de ser registrada mediante el magnetómetro. El SQUID se usa para medir campos magnéticos extremadamente pequeños; actualmente son los magnetómetros más sensibles conocidos, con niveles de ruido de un mínimo de 3 fT/sqrt(Hz). La magnetoencefalografía (MEG), usa medidas de una batería de SQUIDs para inferir la actividad neuronal en el cerebro. Como los SQUIDs pueden trabajar a mucha mayor velocidad que la tasa de actividad cerebral más rápida de interés, se puede obtener buena resolución temporal por MEG.