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INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA:

La energía se trasporta en forma de un haz de radiación, “cabalgando” sobre partículas materiales (corpusculares) como electrones, positrones y partículas alfa o “cabalgando” sobre los fotones en las ondas electromagnéticas (OEM). GRAFICO 295 CUADERNO ROJO.

Estos haces de radiación sean corpusculares o de OEM tienen como característica, lo cual les da su importancia a unas y su peligrosidad a otras, de penetrar en medios materiales pudiendo tener o no  interacción con los átomos que forman esas materia (llamándose en este caso al material como “blanco”).

 

1).- Interacción de haces de radiación corpuscular con la materia:

Esta interacción es llamadas “colisión”, aunque el nombre no es correcto porque en realidad no hay un “choque” entre la partícula cargada de energía (electrón, positrón, partículas alfa), y los electrones o protones de los átomos de la materia con la que se está realizando la interacción, sino  que en realidad existe es una atracción o una repulsión de cargas eléctricas.

Como resultado de esta “colisión” las partículas incidentes sufren dos efectos:

  • Pierden energía lo cual causa su frenando (lógicamente perdiendo velocidad) lo cual hace que en algún momento terminan siendo absorbidas por el material, generando a lo largo de su recorrido pares iónicos, por lo que reciben el nombre de radiaciones directamente ionizantes y
  • Cambios en la dirección de las partículas luego de cada “colisión” describiendo una trayectoria en forma de Zig Zag, hasta que finalmente son absorbidas.

El alcance de la penetración del haz de radiación en el blanco, entendido como el mínimo espesor de material necesario para que todas las partículas incidentes resulten absorbidas, depende del material blanco (inversamente a su densidad) y a las características del haz (directamente proporcional a la energía de la partícula). Por lo anterior es necesario estudiar por separado cada partícula.

 

1.1).- Interacción de haces de radiación corpuscular conformada por electrones con la materia:

Se puede presentar la interacción de los electrones incidentes que trasportan la energía de un haz de radiación con los electrones del átomo del material blanco o con los protones del núcleo del mismo.

 

1.1.1).-  Interacción con los electrones de los átomos del blanco o “colisión elástica”:

En este tipo de interacción llamada “colisión elástica” se presenta un reparto de la energía que trae el electrón incidente (que viaja en el haz de radiación) entre el electrón del átomo blanco con el que colisionó y con el mismo (energía que conserva para sí). Luego de esta interacción y una vez ha cedido parte de su energía al átomo, el electrón incidente sale del átomo modificando su trayectoria.

Como resultado de la interacción de un electrón incidente de un haz de radiación contra un electrón de un átomo de la materia blanco se produce lo siguiente:

  • Ionización del átomo (porque el electrón del átomo que absorbió la energía fue arrancado del átomo) o excitación atómica (en caso que la energía absorbida por el electrón del átomo blanco no haya sido suficiente para que sea arrancado del átomo).
  • Liberación de energía en forma de OEM por parte del átomo de la materia blanco en su proceso de reorganización luego de la ionización o de la excitación atómica o expulsión de un electrón Auger en caso que las energía liberada en el proceso de reorganización de los electrones no sea expulsada en forma de OEM sino que haya sido captada por otro electrón.
  • Pérdida de energía del electrón incidente.
  • Cambio de trayectoria del electrón incidente.

 

1.1.2).-  Interacción con el núcleo de los átomos del blanco:

En este caso la fuerte atracción que sufre el electrón incidente por parte de los protones nucleares del medio hace que cambie de forma brusca su trayectoria, lo cual causa la emisión de la energía (sin masa) del electrón incidente o sea en forma de fotones que forman lógicamente una OEM. La energía liberada va desde valor cero hasta la cantidad total de energía que contiene el electrón incidente. Esta OEM originada se denomina radiación de frenado.

 

1.2).- Interacción de haces de radiación corpuscular conformados por partículas alfa con la materia:

La partícula α (42He) la cual es una partícula “pesada” con una carga positiva del doble del valor de la de un electrón, cuando es la partícula que trasporta la energía en un haz de radiación y este interactúa con la materia, éstas partículas lo hace fundamentalmente con los electrones del átomo de la materia blanco causando, al igual que los electrones incidentes ionizaciones y excitaciones atómicas, generando por tanto pares iónicos (pero en mayor cantidad porque tienen el doble de carga que los electrones necesaria para cambiar el nivel de enlace de los electrones del átomo arrancándolos del mismo) pero perdiendo su energía rápidamente, por lo que su trayectoria es en línea recta y con un alcance de penetración mucho menor comparada con los electrones (En el aire un electrón con una energía de 1 MeV tiene una alcance de penetración de 3,3 metros; mientras que una partícula α en las mismas condiciones es de solo 0,5 cm).

 

2).- Interacción de haces de radiación de OEM (fotones) con la materia:

Debido a que el fotón no posee masa es más posible, comparado con las partículas, que los fotones puedan “atravesar” un medio (materia) sin que se presente interacción con las partículas de la materia, caso en el cual se dice que el fotón se ha “trasmitido a través del medio”, esto hace que el alcance de penetración de esta radiación por OEM es mucho mayor.

Los fotones de las OEM cuando interactúan con la materia lo hacen de tres formas: 1. Efecto fotoeléctrico, 2. Efecto Compton y 3. Formación de pares. Resultado de estas interacciones se producen fenómenos de ionización, igual fenómeno que el que se sucede con la interacción con partículas de los haces de radiación corpuscular, pero por no poseer carga eléctrica se denomina radiaciones indirectamente ionizantes.

 

2.1).- Efecto fotoeléctrico:

En esta forma de interacción toda la energía del fotón incidente es trasmitida a un electrón de las capas internas de un átomo de la materia o medio (blanco) de tal suerte que si la energía del fotón es superior a la fuerza de enlace del electrón, este es inmediatamente expulsado del átomo y este electrón arrancado del átomo por este mecanismo de interacción se denomina fotoelectrón. En caso que la energía del fotón exceda la fuerza de enlace del electrón, la energía sobrante es utilizada para comunicar velocidad a la expulsión del fotoelectrón.

Lógicamente luego de la expulsión del fotoelectrón, tiene todos los efectos ya descritos:

  • Ionización del átomo (porque el electrón del átomo que absorbió la energía fue arrancado del átomo) o excitación atómica (en caso que la energía absorbida por el electrón del átomo blanco no haya sido suficiente para que sea arrancado del átomo).
  • Liberación de energía en forma de OEM por parte del átomo de la materia blanco en su proceso de reorganización luego de la ionización o de la excitación atómica o expulsión de un electrón Auger en caso que las energía liberada en el proceso de reorganización de los electrones no sea expulsada en forma de OEM sino que haya sido captada por otro electrón.

La probabilidad de que se produzca el modelo fotoeléctrico de interacción es directamente proporcional al número atómico del átomo elevado a la 3 potencia (Z3) de  material blanco e inversamente proporcional a la energía del fotón incidente elevada a la 3 potencia (E 3).

 

2.2).- Efecto Compton:

En este modelo de interacción, el fotón incidente interactúa con un electrón de las capas externas del átomo de la materia blanco, transfiriéndole la energía necesaria para vencer la fuerza de enlace del electrón y de esta forma arrancándolo del átomo y se denomina electrón de rechazo. El resto de energía del fotón incidente aparece como un nuevo fotón llamado fotón disperso.

La probabilidad de que se produzca este modelo de interacción es directamente proporcional al número atómico (Z) del átomo de  material blanco e inversamente proporcional a la energía del fotón incidente.

 

2.3).- Formación de pares:

En este modelo de interacción el fotón interacciona con el núcleo del átomo de la materia blanco en la siguiente secuencia de eventos:

a).- Es requisito para que se suceda la interacción por formación de pares que el fotón posea una energía superior a 1,02 MeV,

b).- Es requisito para que se suceda la interacción por formación de pares que el átomo de la materia blanco tenga un Z alto (no es común este tipo de átomos en el cuerpo humano).

c).- Cuando el fotón interactúa con el campo eléctrico del núcleo, la energía del fotón se convierte en masa sustentado en la fórmula de E = m.v2, más específicamente en dos partículas: un electrón y un positrón.

d).- Luego estas dos partículas formadas de la trasformación de la energía del fotón en materia, son expulsadas del átomo.

e).- El positrón liberado va a interactuar con un electrón de otro átomo y se aniquilan (aniquilación positrónica), dando origen esta materia del electrón y del positrón a dos fotones nuevos sustentándose otra vez esta interconvesión de materia en energía en la fórmula de E = m.v2 (esta aniquilación de positrones es el sustento de la tomografía por emisión de positrones).

f).- El electrón liberado al medio actúa como una partícula (electrón) cargado de energía que puede interactúa con otro átomo de la materia en una coalición elástica o en una colisión con el núcleo.

Este tipo de interacción de formación de pares no tiene gran utilidad médica porque la energía del fotón necesaria para llevarla a cabo es muy alta.