Introducción a la Física de Radiaciones Curso de Aplicaciones de las Radiaciones La Paz, 19 - 21 de septiembre, 2016 Rolando D. Ticona Peralta Carrera de Física, UMSA

Radiación La radiación es una manera de transferencia de energía en forma de: Partículas muy veloces Ondas electromagnéticas. La radiación puede ser dividida en ionizante y no ionizante

 X UV IR Micro Radio 4000Å<  < 6000Å

Radiación ionizante Una radiación se entiende como ionizante, cuando al interaccionar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones). Hay dos conceptos fundamentales que caracterizan a las radiaciones ionizantes: su capacidad de ionización es proporcional al nivel de energía, y la capacidad de su penetración es inversamente proporcional al tamaño de las partículas.

Directamente ionizante Clases de radiación ionizante Directamente ionizante Partículas partículas atómicas o subatómicas (electrones, protones, etc.) que transportan energía en forma de energía cinética de masa en movimiento. Indirectamente ionizante Radiación electromagnética La energía es transportada por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan a través del espacio a la velocidad de la luz.

El electrónvolt La definición de electrón-voltio es la energía cinética adquirida por un solo electrón cuando se mueve a través de un potencial eléctrico de 1 V. Obtenemos la relación siguiente entre julio y electrón-voltio: A menudo usamos energías del orden de varios millones de electrón-voltios, de modo que es conveniente introducir la siguiente relación: 1 MeV = 106 eV

Tipos de radiación y características seleccionadas Tipo de radiación Carga Rango aproximado de energía Rango aproximado En aire En agua Fuente primaria Partículas energéticas Alfa (2p+2n) + 2 3 a 9 MeV 2 a 8 cm 20 mm a 100 mm Algunos núcleos de Z alto Beta (positrón, electrón) ±1 0 a 3 MeV Hasta 12 m Unos cuantos mm Núcleos con razones altas o bajas de n/p Neutrón 0 a 10 MeV Hasta 100 m Hasta 1 m Reacciones nucleares Radiación electromagnética Rayos X Ninguna Unos pocos eV a varios MeV Unos pocos mm a 10 m Hasta unos cuantos cm Transiciones orbitales de e- y bremsstrahlung Rayos gamma ~10 keV a 10 MeV Algunos cm hasta 100 m Algunos mm a varios cm Transiciones nucleares

Origen de la radiación

En esta charla trataremos principalmente las radiaciones ionizantes. RADIACIÓN IONIZANTE GAMMA RAYOS X VISIBLE INFRAROJA MICROONDAS ULTRAVIOLETA Frecuencias altas ESPECTRO DE ENERGIAS Frecuencias bajas Al disminuir la longitud de onda, aumenta la frecuencia, por tanto la energía es mayor E = hc/l =hn

Producción de la radiación ionizante

Radiación electromagnética Los rayos gamma son de origen nuclear Los rayos X son originados fuera del núcleo, La energía de los rayos gamma es (generalmente) mayor a la de los rayos X

Producción de rayos X

El tubo de rayos X Por ejemplo, en 1 s una corriente del tubo de 200mA producirá el doble de electrones que una corriente de 100 mA. Un coulomb es producido por 6.24x1018 electrones. Un ampere es 1 C/s; así, una corriente de 100 mA produce un “flujo” de 6.24x1018 electrones/s del cátodo al ánodo.

Espectro de los rayos X

Desintegración g Cuando un núcleo atómico se encuentra excitado (con más energía que en su estado fundamental), tiende a desprenderse de esta energía emitiendo radiación electromagnética de alta energía (rayos gamma). N, Z y A no cambian

Desintegración g   

Entendiendo la radiación Algunas cosas que debemos conocer: ¿Qué son los radionucleidos? ¿Cuáles son sus medias vidas? ¿Cuáles son sus orígenes? ¿Cuáles de sus propiedades son relevantes a la dosimetría? ¿Qué es la actividad? ¿Cuáles son sus unidades?

Radionucleidos Isótopos Isóbaros isótonos Un nucleido es un átomo de un número de masa A conocido. A=N+Z Un radionucleido es un nucleido que es inestable, por lo cual puede sufrir transformaciones. Nucleidos con Z idénticos son llamados “isótopos” Nucleidos con A idénticos son llamados “isóbaros” Nucleidos con N idénticos son llamados “isótonos” Un nucleido en un estado excitado (exceso de energía) es llamado estado “isomérico” o “metaestable” Isótopos Isóbaros isótonos

Algunos aspectos importantes Hay más de 330 nucleidos encontrados en la naturaleza. Alrededor de 25 son inestables, pero con medias vidas suficientemente largas para sobrevivir desde la formación de la Tierra hasta ahora. Otros 35 tienen medias vidas cortas pero son constantemente producidos por el decaimiento de nucleidos padres. Alrededor de 1000 nucleidos producidos artificialmente han sido descubiertos. Estos nucleidos con Z>92 (uranio) han sido producidos bombardeando átomos con neutrones o partículas a.

Decaimiento alfa Todos los núcleos más pesados que el plomo son inestables; la mayoría decaen por emisión alfa. Emisión de un núcleo de 4He: n  n-2, Z Z-2, A A-4

El decaimiento beta El decaimiento beta involucra otra clase de partículas llamadas “leptones” que incluyen electrones (e-), positrones (e+), neutrinos (n), y antineutrinos ( ). El proceso beta conserva el número leptónico y también la carga. Tenemos los 3 procesos:

El decaimiento b– El electrón y el antineutrino son expulsados con una energía variable. Como resultado tenemos un núcleo con el mismo número de masa, A, Z+1 y N-1

El decaimiento b+ Se producen positrones y neutrinos procedentes de la transformación de un protón en un neutrón dentro del núcleo. El positrón y el neutrino son expulsados con una energía variable. Como resultado tenemos un núcleo con el mismo número de masa, A, Z-1 y N+1

Desintegración g En estos procesos de transformación el núcleo puede quedar con un exceso de energía (estado excitado nuclear). El decaimiento al estado fundamental se produce por emisión de radiación . N, Z y A no cambian

Niveles de energía nuclear radiación gamma MODELO NUCLEAR SIMPLIFICADO rayo gamma Núcleo con nucleones en niveles de energía excitados Desexcitación del nucleón con emisión de un rayo gamma

Actividad La “actividad” es simplemente una medida de la tasa de decaimiento (desintegración espontánea) de los átomos de un nucleido. En un grupo de átomos de un nucleido simple, el número de átomos que decaen, en un intervalo de unidad de tiempo, es proporcional al número disponible. Entonces, la tasa de decaimiento es exponencial:  = constante de decaimiento

Media vida La media vida es el periodo de tiempo para que el número original de núcleos se haya reducido a la mitad. La media vida es una característica única de cada nucleido. Las medias vidas tienen un rango de millonésimas de segundo a millones de años Media vida Vida media (denotado por t)

¿Cuan inestable es? La “media vida” describe cuan rápidamente un material radioactivo decae con el tiempo. Es el tiempo requeridos para que la MITAD de átomos inestables decaigan. Ejemplo: Algunos isótopos naturales (uranio y el torio), tienen vidas medias que son miles de millones de años Narrative How Unstable an atom is will drive the speed at which it decays. Some unstable atoms last for billions of years and are older than the Earth itself, others have a hard time staying around a microsecond after it was created. Since this is a random process, we don’t know exactly when any specific unstable atom will decay…. But, on average, we know how long it takes for half of a group of unstable atoms to decay. This measurement of time is called the half-Life. After each “half-life,” half of the remaining unstable atoms would transform. The Picture can help visualize this. Each dot represents an unstable atom. The first picture is almost black because of them. After one half life, half are gone. After another half-life, half of the remaining atoms are gone. Statistically, even after 10 half lifes, there could still be a few unstable atoms hanging around… but their number will be one thousandth of the starting number of atoms. =============================== Additional Info ============== For non technical Overview, Change SLIDE to The number of “decays” that occur per unit time in the radioactive material tell us how radioactive it is. Radioactive Material “decays away” with time, though different isotopes decay away at different rates. For Example: Some natural isotopes (like uranium and thorium) have half-lives that are billions of years. Most medical isotopes (like I-131) last only a few weeks.

Decaimiento radiactivo

Unidades de radioactividad Becquerel, Bq un decaimiento por segundo (1 dps) Curie, Ci 1 Ci = 3.70 x 1010 Bq

Interacción de la radiación con la materia

Interacción de la radiación ionizante con la materia Radiación incidente Colisión con Elástica Inelástica Absorción completa Alfa Núcleo Electrones orbitales Rutherford (despreciable) Bremsstrahlung Ionización y excitación Transmutación ninguna Electrones (b- y b+) Dispersión de Rutherford Causa alguna dispersión Ionización y excitación (rayos X característicos Captura electrónica Aniquilación (por positrones) Neutrones Retroceso con moderación de neutrones Dispersión de resonancia Activación y otras reacciones nucleares Fotones (rayos X y gamma) Dispersión de Thompson Dispersión de Rayleigh Efecto Mossbauer Efecto Compton Fotodesintegración Efecto fotoeléctrico y conversión interna Alguna vez tomado en cuenta Probablemente el más importante Rara vez tomado en cuenta El que más es tomado en cuenta

Interacción con la materia Al entender como la radiación interactúa con la materia entenderemos porqué diferentes tipos de radiación tienen diferente poder de penetración y como protegerse contra cada tipo de radiación.

Conceptos Básicos de Interaction Hay tres posibles ocurrencias cuando los fotones, en el haz primario, al pasar a través de la materia: Ninguna interacción Conocida como transmisión Absorción Dispersión Conocidos como métodos de atenuación

Atenuación Reducción de fotones cuando pasan a través de la materia Radiación primaria – atenuación = radiación secundaria

Interacciones de fotones con la materia Efecto fotoeléctrico Muy importante en diagnóstico Dispersión Compton Dispersión Coherente No importante en diagnóstico o terapia Producción de pares Muy importante en terapia Fotodesintegración

Efecto fotoeléctrico La energía del fotón incidente es transferida totalmente al átomo Despues de la interacción, el fotón ya no existe El fotón incidente interacúa con un electrón orbital de la capa interna – generalmente la K El electrón orbital es arrancado Para arrancar al electrón, la energía del fotón incidente debe ser igual, o mayor, que la energía del electrón. La sección eficaz (t) es proporcional a Zm/Ein donde m es ~4 y n ~3.

Efecto fotoeléctrico

Efecto Compton El fotón incidente no es absorbido completamente, sino que es desviado con una energía menor a la incidente. La sección eficaz Compton crece rápidamente al incrementarse Z y disminuye al aumentar la energía, aproximadamente como 1/Ei2.

Efecto Compton

Dispersión Coherente Ocurre a bajas energías Un fotón incidente interactúa con un átomo El átomo vibra momentáneamente Se libera energía es liberada en forma de una onda electromagnética Una combinación de estas ondas forma una onda dispersada El fotón cambia su dirección, pero no se transfiere energía

Producción de pares Un fotón incidente de 1.02 MeV de energía, o mayor, interactúa con el núcleo de un átomo El fotón incidente desaparece La transformación de energía resulta en la formación de dos partículas Electrón Posee carga negativa Positrón Posee carga positiva La sección eficaz se incrementa como ~Z2 y ~ln(Ei)

Producción de pares

Fotodesintegración Ocurre por encima de los 10 MeV Un fotón de alta energía es absorbido por el núcleo El núcleo es excitado y se hace radiactivo Para estabilizarse, el núcleo emite electónes, protones, partículas alfa, o rayos gamma

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.

Nociones de dosimetría

Introducción La dosimetría no es una ciencia básica, simplemente es física aplicada. El propósito principal de la dosimetría de radiación, es estimar cuantitativamente la absorción de energía en el tejido humano. Para estimar la dosis de radiación (es decir la energía absorbida por el tejido), se necesita entender los procesos por los cuales la radiación interactúa con el tejido como si estas interacciones generaran la transferencia de energía al tejido.

Interacciones de la radiación….. Hay diferentes tipos de interacciones, pero todas éstas producen liberación de electrones o fotones Debido a que no toda la energía de una partícula incidente o fotón es absorbida es una interacción simple, la exposición a la radiación produce una cascada de eventos antes de que toda la energía incidente sea absorbida

Exposición La radiactividad es medida en Roentgens (R) Carga producida en el aire por la ionización inducida por rayos gamma y X SOLO para fotones en el aire Unidad muy poco usada Una medida de qué se ha emitido

Dosis absorbida Energía depositada por cualquier forma de radiación ionizante por unidad de masa de material (J/kg) Roentgen Absorbed Dose (rad) Gray (Gy) 1 Gy = 100 rad

Dosis equivalente El daño en el tejido se mide en rem Una escala para igualar riesgos relativos de diferentes tipos de ionización en términos riesgo equivalente El daño en el tejido se mide en rem (Roentgen Equivalent Man) Q:riesgo lesión biológica rem = Q * rad Sievert (Sv) 1 Sv = 100 rem

¿Que es lo que realmente necesitamos conocer? 1 R  1 rad = 1 rem para gammas y betas* 1 rad  1 rem For alfas, neutrones y protones 1 rem = 1 rad * Q

*Dosis equivalente efectiva Límites de Dosis Anual Límites externos/internos de exposición para trabajadores ocupacionalmente expuestos   Adulto (>18 años) Menor (< 18 años) Cuerpo* 5000 mrem/año 500 mrem/año Ojos 15000 mrem/año 1500 mrem/año Extremidades 50000 mrem/año Piel Órganos *Dosis equivalente efectiva

ALARA As Low As Reasonably Achievable ¿Como? ¿Porqué? Tiempo Distancia Blindaje ¿Porqué? Para minimizar la dosis

Tiempo Menos tiempo = Menor exposición a la radiación Recibir altas dosis para realizar un experimento hecho rápidamente NO es “razonable”!

Distancia Es el más efectivo y fácil Ley del Inverso al Cuadrado Doblando la distancia de la fuente, la dosis disminuye por un factor de cuatro Triplicandola, disminuye a 1/9 Mayor distancia = Menor exposición a la radiación

Blindaje Los materiales “absorben” la radiación Un blindaje apropiado = menor exposición a la Radiation

Ejemplos de blindajes

Finalmente….

Gracias por su atención