INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

1. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Marcelo ramírezávila Instituto de investigacionesfísicas – u.m.s.a. La paz, 11 de octubre 2013

2. Conceptosbásicos • Radiación:Energíaelectromagnética o haz de partículas materiales que se propagan en elespacio a partir de unfocoemisor; mecanismo de transmisión de calorporemisión de energíaelectromagnéticadesdeuncuerpocaliente. • Radiaciónelectromagnética:Radiaciónformadaporondaselectromagnéticas (fotones) que se propagan en elespacio, resultantes de perturbaciones en camposeléctricos o magnéticos.

3. Espectroelectromagnético

4. Unidades básicas en física (Sistema Internacional, SI) Tiempo: segundo [s] Longitud: metro [m] Masa: kilogramo [kg] Energía: julio [J] Carga eléctrica: culombio [C] Otras magnitudes y unidades Potencia: vatio [W] (1 J/s) 1 mAs = 0.001 C

5. Unidades y constantes físicas universales electrón-voltio [eV]: 1.602  10-19 J 1 keV = 103eV ; 1 MeV = 106eV 1 Å = 10-10 m ; 1 F = 10-15m Carga eléctrica fundamental: e = 1.602  10-19C 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 10-34Js

6. Estructuraatómica y nuclear

7. Tipos de radiaciones ionizantes • Directamente ionizante (partículas cargadas): • Partículas alfa (a). • Partículas beta (b+ób-). • Indirectamente ionizante (partículas neutras): • Rayos gamma (g). • Rayos X (Rx). • Hadrones (neutrones, mesones).

8. Clasificación de las radiacionesionizantessegún la radiaciónproducida • 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.

9. 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.

10. 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

11. 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

12. Los electrones interactúan con el núcleo N N Espectro de Bremsstrahlung E E n(E) n1E1 n2E2 n1 n3E3 n2 n3 Emax E1 E1 E2 E2 E3 E3

13. 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

14. 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

15. Espectros de Bremsstrahlung dN/dE (densidad espectral) E0 E E0 E De un blanco “delgado” De un blanco “grueso” dN/dE E0= energía de los electrones, E = energía de los fotones emitidos

16. Interacciones de partículas a • Principales mecanismos de transmisión de energía: • Ionización. • Excitación. • Alta probabilidad de interacción: produce un alto número de pares iónicos por unidad de camino recorrida. • Rango corto: débilmente penetrante.

17. NO N • 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.

18. DISPERSIÓN FOTONES ATENUACIÓN ABSORCIÓN DISPERSIÓN 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. x N No • Fórmula válida si: • Fotones monoenergéticos • Haz colimado • Absorbente delgado N = No e-μx Donde μ(m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y depende de la energía de los fotones y del material absorbente.

19. x Atenuación de fotones Coeficiente de atenuación másico: μm = μ/r(cm 2/g) Ley de atenuación: N = N0 e-μmxm donde xm= x·r

20. Espesor decimorreductor:d1/10 es aquel que reduce la intensidad del haz (monoenergético) a su décima parte: 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 Capa hemirreductora (CHR) es aquella que reduce la exposición del haz (de espectro continuo) a la mitad.

21. Electrón ionización (absorción)  efectos biológicos FOTÓN Fotones de E ≤ E (otra dirección)  dispersión Procesos de interacción Los procesos elementales de interacción de los fotones con la materia son fundamentalmente: Interacción fotoeléctrica Interacción Compton Creación de pares

22. Electrón libre L K (h·ν) - Ee Fotón γ Núcleo (h·ν) Efecto fotoeléctrico La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en tejidos biológicos. 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.

23. L Electrón libre K Núcleo Fotón γ (h·ν) j Fotón γ’ (h·ν’) Efecto Compton La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000)keV, en tejidos biológicos. 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 Comptonμ(IC) : •  cuando la energía de los fotones  (aproximadamente como 1/E). • ≈ cuando Z del blanco . • Es proporcional a la densidad atómica del medio (ρ)

24. Electrón libre Núcleo Fotón 0,511 MeV Positrón Fotón γ (Energía > 1,022 MeV) 0,511 MeV Fotón Creación de pares La creación de pares sucede a energías >1.02 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)

25. 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.

26. Clasificación de neutrones(interacción con tejidos)

27. Interacciones de neutrones • Neutrones lentos: • Captura radiactiva con emisión g. • Con emisión de partículas cargadas (a, p, d) • Fisión (absorción por un átomo pesado). • Neutrones rápidos: Scatteringelástico e inelástico (modera o termaliza los neutrones)

28. 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.

29. 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.

30. Propiedades de las radiaciones

31. Penetración de las radiacionesionizantes

32. Efectos de las radiacionesionizantes

33. Efectos de las radiacionesionizantes

34. Efectos de las radiacionesionizantes

35. Efectos de las radiacionesionizantesEsperanza de vidapromediodespués de unairradiación de cuerpoenteroconRx

36. Efectos de las radiacionesionizantesDosis promedio letal después de unairradiación de cuerpoenteroconRx

37. Efectos de las radiacionesionizantesModelolineal sin umbral

38. CONCLUSIONES • Para cualquiertrabajorelcionadoconrelacionadoconradiaciones: • Importancia de la naturaleza de las radiaciones. • Mecanismos de interaccióncon la materia. • Efectos de las radiacionesionizantes en seresvivos.

39. 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 Bremsstrahlung tras filtración keV keV 50 100 150 200