Hospital Universitario Central de Asturias I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM III. INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA Manuel Pamos Ureña Servicio de F.M y P.R. Hospital Universitario Central de Asturias

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM III. INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA

AX Z I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 1.Introducción El átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas AX Z

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 2. Estructura atómica El átomo está formado por Núcleo Corteza Las propiedades físicas dependen del núcleo (protones y neutrones). Las propiedades químicas depende de la corteza electrónica (e- de capa externa).

Núcleo Corteza I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Compuesto de p+ y n 99 % masa del átomo Pequeño en relación al radio atómico (100000 veces menor) Muy denso Corteza Electrones orbitando alrededor del núcleo en órbitas definidas La energía de cada e- depende de la órbita en que se encuentre Modelo del átomo de Bohr

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 3. Excitación e ionización atómica En un átomo en estado fundamental los e- ocupan (siempre de forma ordenada) los orbitales de menor energía. En un átomo excitado alguno de sus e- ha absorbido energía y se ha movido a un orbital de mayor energía (se ha alejado del núcleo).

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 3. Excitación e ionización atómica En el caso de un átomo ionizado, uno de sus e- ha absorbido energía suficiente como para desligarse del núcleo. El átomo queda con carga positiva y en la estructura de capas de la corteza existe ahora una vacante Esta vacante puede ser ocupada por un e- de una capa superior emisión de energía en forma de radiación electromagnética (fotones)

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 4. Desexcitación nuclear Un núcleo en un estado fuera del equilibrio puede desexcitarse de 3 maneras: 1.Emisión de partículas α: se trata de núcleos de He (2 p+ y 2 n) muy poco penetrantes pero muy ionizantes Al igual que en la corteza electrónica, en el núcleo también existen procesos de intercambio de energía. Un núcleo en un estado de excitación va a sufrir un proceso mediante el cual trata de volver al estado de equilibrio. Existen tres vías de desexcitación nuclear: Alfa: muy ionizantes, esto quiere decir que en su recorrido por un medio pueden chocar con e de la corteza y comunicarles energía suficiente como para expulsarlo del átomo, quedando éste ionizado 2. Emisión de partículas β: son electrones más penetrantes que α pero menos ionizante

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 4. Desexcitación nuclear 3. Radiación gamma γ: son ondas electromagnéticas es el tipo de radiación más penetrante

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 5. Interacción de partículas cargadas (e-) con la materia 5.1 Tipos de colisiones Los e- pierden su energía al interaccionar con la materia por medio de tres procesos fundamentalmente: Colisión radiativa Colisión elástica Colisión inelástica Parte de la energía del e- incidente es transferida al átomo Ionización Excitación El e- se "frena" o se "desvía" en su interacción con los átomos del medio Emisión de radiación de frenado (Bremsstrahlung). Cesión de energía cinética No hay alteración atómica del medio.

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Colisión elástica Cesión de energía cinética No hay alteración atómica del medio. e-

Ionización I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Colisión inelástica Parte de la energía del e- incidente es transferida al átomo. Si E suficiente como para arrancar e- , el átomo queda ionizado Estado inestable, reordenación electrónica Rayos X característicos e- expulsado del átomo Ionización e- desviado e- incidente

Excitación I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Colisión inelástica e- desviado Parte de la energía del e- incidente es transferida al átomo. Ahora la E no es suficiente para arrancar e- ,sí para “subirlo” de nivel Estado inestable, reordenación electrónica Rayos X característicos e- desviado e- incidente Excitación

I. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Colisión radiativa Trayectoria del e- alterada emisión de ondas electromagnéticas radiación de frenado (Bremsstrahlung) El e- incidente puede tener diferentes Ec, de anteriores colisiones La E que pierda en esta colisión dependerá de la distancia a la que pase del núcleo Luego, los fotones emitidos tendrán diferentes energías. Este fenómeno es la base física de la producción de rayos X donde se hace incidir un haz de electrones sobre un material de alto número atómico. Radiación de frenado

ESTRUCTURA DE LA MATERIA II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM III. INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA

II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM 1. Radiación electromagnética Radiación EM: propagación de energía sin el soporte de un medio material Está formada por dos campos, eléctrico (E) y magnético (B), que se encuentran en fase y cuyos planos de propagación son perpendiculares.

c = λ ν II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM 2. Frecuencia y longitud de onda La velocidad de propagación en el vacío de las ondas EM es constante c = 3 x 108 m/s Para todas las ondas EM se cumple la relación c = λ ν c = velocidad de propagación λ longitud de onda : distancia entre dos puntos de la misma fase ν frecuencia: número de oscilaciones por segundo

ν frecuencia: número de oscilaciones por segundo II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM λ longitud de onda : distancia entre dos puntos de la misma fase ν frecuencia: número de oscilaciones por segundo

II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM 3. Espectro electromagnético Radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Aprox a partir de la radiación ultravioleta

II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM 3. Espectro electromagnético Se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio Radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Aprox a partir de la radiación ultravioleta

Fotón: cuanto de energía E.M. II. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN EM 4. Dualidad Onda- Corpúsculo Los fenómenos físicos asociados a la Radiación EM sólo se pueden explicar si se le asocia una dualidad en el comportamiento: Onda Corpúsculo El carácter ondulatorio explica los fenómenos de interferencia, difracción y refracción. El carácter corpuscular explica los fenómenos de interacción con la materia. Fotón: cuanto de energía E.M. E = h ν

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III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA 1. Interacción de los fotones con la materia 1.1 Procesos de interacción

TÉCNICAS DE OBTENCIÓN DE IMÁGENES. III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA 1. Interacción de los 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.

Efecto Fotoeléctrico Interacción Compton Creación de pares III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA 1.1 Procesos de interacción Efecto Fotoeléctrico Interacción Compton Tipos de interacción Creación de pares

Probabilidad del efecto fotoeléctrico: III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Efecto Fotoeléctrico El fotón interacciona con un electrón ligado cediéndole toda su energía. Esta energía se invierte en romper la ligadura con el átomo y el resto como energía cinética Probabilidad del efecto fotoeléctrico: cuando la energía de los fotones (aprox como 1/E3) cuando Z del blanco (proporcionalmente a Zn) (n > 3). Proporcional a la densidad del medio.

La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Efecto Fotoeléctrico La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías <100 keV en tejidos biológicos

Probabilidad del efecto Compton: III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Efecto Compton El fotón interacciona con un electrón poco ligado cediéndole parte de su energía. En la interacción se producen un fotón dispersado de Edis <Einc y un electrón de energía Ee- = Einc - Edis Probabilidad del efecto Compton: cuando la energía de los fotones (aprox como 1/E) Proporcional a la densidad electrónica del medio.

La interacción Compton es dominante a energías entre III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Efecto Compton La interacción Compton es dominante a energías entre 100 y 1000 keV en tejidos biológicos

Probabilidad de la creación de pares: III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Creación de pares Consiste en la materialización de un fotón en un electrón y un positrón que se reparten la energía de éste. 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. Probabilidad de la creación de pares: cuando la energía de los fotones (aprox. proporcional a E para E>1.02 MeV) cuando Z del blanco (˜ Z2)

La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV III. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Creación de pares La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV

Como prescriptores y usuarios de radiaciones, algunas ideas: En el ámbito hospitalario se usan radiaciones, rutinariamente Radiodiagnóstico Terapia Rayos X en Radioterapia Radiación γ en Medicina Nuclear Rayos X Conocer el origen de estas radiaciones Tras las normas de uso y protección radiológica subyace una teoría física bien conocida y perfectamente establecida

Muchas gracias