Física de RadiacionesFísica de Radiaciones

Interacción de la Interacción de la radiación con la materiaradiación con la materia

Atenuación de un haz de fotonesAtenuación de un haz de fotones

I(x):I(x): intensidad de un haz delgado de intensidad de un haz delgado de fotones monoenergéticos después de fotones monoenergéticos después de atravesar un atenuador de espesor atravesar un atenuador de espesor xx..

Relación entre coeficientes: Relación entre coeficientes:

xZheIxI ),()0()(

eA

aA

m A

ZN

A

N

Interacción de fotones Interacción de fotones

CarbonoCarbono

Plomo

Interacciones de fotonesInteracciones de fotones

Puede ser con un ePuede ser con un e-- fuertemente ligado, (PE, fuertemente ligado, (PE, RS), con el campo del núcleo (PP), con un eRS), con el campo del núcleo (PP), con un e -- orbital libre (CS).orbital libre (CS).

ee-- fuertemente ligado: cuya energía de ligadura fuertemente ligado: cuya energía de ligadura es del orden o apenas mayor a la del fotón es del orden o apenas mayor a la del fotón incidente, eincidente, e-- orbital libre : E orbital libre : E l l mucho menor.mucho menor.

Durante la interacción el fotón puede Durante la interacción el fotón puede desaparecer (PE, PP), dispersado desaparecer (PE, PP), dispersado coherentemente (RS) ó incoherentemente (CS).coherentemente (RS) ó incoherentemente (CS).

John William Strutt John William Strutt Lord Rayleigh Lord Rayleigh (1842-1919)(1842-1919)

En 1885 escribió el trabajo: En 1885 escribió el trabajo:

On waves propagated along the plane On waves propagated along the plane surface of an elastic solidsurface of an elastic solid..

Descubrimiento del Descubrimiento del gas inerte argón en gas inerte argón en 1895, por el cual le 1895, por el cual le otorgaron el Premio otorgaron el Premio Nobel en 1904.Nobel en 1904.

http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Rayleigh.html

Scattering coherente (Rayleigh).Scattering coherente (Rayleigh). Los fotones son dispersados por electrones Los fotones son dispersados por electrones

atómicos fuertemente ligados, sin excitar el atómicos fuertemente ligados, sin excitar el átomo blanco:átomo blanco:

EEii = E = Edd Coherente: interferencia entre Coherente: interferencia entre ondas electromagnéticas secundarias que ondas electromagnéticas secundarias que

provienen de distintas partes de la distribución provienen de distintas partes de la distribución de carga atómica.de carga atómica.

La dispersión Rayleigh de la luz del sol en La dispersión Rayleigh de la luz del sol en partículas de la atmósfera es la razón por la cual partículas de la atmósfera es la razón por la cual la luz del cielo es azul.la luz del cielo es azul.

Scattering coherente (Rayleigh).Scattering coherente (Rayleigh).

Sección eficaz atómica:Sección eficaz atómica:

En tejido vivo la importancia del scattering En tejido vivo la importancia del scattering Rayleigh es pequeña.Rayleigh es pequeña.

2

E

ZRa

Arthur Holly ComptonArthur Holly Compton (1892-1962)(1892-1962)

Su tesis doctoral: estudio de Su tesis doctoral: estudio de la distribución angular de la distribución angular de rayos-X reflejados por rayos-X reflejados por cristales. (Princeton)cristales. (Princeton)

En 1922 midió el corrimiento En 1922 midió el corrimiento en la longitud de onda con en la longitud de onda con respecto al ángulo respecto al ángulo dispersado.dispersado.

Bases teoría cuántica.Bases teoría cuántica.

http://www.aip.org/history/gap/Compton/Compton.html

Dispersión ó scattering ComptonDispersión ó scattering Compton

Scattering ComptonScattering Compton

Disminuye al aumentar la energía del Disminuye al aumentar la energía del fotón incidente. fotón incidente.

Sección eficaz atómica: Sección eficaz atómica: Entre 100 keV y 10 MeV la absorción de Entre 100 keV y 10 MeV la absorción de

energía se realiza principalmente a través energía se realiza principalmente a través de este proceso.de este proceso.

ZCa

Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

El fotón es absorbido, eyectándose un El fotón es absorbido, eyectándose un electrón de las capas externas del átomo electrón de las capas externas del átomo (ionización). (ionización).

El átomo excitado El átomo excitado

regresa a su estado regresa a su estado

neutro con la emisión neutro con la emisión

de rayos-X característicos.de rayos-X característicos.

Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

Sección eficaz atómica:Sección eficaz atómica:

Es un proceso dominante en la absorción Es un proceso dominante en la absorción de fotones para energías de hasta de fotones para energías de hasta 500keV.500keV.

También es una interacción dominante También es una interacción dominante para materiales de bajo número atómico.para materiales de bajo número atómico.

3

4

E

Za

Producción de paresProducción de pares

Umbral de energía: 2mUmbral de energía: 2meecc22 = 1.02 MeV = 1.02 MeV

EE++ + E + E-- = E - 2m = E - 2meecc22

Sección eficaz atómica: Sección eficaz atómica:

La probabilidad aumenta con la energía La probabilidad aumenta con la energía del fotón incidente.del fotón incidente.

2Za

Predominio de cada interacciónPredominio de cada interacción

Scattering Scattering RayleighRayleigh

Scattering Scattering ComptonCompton

Efecto Efecto fotoeléctricofotoeléctrico

Producción de Producción de parespares

Interacción de Interacción de fotónfotón

Con eCon e- -

ligadosligados

Con eCon e- -

libreslibres

Con todo el Con todo el átomoátomo

Con el campo Con el campo nuclearnuclear

Modo de Modo de interaccióninteracción

Fotón Fotón dispersadodispersado

Fotón Fotón dispersadodispersado

Fotón desapareceFotón desaparece Fotón Fotón desaparecedesaparece

Dependencia Dependencia energíaenergía

1/E1/E-2-2 Decrece con la Decrece con la energíaenergía

1/E1/E-3-3 Aumenta con la Aumenta con la energíaenergía

UmbralUmbral NoNo NoNo NoNo 2m2meecc22

Coeficiente Coeficiente atenuaciónatenuación

RR CC

Partículas Partículas liberadasliberadas

NingunaNinguna Electrón Electrón ComptonCompton

fotoelectrónfotoelectrón Par positrón Par positrón electrón.electrón.

Coeficiente Coeficiente atómico (Z)atómico (Z)

Efecto Efecto posteriorposterior

NingunoNinguno R-X caract., R-X caract., efecto Augerefecto Auger

R-X caract., R-X caract., efecto Augerefecto Auger

Radiación de Radiación de aniquilaciónaniquilación

ImportanciaImportancia < 1MeV< 1MeV Alrededor de Alrededor de

1MeV.1MeV.

De 0 a 0.5MeVDe 0 a 0.5MeV > 1.02MeV> 1.02MeV

4Za 2ZRa ZCa 2Za

Interacciones electrones y positronesInteracciones electrones y positrones

Interacciones de electrones y positronesInteracciones de electrones y positrones

Interacciones Coulombianas con un eInteracciones Coulombianas con un e-- orbital atómico ó con el núcleo.orbital atómico ó con el núcleo.

Puede perder energía cinética (colisiones Puede perder energía cinética (colisiones y pérdidas radiactivas) ó cambiar su y pérdidas radiactivas) ó cambiar su dirección de movimiento (dispersión).dirección de movimiento (dispersión).

Poder de frenado para las primeras Poder de frenado para las primeras (Sttoping power) y poder de dispersión (Sttoping power) y poder de dispersión para las segundas (Scattering power).para las segundas (Scattering power).

Tipos de Colisiones Tipos de Colisiones

Elásticas: el e- es desviado de su camino original, sin pérdida de energía.

Inelásticas: el e- es desviado de su camino original y parte de su energía es: transferida al e- orbital atómico ó emitida como radiación de frenado.

Colisiones

Parámetro de impactoParámetro de impacto

Parámetro de impactoParámetro de impacto

Para Para bb >> >> aa : : Colisión blandaColisión blanda, el e, el e-- transfiere sólo una pequeña parte de su transfiere sólo una pequeña parte de su energía.energía.

Para Para bb aa : : Colisión duraColisión dura, el e, el e- - transfiere transfiere una fracción importante de su energía una fracción importante de su energía cinética.cinética.

Para Para bb << << aa : : Interacción radiactivaInteracción radiactiva, , (colisión), con el núcleo atómico: el e(colisión), con el núcleo atómico: el e-- emite un fotón con energía entre 0 y la Eemite un fotón con energía entre 0 y la Ee-e-

Interacciones eInteracciones e-- _ e _ e-- orbital orbital

Resultan en ionización y excitación del Resultan en ionización y excitación del átomo.átomo.

Producen pérdida de energía por colisión Producen pérdida de energía por colisión y se caracterizan por el poder de frenado y se caracterizan por el poder de frenado másico de colisión.másico de colisión.

dx

KEdS col

col

)(1

Interacciones eInteracciones e--_núcleo_núcleo

Resultan en dispersión del electrón y pérdida de Resultan en dispersión del electrón y pérdida de energía por emisión de radiación de frenado.energía por emisión de radiación de frenado.

Se caracterizan por el poder de Se caracterizan por el poder de

frenado radiactivo.frenado radiactivo. La emisión de radiación de frenado aumenta La emisión de radiación de frenado aumenta

con el Z del absorbente y con la energía cinética con el Z del absorbente y con la energía cinética de los ede los e--..

Radiología diagnóstica (100keV): 1%, en Radiología diagnóstica (100keV): 1%, en radioterapia (MeV): 10-20%.radioterapia (MeV): 10-20%.

radS

Poder de frenadoPoder de frenado

radcoltot SSS

El poder de frenado de colisión es El poder de frenado de colisión es importante en dosimetría:importante en dosimetría:

colSD

A partir de este se puede calcular el A partir de este se puede calcular el rango de los electrones en el medio.rango de los electrones en el medio.

Fotón de 10MeV incidente en Fotón de 10MeV incidente en lámina de Pb.lámina de Pb.

Detectores de radiaciónDetectores de radiación

Diseño y uso de los distintos detectores de Diseño y uso de los distintos detectores de radiación: distintos mecanismos de interacción.radiación: distintos mecanismos de interacción.

Ejemplo: PET. Utiliza Ejemplo: PET. Utiliza radioisótopos que decaen radioisótopos que decaen con emisión de positrones.con emisión de positrones.Se construye la imagen aSe construye la imagen apartir de la detección de partir de la detección de los dos rayos gama.los dos rayos gama.Detectores: anillosDetectores: anillos

RecursosRecursos

Interacción de la radiación con la materia.Interacción de la radiación con la materia.

Cap I : Basic Radiation Physics. En formato pdf:Cap I : Basic Radiation Physics. En formato pdf:

http://www-naweb.iaea.org/nahu/external/e3/syllabus.asphttp://www-naweb.iaea.org/nahu/external/e3/syllabus.asp

http://www.nukeworker.com/study/http://www.nukeworker.com/study/