TAREA: INTERACCIÓN DE LOS DE LOS RAYOS X CON LA MATERIA .

ITERACCION DE LOS RAYOS X CON LA MATERIA.

Los empleos de la radiación están basados en cualquiera de las dos siguientes propiedades: penetración de la materia y depósito de energía. Las radiografías, por ejemplo, son posibles gracias a que los rayos X penetran de manera distinta a los diferentes materiales. Por su lado, en la radioterapia se busca depositar energía en los tejidos malignos para eliminarlos. Lo que le sucede a la radiación al pasar por la materia es, por tanto, de primordial interés en varios campos. Uno es el ya mencionado de la medicina. Otro, que más nos incumbe aquí, el de la protección radiológica. Además, la presencia misma de la radiación en general no es evidente si no se cuenta con detectores espaciales, cuya función es hacernos notar los efectos que la radiación les induce.

Si los orígenes de las radiaciones son atómicos o nucleares, también es de esperarse que sus efectos se inicien a nivel atómico o nuclear. Imaginemos a nivel microscópico que una de las radiaciones que hemos descrito penetra en un material. Lo que esta radiación escuentra a su paso son electrones y núcleos atómicos, pero en general mucho más electrones que núcleos (por cada núcleo hay Z electrones). Por lo tanto, en términos generales las interacciones con los electrones serán mucho más abundantes que con los otros núcleos. Los efectos más comunes son la ionización y la excitación atómica del material; menos numerosos son los cambios estructurales. A final de cuentas, el depósito de energía en el material da lugar a una elevación de temperatura.

La energía promedio necesaria para producir ionización en un elemento depende de su número atómico. En los elementos ligeros es del orden de decenas de eV; para aire se acepta el valor de 34 eV. Aunque no toda la energía se va a ionizar, esto significa que una sola radiación de energía de varios MeV es capaz de producir un total de unos 100 000 pares ión-electrón en aire. La forma detallada en que se produce esta ionización es distinta para cada tipo de radiación y su energía. Conviene separar los tipos de radiación en cuatro grupos según su interacción con la materia: 1) las partículas pesadas cargadas positivamente, que incluyen partículas alfa, protones e iones pesados energéticos; 2) las partículas ligeras cargadas, como electrones, betas y positrones; 3) las radiaciones electromagnéticas, incluyendo rayos X y gamma; 4) los neutrones. La figura 12 esquematiza los rasgos principales de estos procesos. 

PASO DE PARTÍCULAS ALFA Y OTROS IONES POR LA MATERIA

Las partículas alfa ( y otros iones pesados) tienen carga positiva y carga grande. Al penetrar la materia atraen a su paso eléctricamente a los electrones cercanos, produciendo ionización de estos átomos. Pierden una pequeña fracción de su energía en cada ionización producida, frenándose gradualmente hasta llegar al reposo. Cuando su velocidad ya se ha reducido de manera sensible, atrapan electrones del material y finalmente se detienen, constituyendo átomos extraños de helio dentro del material.

Dado que su masa es mucho mayor que la de los electrones que se encuentran a su paso, su trayectoria es esencialmente recta. Sólo muy ocasionalmente chocan con un núcleo y se produce una desviación. Como son fuertemente ionizantes, pierden su energía cinética pronto, y el alcance de las partículas alfa en cualquier material es mucho menor que el de las otras radiaciones. Además, el alcance es mayor mientras mayor es la energía de la partícula. En sólidos es típicamente de unas micras. Las partículas alfa provenientes de una fuente radiactiva tienen todas el mismo alcance, en virtud de que son monoenergéticas.

Para estimar el alcance de las partículas alfa en aire se puede usar la siguiente fórmula empírica

R (aire) = 0.318 E^3/2,

donde el alcance R está dado en centímetros y la energía E la de partícula alfa está en MeV. En alcance en sólidos se obtiene a partir del alcance en aire de acuerdo con la ecuación:

R (sólido) = 3.2 x 10^-4 (aire) ,

donde A es el número de masa del sólido y p es su densidad en g/ cm². Resulta del orden de una diezmilésima del alcance en aire.

III.3. EL PASO DE ELECTRONES POR LA MATERIA

Los electrones energéticos (y las betas negativas) tienen carga eléctrica, y su masa es la misma que la de los electrones atómicos que se encuentran a su paso. De hecho son indistinguibles de los electrones del material. Así como las partículas alfa, van avanzando y perdiendo energía al ionizar y excitar los átomos del material, hasta frenarse totalmente, pero con la diferencia de que sus trayectorias no son líneas rectas y, por lo tanto, su alcance no está tan bien definido como en el caso de las alfas.

Esto se debe a que en choques entre partículas de la misma masa puede haber desviaciones importantes de la dirección inicial del proyectil.

El alcance de electrones de MeV de energía en sólidos es típicamente de unos milímetros, y en aire es de unas decenas de centímetros. Cuando han perdido toda su energía se detienen, constituyendo entonces una carga eléctrica extra colocada dentro del material, confundiéndose con los demás electrones. Como las betas provenientes de una fuente radiactiva no son monoenergéticas (por la energía que se lleva el neutrino), su alcance es variado.

Cuando un electrón energético se avecina a un núcleo, es desviado bruscamente por la gran carga eléctrica del núcleo. Este desvío provoca la emisión de un fotón de rayos X, cuya emisión se denomina radiación de frenamiento o bremsstrahlung, y es un mecanismo considerable de pérdida de energía de los electrones. El desvío es más importante entre mayor sea el número atómico Z del material frenador. Es lo que produce la radiación proveniente de un tubo generador de rayos X.

Los positrones siguen esencialmente el mismo proceso de frenado que los electrones negativos, salvo al final de su trayectoria. Siendo antimateria, no pueden existir por mucho tiempo en un mundo de materia. El proceso normal que sufren una vez que se ha frenado casi totalmente es el siguiente. En virtud de que tienen carga positiva, se asocian temporalmente a un electrón del material, formando un "átomo" llamado positronio, en el que el electrón y el positrón giran uno alrededor del otro. El positronio tiene una vida media del orden de 10^-10 segundos. Luego se aniquilan las dos partículas, emitiendo radiación electromagnética (rayos gamma). Las masas del electrón y del positrón son de 0.51 MeV cada uno, así que hay 1.02 MeV disponibles al aniquilarse. Normalmente se emiten dos rayos gamma, cada uno de 0.51 MeV; ésta se llama radiación de aniquilación.

EL PASO DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA POR LA MATERIA

Los rayos X y gamma, al no tener carga, mo pueden ser frenados lentamente por ionización al atravesar un material. Sufren otros mecanismos que al final los hacen desaparecer, transfiriendo su energía , pueden atravesar varios centímetros de un sólido, o cientos de metros de aire, sin sufrir ningún proceso ni afectar la materia que cruzan. Luego sufren uno de los tres efectos y depositan allí gran parte de su energía. Los tres mecanismos de interacción con la materia son: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción de pares. Se describen en forma gráfica en la figura 13.

a) El efecto fotoeléctrico consiste en que el fotón se encuentra con un electrón del material y le transfiere toda su energía, desapareciendo el fotón original. El electrón secundario adquiere toda la energía del fotón en forma de energía cinética, y es suficiente para desligarlo de su átomo y convertirlo en proyectil. Se frena éste por ionización y excitación del material

b) En el efecto Compton el fotón choca con un electrón como si fuera un choque entre dos esferas elásticas. El electrón secundario adquiere sólo parte de la energía del fotón y el resto se la lleva otro fotón de menor energía y desviado.

c) Cuando un fotón energético se acerca al campo eléctrico intenso de un núcleo puede suceder la producción de pares. En este caso el fotón se transforma en un par electrón- positrón. Como la suma de las masas del par es 1.02 MeV, no puede suceder si la energía del fotón es menor que esta cantidad. Si la energía del fotón original en mayor que 1.02 MeV, el excedente se lo reparten el electrón y el positrón como energía cinética, pudiendo ionizar el material. El positrón al final de su trayecto forma un positronio y luego se aniquila produciéndose dos fotones de aniquilación, de 0.51 MeV cada uno.

Cada uno de los efectos predomina a diferentes energías de los fotones. A bajas energías (rayos X) predomina el fotoeléctrico; a energías medianas (alrededor de 1MeV) , el Compton; a energías mayores, la producción de pares.

Dependiendo de la energía que tengan los rayos x emitidos, se podrán producir diferentes interacciones con la materia.

Cuando los RX son de POCA ENERGÍA (energías menores a 10 KeV), se producirá el EFECTO THOMSON.

LOS DIFERENTES EFECTOS DE LOS RAYOS X

En el EFECTO THOMSON, el rayo X de baja energía interacciona con el átomo entero, produciendo así un cambio de dirección del rayo x. En este caso, la longitud de onda será igual a la energía del rayo. Este tipo de interacción produce un ligero velado de la imagen. A mayor energía del rayo, con menos frecuéncia se producirá esta interacción.
Este tipo de interacción no está dentro del intervalo diagnóstico, así que evitaremos utilizar rayos de poca energía.

Cuando los RX son de ENERGÍA MODERADA, se podrán producir dos tipos de interacciones con la materia: el EFECTO COMPTON y el EFECTO FOTOELÉCTRICO.

En el EFECTO COMPTON, en rayo X interacciona con la capa externa del átomo. Es el que se produce en los rayos X de frenado. El rayo será inversamente proporcional a la energía y no dependerá del numero atómico ni de la densidad de la materia con la que interacciona. Este tipo de interacción es la fuente de exposición para el especialista en radiodiagnóstico (en forma de radiación dispersa) y no es la más importante en radiodiagnóstico porque produce velado de la imagen.

En el EFECTO FOTOELÉCTRICO el rayo X interacciona con las capas internas del átomo, al interaccionar un salta un fotoelectrón dejando un vacío, un electrón de una capa más externa saltará a ocupar el vacío de la capa más interna, quedando el átomo ionozado. Este tipo de interacción puede producir radiación secundaria que producirá velado, pero es el más utilizado en el intervalo diagnóstico. Los rayos que no alcanzan el receptor de imagen serám absorbidos por las estructuras antómicas, los que penetran en el cuerpo serán transmitidos al receptor de imagen y provocarán las areas oscuras de  la imagen. Es el tipo de interacción de los rayos X característicos. Esta interacción es inversamente proporcional al cubo de su energía y de su número atómico y directamente proporcional a la densidad y a la masa.

Cuando los rayos X son de ALTA ENERGÍA (energías supoeriores a 1'02 MeV), se producirán dos tipos de interacciones: la PRODUCCIÓN DE PARES y la DESINTEGRACIÓN FOTÓNICA.

En la PRODUCCIÓN DE PARES el rayo X no interacciona con los e- de las capas del átomo, sino que interacciona directamente con el nucleo del átomo diana. Al chocar saltarán dos pares de electrones en direcciones opuestas y un positrón. Cada electrón producido tendrá la mitad de la energía del rayo X emitido.

La DESINTEGRACIÓN FOTÓNICA se produce cuando la energía del rayo es mayor de 10 MeV. Al chocar el rayo contra el nucleo, lo excita y podrá desintegrarlo, sacando un fragmento nuclear o un nucleón (el nucleo entero), Ninguna de estas dos interacciones de alta energía sirven para el intervalo diagnóstico.