INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

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INTERACCIÓN DE
LA RADIACIÓN
CON LA MATERIA
MARCELO RAMÍREZ ÁVILA
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES FÍSICAS – U.M.S.A.
LA PAZ, 11 DE OCTUBRE 2013
Conceptos básicos

Radiación: Energía electromagnética o haz de partículas
materiales que se propagan en el espacio a partir de un
foco emisor; mecanismo de transmisión de calor por
emisión de energía electromagnética desde un cuerpo
caliente.

Radiación electromagnética: Radiación formada por
ondas electromagnéticas (fotones) que se propagan en el
espacio, resultantes de perturbaciones en campos
eléctricos o magnéticos.
Espectro electromagnético
Unidades básicas en física (Sistema
Internacional, SI)
 Tiempo:
segundo [s]
 Longitud:
 Masa:
kilogramo [kg]
 Energía:
 Carga
 Otras
julio [J]
eléctrica: culombio [C]
magnitudes y unidades
 Potencia:
1
metro [m]
vatio [W] (1 J/s)
mAs = 0.001 C
Unidades y constantes físicas
universales
 electrón-voltio
[eV]: 1.602  10-19 J
1
keV = 103 eV ; 1 MeV = 106 eV
1
Å = 10-10 m
 Carga
;
1 F = 10-15 m
eléctrica fundamental: e = 1.602  10-19 C
 Velocidad
de la luz en el vacío: c = 2.999  108 m/s
 Masa
del electrón: me = 9.109 10-31 kg = 0.511 keV/c2
 Masa
del protón: mp = 1.673 10-27 kg = 938.272 MeV/c2
 Masa
del neutrón: mn = 1.675 10-27 kg = 939.565 MeV/c2
 Constante
de Planck: h = 6.626 10-34 Js
Estructura atómica y nuclear
Tipos de radiaciones ionizantes
 Directamente
ionizante (partículas cargadas):
 Partículas alfa (a).
 Partículas beta (b+ ó b-).
 Indirectamente
ionizante (partículas neutras):
 Rayos gamma (g).
 Rayos X (Rx).
 Hadrones (neutrones, mesones).
Clasificación de las radiaciones
ionizantes según la radiación producida
 Radiación
directamente ionizante: Partículas
cargadas que interaccionan de forma directa con
los electrones y el núcleo de los átomos de
moléculas blanco.
 Radiación indirectamente ionizante: Partículas no
cargadas como los fotones o los neutrones, que al
atravesar la materia interaccionan con ella
produciendo partículas cargadas siendo estos los
que ionizan a otros átomos.
Ionización
Ionización: proceso que resulta de
remover un
electrón de un átomo o molécula
eléctricamente neutro. El resultado es
la creación de un par de
iones: un electrón (negativo) y un
átomo o molécula positiva.
Ionización y transferencias de
energía asociadas

Ejemplo: electrones en agua

Energía de ionización: 16 eV (para una molécula de agua)

Otras transferencias de energía asociadas a la ionización

–
excitaciones (cada una requiere solo unos pocos eV)
–
transferencias térmicas (a incluso menor energía)
W = 32 eV es la pérdida promedio por ionización
–
es característica del medio
–
independiente de la partícula incidente y de su energía
Radiación de frenado
Bremsstrahlung:
• Pérdida de energía radiativa (E) por
electrones que se frenan en su paso a
través de un material
• es la deceleración del electrón incidente
por el campo culombiano del núcleo
• la energía de la radiación (E) se emite en
forma de fotones
Los electrones interactúan con
el núcleo
N
N
Espectro de
Bremsstrahlung
E
E
n(E)
n1E1
n2E2
n3E3
n1
n2
n3
E1
Emax
E1
E2
E3
E2
E3
Radiación de frenado

Con materiales de alto número atómico
–


La pérdida de energía es mayor
La pérdida de energía por Bremsstrahlung
–
Crece al aumentar la energía del electrón.
–
> 99% de la pérdida de energía cinética del electrón tiene
lugar como producción de calor
Los rayos X son predominantemente producidos por
Bremsstrahlung
Espectro continuo de
Bremsstrahlung

La energía (E) de los fotones de Bremsstrahlung puede
tomar cualquier valor entre “cero” y la máxima energía
cinética de los electrones incidentes

El número de fotones en función de E es proporcional a 1/E

Blanco grueso  espectro lineal continuo
Espectros de Bremsstrahlung
dN/dE (densidad espectral) dN/dE
E0 E
De un blanco “delgado”
E0
De un blanco “grueso” E
E0= energía de los electrones, E = energía de los fotones emitidos
Interacciones de partículas a
 Principales
energía:
mecanismos de transmisión de
1.
2.
Ionización.
Excitación.
 Alta
probabilidad de interacción: produce
un alto número de pares iónicos por unidad
de camino recorrida.
 Rango
corto: débilmente penetrante.
Interacción de fotones con la materia
La interacción de los fotones con la materia interesa desde dos puntos de
vista:
•Macroscópico: Atenuación de un haz al atravesar un objeto:
BLINDAJES
•Microscópico: Procesos de interacción de los fotones con los átomos:
TÉCNICAS DE OBTENCIÓN DE IMÁGENES.
NO
N
Atenuación de fotones
Cuando un haz de fotones (rayos X o radiación γ) atraviesa un
material se observa una disminución en el número de estos:
ATENUACIÓN.
DISPERSIÓN
FOTONES
ABSORCIÓN
x
No
DISPERSIÓN
ATENUACIÓN
N
Fórmula válida si:
N = No e-μx
• Fotones monoenergéticos
• Haz colimado
• Absorbente delgado
Donde μ (m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y
depende de la energía de los fotones y del material absorbente.
Atenuación de fotones
Coeficiente de atenuación
másico: μ m = μ/r (cm 2/g)
Ley de atenuación: N = N0 e-μmxm
donde xm= x·r
x
120
Radiación transmitida (% )
100
80
60
40
20
0
0
E
2E
3E
4E
Espesores de semirreducción
5E
6E
Atenuación de fotones
Espesor de semirreducción: Grosor del material
que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad:
d1/2= Ln(2) / μ= 0.693 / μ
Espesor decimorreductor :d1/10
es aquel que reduce la intensidad del haz (monoenergético)
a su décima parte:
d1/10
Ln 10
=

Capa hemirreductora (CHR)
es aquella que reduce la exposición del haz (de espectro
continuo) a la mitad.
Procesos de interacción
Los procesos elementales de interacción de los fotones con la
materia son fundamentalmente:
FOTÓN
Electrón  ionización (absorción)  efectos
biológicos
Fotones de E ≤ E (otra dirección)  dispersión
Interacción
fotoeléctrica
Interacción Compton
Creación de
pares
Efecto fotoeléctrico
La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en
tejidos biológicos.
L
Fotón γ
(h·ν)
(h·ν) - Ee
K
Núcleo
El fotón interacciona con un electrón ligado cediéndole toda su energía h·ν
El electrón invierte parte de la energía comunicada en romper la ligadura
Eligadura con el átomo y el resto como energía cinética Ec= h·ν- Eligadura
La probabilidad de que se produzca una interacción fotoeléctrica μ(IF) :
►  cuando la energía de los fotones  (aproximadamente como 1/E3).
►  cuando Z del blanco  (proporcionalmente a Z n) (n > 3).
► Es proporcional a la densidad del medio.
Efecto Compton
La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000) keV, en
tejidos biológicos.
L
K
Núcleo
Fotón γ
(h·ν)
j
Fotón γ’
(h·ν’)
El fotón interacciona con un electrón poco ligado cediéndole parte de su
energía h·ν
En la interacción se produce un fotón dispersado de energía h·ν’< h·ν
El e- liberado lleva una energía ≈ h·ν-h·ν’
La probabilidad de que se produzca una interacción Compton μ(IC) :
►  cuando la energía de los fotones  (aproximadamente como 1/E).
► ≈ cuando Z del blanco .
► Es proporcional a la densidad atómica del medio (ρ)
Creación
de
pares
La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV.
Núcleo
Fotón γ
(Energía > 1,022 MeV)
0,511 MeV
0,511 MeV
Consiste en la materialización de un fotón en un electrón y un positrón que
se reparten la energía de este.
El positrón cuando rebaja su energía se recombina con un electrón libre
emitiendo dos fotones de 511 KeV cada uno que salen en sentidos
opuestos.
La probabilidad de que se produzca una creación de pares μ(CP) :
►  cuando la energía de los fotones  (aprox. proporcional a E para E>1.02 MeV)
►  cuando Z del blanco . (≈Z2)
Coeficiente de atenuación total
El coeficiente de atenuación total μ de un medio, para fotones de
energía dada, es la suma de los coeficientes de atenuación
fotoeléctrica, Compton y de creación de pares.
   ( IF ) +  ( IC ) +  (CP)
Clasificación de neutrones
(interacción con tejidos)
Categoría
Rango de energía
Térmicos
~ 0.025 eV (< 0.5 eV)
Intermedios
0.5 eV - 100 KeV
Rápidos
100 KeV - 20 MeV
Relativistas
> 20 MeV
Interacciones de neutrones
 Neutrones
1.
2.
lentos:
Captura radiactiva con emisión g.
Con emisión de partículas cargadas (a, p, d)
3.
Fisión (absorción por un átomo pesado).
 Neutrones
rápidos: Scattering elástico e
inelástico (modera o termaliza los neutrones)
Scattering elástico de neutrones

Neutrón colisiona con núcleo de aprox. el
mismo tamaño. El núcleo de H es el más eficaz.

No hay emisión de rayos-g.

Se separa el núcleo de sus electrones.
Scattering inelástico de neutrones

El neutrón golpea un núcleo grande.

Penetra el núcleo, excitando un nucleón y sale con
pérdida de energía.

El núcleo queda en estado excitado y emite rayos-g.
Propiedades de las radiaciones
Radiación
Alfa
Beta
Tipo de
Radiación
Partícula
Partícula
Masa
(uma)
4
1/1836
Gamma – Ondas
0
rayos X electromagnéticas
Neutrons Partículas
1
Carga
Materiales para
frenarla
+2
Papel, piel, ropa.
±1
Plástico, vidrio, metales
livianos. (bajo Z y baja
densidad)
0
Metales densos,
concreto, Tierra. (alto Z,
alta densidad).
0
Materiales con
hidrógeno para moderar
(Agua, plásticos,
aceite), para absorber,
materiales que capturan
(boro, cadmio).
Penetración de las radiaciones
ionizantes
Efectos de las radiaciones ionizantes
Efectos de las radiaciones ionizantes
Efectos de las radiaciones ionizantes
Efectos de las radiaciones ionizantes
Esperanza de vida promedio después de una irradiación de
cuerpo entero con Rx
Efectos de las radiaciones ionizantes
Dosis promedio letal después de una irradiación de cuerpo
entero con Rx
Efectos de las radiaciones ionizantes
Modelo lineal sin umbral
CONCLUSIONES
 Para
cualquier trabajo relcionado con
relacionado con radiaciones:
1.
Importancia de la naturaleza de las
radiaciones.
2.
Mecanismos de interacción con la
materia.
3.
Efectos de las radiaciones ionizantes en
seres vivos.
Energía del espectro de rayos X

Energía máxima de los fotones de Bremsstrahlung
–

Energía cinética de los electrones incidentes
En el espectro de rayos X de las instalaciones de
radiología:
–
Máx (energía) = Energía al voltaje de pico del tubo de rayos
X
E
Bremsstrahlung
50 100 150 200 keV
Bremsstrahlung
tras filtración
keV

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