MATERIA: MEDICINA NUCLEAR CARRERA: INGENIERÍA BIOMÉDICA F.C.E.F.y N - U.N.C. Año: 2008 Lic. G. R. Vélez – Lic. A. Martínez – Lic. M.L. Haye.

Interacción de la Radiación con la Materia. Cuando rayos X o  pasan a través de un medio, ocurren interacciones entre los fotones y la materia que dan como resultado la transferencia de energía a dicho medio. RADIACIONES IONIZANTES NO IONIZANTES (sólo exitan el átomo) (ionizan la materia)

RADIACIONES IONIZANTES El proceso por el cual un átomo neutro adquiere carga positiva o negativa se conoce como IONIZACIÓN. El hecho de que un electrón orbital sea liberado del átomo, deja al átomo cargado positivamente, dando como resultado un PAR IÓNICO: ELECTRÓN LIBERADO IÓN NEGATIVO ÁTOMO RESIDUAL IÓN POSITIVO

  TIPOS DE RADIACIONES IONIZANTES MÁS IMPORTANTES RAYOS  Es la radiación electromagnética emitida por un núcleo o en la aniquilación de materia con antimateria Un cuanto de energía de un fotón cualquiera está dado por:  Frecuencia  Longitud de onda c Velocidad de la luz en el vacío h Constante de Planck El rango de energías (en la práctica) emitida por átomos radioactivos va desde 2,6 keV hasta 6,1 – 7,1 MeV.

RAYOS X Es la energía electromagnética emitida por partículas cargadas (usualmente e-) cuando cambian de nivel de energía en un átomo (radiación característica) o durante el frenado en un campo de fuerza coulombiano (espectro continuo o bremsstrahlung – tubos de rayos X) Rangos de energía de rayos X en términos de los voltajes que los generan 0,1 – 20 kV Baja Energía (Soft) 20 -120 kV Rango de Diagnóstico 120 – 130 kV Orthovoltaje 300 kV – 1 MV Intermedios >1 MV Megavoltaje Los fotones de rayos  y rayos X de una dada energía tienen propiedades idénticas y solamente difieren en le modo en que se originan.

Son partículas livianas cargadas ELECTRONES Son partículas livianas cargadas Si son de carga positiva se llaman positrones Si son emitidos por un núcleo se llaman rayos  (positivos o negativos) Si resultan de una colisión de partículas cargadas se los llama rayos  Mediante aceleradores lineales, betatrones y microtrones se generan haces de electrones muy energéticos (del orden de los MeV) PARTÍCULAS PESADAS CARGADAS PROTÓN Núcleo de Hidrógeno. DEUTERÓN Núcleo de Deuterio; un protón y un neutrón unidos por fuerzas nucleares.

TRITÓN Un protón y dos neutrones unidos por fuerzas nucleares PARTÍCULAS α Núcleo de Helio; dos protones y dos neutrones NEUTRONES Son partículas neutras (sin carga eléctrica) obtenidas mediante reacciones nucleares, ya que no pueden ser aceleradas electrostáticamente. Hay que distinguir la interacción con la materia de las partículas cargadas y las no cargadas

RADIACIÓN DIRECTAMENTE IONIZANTE Son aquellas partículas cargadas rápidas (electrones, protones, etc.), las cuales entregan su energía directamente, a través de pequeñas interacciones coulombianas a lo largo de su camino RADIACIÓN INDIRECTAMENTE IONIZANTE Son aquellas partículas no cargadas (fotones, neutrones), las cuales transfieren su energía a partículas cargadas en la materia, mediante la cual sufren varias interacciones. Luego las pertículas cargadas rápidas, entregan su energía a la materia como en el caso anterior. El depósito de energía en la materia mediante la radiación indirectamente ionizante es un proceso de dos pasos.

TIPOS DE INTERACCIONES ENTRE PARTÍCULAS INTERACCIONES DE LOS FOTONES CON LA MATERIA. DISPERSIÓN COHERENTE (COHERENT SCATTERING) Este proceso se puede visualizar considerando la naturaleza ondulatoria de la raddiación electromagnética. Una onda electromagnética pasa cerca de un electrón orbital y lo excita de manera tal que el e- queda oscilando, este e- irradia energía en la misma frecuencia del fotón incidente (onda electromagnética).  Átomo El único efecto que se obtiene es la dispersión del fotón incidente en pequeños ángulos.

La energía cinética del e- eyectado (foto-electrón) es: EFECTO FOTOELÉCTRICO Es un fenómeno en el cual un fotón interactúa con un átomo y se libera un electrón orbital del átomo. En este proceso toda la energía h del fotón se transfiere al e- orbital. r-X característicos e- Auger La energía cinética del e- eyectado (foto-electrón) es: h Átomo K L M EB es la energía de ligadura del electrón orbital Este efecto se produce con e- de las capas K, L, M y N e- Luego de que el e- es eyectado del átomo, se produce una vacancia en la capa, dejando al átomo en un estado excitado. La vacancia puede llenarse e- de una capa más externa Emisión de rayos X característicos Emisión de e- Auger

El fotón, con energía reducida, es dispersado en un ángulo  EFECTO COMPTON En este proceso, el fotón interactúa con un electrón del átomo, como si este e- fuera un electrón “libre”. (“Libre” significa que la energía de ligadura del electrón es mucho menor que la del fotón incidente). En esta interacción: El e- recibe una parte de la energía del fotón incidente y es emitido en un ángulo . El fotón, con energía reducida, es dispersado en un ángulo  h0  e-  h’ e- libre Fotón incidente e- Compton Fotón dispersado

Planteando conservación de la energía y del momento, se obtiene: Se puede analizar este proceso como una colisión entre dos partículas: un fotón y un electrón. Planteando conservación de la energía y del momento, se obtiene: Energía del e- compton Energía del fotón dispersado Ángulo del e- compton y es la energía en reposo del e-

PRODUCCIÓN DE PARES En este proceso, el fotón interactúa fuertemente con el campo electromagnético de un núcleo atómico y entrega toda su energía en el proceso de creación de un par electrón (e-) – positrón (e+) Como la masa en reposo de un e- o e+ es 0,511MeV, el fotón incidente debe tener una energía mínima de 1,022MeV que es la necesaria para producir un par e-, e+. h >1,02MeV e- e+ Umbral de Energía El exceso de energía del fotón incidente es compartido entre el e- y el e+ como energía cinética. La energía cinética disponible para el par e-, e+ está dada por:

ANIQUILACIÓN DE POSITRONES La dirección en que las partículas tienden a seguir es la misma dirección del fotón incidente La distribución más probable de energía cinética de estas partículas es que cada una de ellas reciba la mitad de la energía disponible, aunque es posible cualquier otra distribución. En algunos casos límite, una de las partículas recibe toda la energía y la otra nada. ANIQUILACIÓN DE POSITRONES Es el proceso inverso a la producción de pares. Es el proceso en el cual un positrón se combina con un electrón y se producen dos fotones, llamados radiación de aniquilación. e- e+ h = 0,511 MeV Los dos fotones que se se producen son emitidos en direcciones opuestas, ya que hay conservación del momento.