Interacción de radiación y materia

Interacción de la radiación con la materia

• La interacción de partículas con la materia produce una serie de efectos que dependen de factores como el tipo de partícula, su energía, y el medio en el que interactúan. Dichos factores incluyen:
  • Masa (ligeras o pesadas) y carga (positiva o negativa).
  • Estado físico y densidad del medio.
  • Componentes del medio (electrones y nucleones).

Interacción de partículas cargadas

• Las partículas cargadas pierden energía al interactuar con la materia a través de interacciones coulombianas, clasificadas en tres tipos:
  • Colisión elástica: La partícula se desvía y cede energía cinética, sin alterar los átomos ni el núcleo.
  • Colisión inelástica: La partícula transfiere energía a los electrones atómicos, resultando en ionización, excitación atómica, o disociación molecular.
  • Colisión radiativa: La partícula se "frena" o desvía al interactuar con un átomo, emitiendo radiación electromagnética conocida como radiación de frenado o Bremsstrahlung, más probable cerca del núcleo atómico.

Poder de frenado y alcance

• El poder de frenado S(E) es la pérdida de energía que una partícula de energía E experimenta en un material por unidad de recorrido.
• El poder de frenado masico consiste en que la partícula pierde energía al atravesar un medio sometido a colisiones y radiación.
• El alcance se define como la trayectoria total de la partícula en un material, asumiendo una trayectoria rectilínea.

Poder de frenado y alcance en partículas ligeras

• Las partículas ligeras como los electrones provocan importantes desviaciones en su trayectoria, resultando en trayectorias irregulares y en zigzag al interactuar con la materia.
• Pierden energía provocando excitaciones e ionizaciones en los átomos del medio (colisiones inelásticas) y emitiendo fotones (colisiones radiativas).

Interacción de electrones en medios con Z altos

• La interacción de electrones en medios con números atómicos altos (Z) implica que el electrón cede energía gradualmente mediante colisiones elásticas e inelásticas.
• Los procesos incluyen ionizaciones y la interacción electrostática con el núcleo,
  • Emisión de radiación de frenado (espectro continuo).
  • Excitaciones con la consiguiente emisión de radiación característica al volver al estado fundamental (espectro discreto).
• Alrededor del 99% de la energía cedida al material se convierte en calor, mientras que el 1% se transforma en radiación electromagnética, incluyendo rayos X característicos y el espectro continuo de radiación de frenado.
• La generación de rayos X se basa en la producción de radiación de frenado al impactar electrones sobre un material de alto número atómico (ánodo).
• Los electrones se aceleran mediante una diferencia de potencial entre ánodo y cátodo, determinando la energía de los fotones emitidos en keV.

Interacción de fotones con la materia

• Los fotones son partículas sin carga ni masa que interactúan a través de procesos macroscópicos, como la atenuación de un haz al atravesar un objeto (útil para blindajes), y procesos microscópicos, incluyendo la formación de imágenes.
• Atenuación de fotones:
  • Se produce cuando un haz monoenergético de fotones (rayos X o radiación gamma) atraviesa un material, lo que resulta en una disminución en el número de estos fotones.
  • Este fenómeno se describe por la Ley de Atenuación: N = N₀ * e^(-μx), donde μ es el coeficiente de atenuación lineal depende de la energía de los fotones y del material absorbente.
• La expresión solo es válida con fotones monoenergéticos, un haz colimado y un absorbente delgado.
• Espesor de semirreducción y decimorreducción:
  • El espesor capa hemirreductora, es el espesor del material necesario para reducir a la mitad la intensidad de un haz de radiación.
  • El espesor de decimorreducción se refiere al espesor requerido para atenuar la intensidad a una décima parte.
  • La primera se emplea para multienérgicos y la segunda para monoenergéticos.

Procesos de interacción de fotones

• Los procesos elementales fundamentales de la interacción de fotones con la materia son:
  • Efecto Fotoeléctrico: Ocurre cuando un fotón es absorbido por un electrón, que luego es emitido con una energía cinética igual a la diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía de enlace del electrón.
  • Dispersión Compton: Implica la colisión entre un fotón y un electrón, resultando en un fotón dispersado con menor energía y un electrón liberado.
  • Creación de pares electrón-positrón: Sucede cuando un fotón con energía superior a 1.022 MeV se convierte en un electrón y un positrón, un proceso aprovechado en la tomografía por emisión de positrones (PET).
  • Desde el punto de vista de la formación de imágenes, la fotoeléctrica es la interacción de interés.

Efecto fotoeléctrico

• Un fotón interactúa con un electrón ligado, cediéndole toda su energía, donde el electrón invierte parte de la energía comunicada en romper la ligadura con el átomo a partir de energía cinética.
• La probabilidad de que se produzca una interacción fotoeléctrica disminuye cuando aumenta la energía de los fotones, aumenta cuando aumenta el número atómico Z del blanco, y es proporcional a la densidad del medio.

Dispersión Compton

• Los electrones poco ligados interaccionan con un fotón, cediéndole parte de su energía.
• Durante la interacción se produce un fotón dispersado de energía h-v'. El electrón liberado contiene una energía ≅ h⋅v - h⋅v'.
• La probabilidad de que se produzca una interacción Compton disminuye cuando aumenta la energía de los fotones, aumenta aproximadamente cuando aumenta el número atómico Z del blanco, y es proporcional a la densidad atómica del medio.

Creación de pares

• El proceso sucede cuando la energía necesaria para producir un par electrón (-) y positrón (+) supera los 1,022 MeV, energía que no se emplea en el radiodiagnóstico.

Interacción de la radiación con la materia y formación de la imagen

• La selección de la interacción relevante para la formación de imágenes se basa en la energía de los fotones.
  • La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías (<100 keV) en tejidos biológicos.
  • La interacción Compton es dominante en energías intermedias (100-1000 keV) en tejidos biológicos.
  • La creación de pares ocurre a energías superiores a 1.02 MeV.

Formación de la imagen radiológica

• Los fotones interactúan con los átomos del tejido mediante:
  • Efecto fotoeléctrico y dispersión Compton para fotones con energías entre 20 y 120 KeV.
• El haz de fotones transmitido alcanza el sistema de registro de la imagen.
• Los fotones primarios (sin interacción) y contribuyen forman la imagen.
• Fotones secundarios (los que llegan tras la dispersión Compton).
• Los materiales con los que impactan los fotones se crean a partir de compuestos y elementos químicos.
• El número atómico efectivo de un compuesto es su número atómico para la interacción de fotones.
• En las partes blandas, el número atómico eficaz tiene un valor cercano a 7, por lo que se parece al del agua, mientras que el número atómico eficaz del sistema óseo tiene un valor 12,31.
• La absorción cuando atraviesa el hueso será siete veces mayor que la de partes blandas
• Efecto fotoeléctrico:
  • Formación de la imagen y aumenta el contraste.
  • No hay radiación dispersa y mejora el contraste.
  • Mayor dosis al paciente: ya que toda la energía se absorbe.
• Efecto Compton:
• Produce menos constraste.
• Produce mucha radiación dispersa.
• Se limita la energía del fotón para una menor dosis al paciente.

Este cuestionario explora la interacción de la radiación con la materia, incluyendo la generación de calor por electrones en materiales de alto número atómico y la atenuación de haces de fotones. También cubre la dispersión de Compton y la creación de pares, fundamentales en la física de la radiación.