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) Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

Unidades y constantes físicas universales Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 ; 1 F = 10-15 m Carga 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

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 Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

Los electrones interactúan con el núcleo Emax Espectro de Bremsstrahlung

Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

Espectro continuo de Bremsstrahlung Part No...., Module No....Lesson No Module title 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 IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

Espectros de Bremsstrahlung Part No...., Module No....Lesson No Module title Espectros de Bremsstrahlung dN/dE (densidad espectral) De un blanco “delgado” E E0 De un blanco “grueso” dN/dE E0= energía de los electrones, E = energía de los fotones emitidos IAEA Post Graduate Educational Course in Radiation Protection and Safe Use of Radiation Sources

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.

TÉCNICAS DE OBTENCIÓN DE IMÁGENES. 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. N NO

Atenuación de fotones N = No e-μx 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 ATENUACIÓN x N No Fórmula válida si: Fotones monoenergéticos Haz colimado Absorbente delgado Esta expresión sólo es totalmente valida cuando se trata de: - fotones monoenergéticos (al integrar hemos supuesto μ constante y μ es función de la energía de los fotones). - haz muy colimado, superficie transversal del haz muy pequeña. - espesor de absorbente muy 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.

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

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: 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. Fotón γ (h·ν) K L Electrón libre (h·ν) - Ee 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. j Fotón γ K L Núcleo Electrón libre (h·ν) 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. (Energía > 1,022 MeV) 0,511 MeV Fotón Núcleo Fotón γ Positrón Electrón libre 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.

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 lentos: Captura radiactiva con emisión g. Con emisión de partículas cargadas (a, p, d) 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 Tipo de Radiación Masa (uma) Carga Materiales para frenarla Alfa Partícula 4 +2 Papel, piel, ropa. Beta 1/1836 ±1 Plástico, vidrio, metales livianos. (bajo Z y baja densidad) Gamma – rayos X Ondas electromagnéticas Metales densos, concreto, Tierra. (alto Z, alta densidad). Neutrons Partículas 1 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: Importancia de la naturaleza de las radiaciones. Mecanismos de interacción con la materia. 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 Bremsstrahlung E keV 50 100 150 200 Bremsstrahlung tras filtración keV