Interacción de la radiación con la materia

Interacción de la Radiación con la Materia

• La interacción de las partículas con la materia produce efectos que dependen de:
• Tipo de partícula: masa (ligeras o pesadas) y carga (positiva o negativa).
• Energía de la partícula.
• Medio de interacción: estado físico, densidad y componentes.

Interacción de Partículas Cargadas

• Las partículas cargadas pierden energía al interactuar con la materia a través de tres tipos de interacciones coulombianas:
• Colisión elástica: La partícula choca con los átomos desviándose y cediendo energía cinética, sin alterar átomos ni núcleos.
• Colisión inelástica: La partícula interactúa con electrones atómicos, transfiriendo energía y puede causar ionización, excitación del átomo, o disociación de moléculas.
• Colisión radiativa: La partícula se frena o desvía al acercarse al núcleo atómico, emitiendo radiación electromagnética conocida como radiación de frenado o Bremsstrahlung.
• La intensidad de la radiación emitida aumenta con el número atómico del átomo y la carga de la partícula.
• El poder de frenado S(E) es la pérdida de energía de una partícula con energía E en un material, por unidad de recorrido.
• La partícula pierde energía al atravesar un medio debido a colisiones y radiación.
• El poder de frenado másico considera la densidad del material.
• El alcance es la trayectoria total de la partícula en un material, asumiendo una trayectoria rectilínea.

Tipos de Radiación y Penetración

• Rayos Alfa: compuestos por 2 protones y 2 neutrones, se detienen con papel.
• Rayos Beta: formados por electrones de alta energía, detenidos por aluminio.
• Rayos Gamma y X: radiación electromagnética de alta energía, detenida por plomo.
• Rayos de Neutrones: compuestos por neutrones libres, detenidos por agua o concreto.

Interacción de Electrones

• Los electrones ligeros causan importantes desviaciones en su trayectoria, resultando irregular.
• Pierden energía provocando excitaciones e ionizaciones y emitiendo fotones (colisiones radiativas).
• En medios con alto número atómico (Z), los electrones ceden energía gradualmente a través de colisiones elásticas e inelásticas.
  • Pueden ocurrir ionizaciones e interacción electrostática con el núcleo, llevando a emisión de radiación de frenado (espectro continuo).
  • Si pierden suficiente energía para remover un electrón de una capa, resultan en una excitación y posterior emisión de radiación característica (espectro discreto) al volver al estado fundamental.

Rayos X y Producción

• La generación de rayos X se basa en la producción de radiación de frenado.
  • Esta radiación se obtiene al impactar electrones sobre un material de alto Z (ánodo).
  • Los electrones se aceleran aplicando una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo (tensión kV).
• Atenuación:
  • La energía cedida al material se transforma en calor (99%)
  • El resto es radiación electromagnética (rayos X característicos y espectro continuo de radiación de frenado).

Interacción de Fotones

• Los fotones son partículas sin carga ni masa que interactúan con la materia, atenuándose al atravesar un objeto.
• Tipos de interacción:
  • Macroscópico: Atenuación de un haz al atravesar un objeto.
  • Microscópico: Interacciones de los fotones con los átomos y formación de la imagen.
• Atenuación:
  • Cuando un haz monoenergético de fotones atraviesa un material, disminuye su número (Atenuación)
  • La atenuación depende del coeficiente de atenuación lineal (μ), la energía de los fotones y el material absorbente.
  • La ley de atenuación es válida si los fotones son monoenergéticos, el haz está colimado y el absorbente es delgado.
  • Espesor de semirreducción: espesor necesario para reducir la intensidad del haz a la mitad.
  • Capa hemirreductora: se utiliza en haces multienergéticos.
  • Espesor de decimorreductor: espesor necesario para reducir la intensidad del haz a la décima parte.

Procesos de Interacción de Fotones

• Los procesos elementales de interacción son:
  • Efecto Fotoeléctrico
  • Dispersión Compton
  • Creación de pares electrón-positrón.

Efecto Fotoeléctrico

• Un fotón interactúa con un electrón ligado, cediéndole toda su energía.
  • El electrón utiliza parte de la energía para romper su ligadura con el átomo.
  • El resto se convierte en energía cinética del electrón.
• La probabilidad de este efecto aumenta cuando la energía de los fotones es baja, el número atómico (Z) del blanco es alto y la densidad del medio es alta.

Dispersión Compton:

• Un fotón interactúa con un electrón poco ligado, cediéndole parte de su energía.
  • Se produce un fotón dispersado con menor energía.
  • El electrón liberado adquiere energía cinética.
• La probabilidad de que ocurra la Dispersión Compton:
  • Disminuye cuando aumenta la energía de los fotones.
  • Aumenta con el número atómico del blanco y la densidad atómica del medio.

Creación de Pares

• La energía necesaria para producir un par electrón (-) y positrón (+) es mayor a 1,022 MeV, valor que no se utiliza en radiodiagnóstico.

Dominancia de Interacciones:

• La interacción fotoeléctrica predomina a bajas energías (<100 keV) en tejidos biológicos.
• La interacción Compton predomina en energías entre 100 y 1000 keV en tejidos biológicos.
• La creación de pares predomina a energías superiores a 1,02 MeV.
• Para la formación de imágenes, la interacción fotoeléctrica es de mayor interés.

Formación de la Imagen Radiológica

• Los fotones atraviesan el tejido interactuando con sus átomos mediante el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton, con energías entre 20 y 120 keV.
  • El haz de fotones transmitido alcanza el sistema de registro de la imagen. Los fotones que llegan sin interactuar se denominan primarios y forman la imagen.
  • Los fotones que sufren dispersión Compton se denominan secundarios.
• Son los elementos químicos de los materiales con los que interaccionan los fotones están constituidos.
  • El número atómico efectivo de un material compuesto es el número atómico que tendría un material puro con una interacción similar de fotones.

Densidades Radiológicas

• El número atómico eficaz de las partes blandas es parecido al agua, mientras que en el sistema óseo es mayor.
  • La absorción por el hueso es mayor que en las partes blandas.
  • Aire: Estómago, intestino, pulmones o tráquea.
  • Grasa: Tejido adiposo subcutáneo o alrededor de los organos.
  • Sangre: Músculos, corazón, orina y organos.
  • Hueso: Litiasis y cartílagos.
  • Metal: Bario, yodo y objetos metálicos

Efecto Fotoeléctrico en la Formación de Imagen:

 -  Formación de la imagen: muy buena.
 - Aumenta el contraste natural entre distintos tejidos (~Z3)
 - No hay radiación dispersa (mejora en el contraste).
 -- Alta dosis al paciente: toda la energía es absorbida

Efecto Compton en la Formación de Imagen:

 - Menos contraste entre tejidos (~Z).
 -  Mucha radiación dispersa (velo uniforme que deteriora el contraste).
 -  Mejora del contraste y reducción del velo empleando rejillas antidifusoras.
 -  Baja dosis al paciente: sólo es absorbida una parte de la energía del fotón incidente.
  - Compromiso en el voltaje elegido

Este cuestionario explora los factores que influyen en la interacción de la radiación con la materia, incluyendo la colisión radiativa y el poder de frenado. Se analizan las diferencias en el comportamiento de partículas ligeras y pesadas al atravesar materiales, así como los conceptos de alcance y penetración.