interacciÓn de la radiaciÓn con la materia marcelo ramÍrez Ávila instituto de investigaciones...

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIAMARCELO 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)

Tiempo: segundo [s]Longitud: metro [m]Masa: kilogramo [kg]Energía: julio [J]Carga eléctrica: culombio [C]Otras magnitudes y unidadesPotencia: vatio [W] (1 J/s)1 mAs = 0.001 C

Unidades y constantes físicas universales

electrón-voltio [eV]: 1.602 10-19 J1 keV = 103 eV ; 1 MeV = 106 eV1 Å = 10-10 m ; 1 F = 10-15 mCarga eléctrica fundamental: e = 1.602 10-19 CVelocidad de la luz en el vacío: c = 2.999 108 m/sMasa 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

Estructura atómica y nuclear

Tipos de radiaciones ionizantesDirectamente 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 producidaRadiación 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.

IonizaciónIonización: 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

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

Radiación de frenadoBremsstrahlung:

• 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

Los electrones interactúan con el núcleo

N N

n(E)E

E1

E2E3

n1

n3

n2

E1

E2E3

n1E1

n2E2

n3E3

E

Emax

Espectro deBremsstrahlung

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

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

Espectros de BremsstrahlungdN/dE

E0= energía de los electrones, E = energía de los fotones emitidos

dN/dE (densidad espectral)

De un blanco “delgado” EE0EE0

De un blanco “grueso”

Interacciones de partículas aPrincipales mecanismos de transmisión de

energía:

1. Ionización.

2. Excitación.

Alta probabilidad de interacción: produce un alto número de pares iónicos por unidad de camino recorrida.

Rango corto: débilmente penetrante.

17Interacción de fotones con la materia

NNO

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.

18Atenuación de fotonesCuando un haz de fotones (rayos X o radiación γ) atraviesa un material se observa una disminución en el número de estos: ATENUACIÓN.

Donde μ (m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y depende de la energía de los fotones y del material absorbente.

N = No e-

μx

DISPERSIÓN

DISPERSIÓN

FOTONES

ABSORCIÓN ATENUACIÓN

Fórmula válida si:

• Fotones monoenergéticos

• Haz colimado

• Absorbente delgado

NoN

x

x

Coeficiente de atenuación másico: μ m = μ/r (cm 2/g)

Ley de atenuación: N = N0 e-

μm

xm

donde xm= x·r

Atenuación de fotones

0 E 2E 3E 4E 5E 6E

Espesores de semirreducción

0

20

40

60

80

100

120Radiación transmitida (%)

Espesor de semirreducción: Grosor del material que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad:

d1/2= Ln(2) / μ= 0.693 / μ

Atenuación de fotones

1/10

Ln 10 = d

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.

21Procesos de interacción

Interacción fotoeléctrica

Interacción Compton

Creación de pares

Los procesos elementales de interacción de los fotones con la materia son fundamentalmente:

FOTÓNElectrón ionización (absorción) efectos biológicos

Fotones de E ≤ E (otra dirección) dispersión

22

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.

La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en tejidos biológicos.

Efecto fotoeléctrico

Fotón γ(h·ν)

KL

Electrón lib

re

(h·ν) - Ee

Núcleo

23

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)

La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000) keV, en tejidos biológicos.

Efecto Compton

j

Fotón γ

KL

NúcleoElectr

ón libre

(h·ν)

Fotón γ’

(h·ν’)

24

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.

Creación de pares

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)

La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV.

(Energía > 1,022 MeV)

0,511 MeV

0,511 MeV

Fotó

n

Fotó

n

Núcleo

Fotón γ

Positrón

Electrón lib

re

25Coeficiente de atenuación total

( ) ( ) ( )IF IC CP

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:

1. Captura radiactiva con emisión g.

2. Con emisión de partículas cargadas (a, p, d)

3. 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

RadiaciónTipo de

RadiaciónMasa (uma)

CargaMateriales para

frenarla

Alfa Partícula 4 +2 Papel, piel, ropa.

Beta Partícula 1/1836 ±1Plástico, vidrio, metales livianos. (bajo Z y baja densidad)

Gamma – rayos X

Ondas electromagnéticas

0 0Metales densos, concreto, Tierra. (alto Z, alta densidad).

Neutrons Partículas 1 0

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 ionizantesEsperanza de vida promedio después de una irradiación de cuerpo entero con Rx

Efectos de las radiaciones ionizantesDosis promedio letal después de una irradiación de cuerpo entero con Rx

Efectos de las radiaciones ionizantesModelo lineal sin umbral

CONCLUSIONES

Para cualquier trabajo relcionado con relacionado con radiaciones:

1. Importancia de la naturaleza de las radiaciones.

2. Mecanismos de interacción con la materia.

3. 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

BremsstrahlungE

keV50 100 150 200

Bremsstrahlung tras filtración

keV