Interacción de la Radiación con la Materia: Procesos Clave

Interacción de la Radiación

• Partículas sin carga y sin masa: Gamma, Rayos X
• Partículas cargadas ligeras: Electrones y Positrones
• Partículas cargadas pesadas: Radiación Alfa
• Partículas con masa y sin carga: Neutrones

Interacción de Electrones con la Materia

Una partícula cargada penetra en la materia originando colisiones con átomos. Se produce la interacción Coulombiana, que es un proceso de interacción entre la partícula incidente y los electrones atómicos. Esta interacción produce una pérdida de energía.

Procesos que Contribuyen a la Pérdida de Energía de Partículas Cargadas

1. Colisión Elástica: Una partícula interacciona con los electrones corticales de los átomos, cediéndoles parte de su energía y desviando su trayectoria sin producir alteración atómica.
2. Colisión Inelástica: El electrón incidente interacciona con electrones atómicos, cediéndoles su energía. Se producen dos fenómenos: Ionización y Excitación.

Ionización

El electrón proyectil interacciona con un electrón de la órbita K del átomo y lo expulsa fuera del átomo. Este átomo queda ionizado.

Excitación

El electrón incidente salta de sus niveles fundamentales a otros de mayor energía.

Colisión Radiativa (Radiación de Frenado)

Un electrón pasa cerca del núcleo atómico, produciendo una deceleración y desviando su trayectoria. El electrón emite un fotón con energía igual a su pérdida.

Pérdidas de Energía del Electrón

Cuando un electrón atraviesa un material, pierde energía hasta detenerse. Los electrones pierden su energía de dos formas: provocando ionizaciones o excitaciones, o emitiendo fotones de frenado.

Producción de Rayos X

Los Rayos X son generados cuando los electrones proyectil chocan con el ánodo, impactando con los átomos del metal. Estos son decelerados, transfiriendo su energía a la estructura.

Radiación de Frenado (Bremsstrahlung)

Un electrón con carga negativa pasa cerca del núcleo atómico con carga positiva, pudiendo frenarse por la atracción de las cargas distintas, disminuyendo su energía cinética.

• Un electrón puede perder más o menos energía dependiendo de su energía cinética inicial, la proximidad a los núcleos de los átomos y el número de veces que sufra interacción con pérdidas de energía.

Radiación Característica

Cuando la energía del electrón incidente es alta, puede ionizar o excitar a los electrones de los átomos del ánodo, expulsando los electrones de las órbitas internas y dejando un hueco en un nivel energético de baja energía. Este hueco lo ocupa un electrón de una órbita superior, emitiendo un fotón de Rayo X característico.

Interacción de Fotones (Rayos X) con la Materia

Cuando los Rayos X interaccionan con un paciente, se dan dos situaciones:

1. Atraviesa al paciente y no se produce ningún efecto.
2. Interactúa con algún electrón de los átomos, cediéndoles toda o parte de su energía. Pueden producirse dos procesos principales: Efecto Fotoeléctrico o Efecto Compton.

Atenuación del Haz

La atenuación es la desaparición progresiva del número de fotones que forman el haz al atravesar un material.

Absorción y sus Factores

La absorción depende de cuatro factores:

1. Número Atómico (Z): A mayor Z, mayor absorción.
2. Densidad: A mayor densidad, mayor absorción.
3. Espesor: A mayor espesor, mayor absorción.
4. Energía: A menor energía, mayor absorción (para efectos como el fotoeléctrico).

Dispersión y sus Factores

La radiación dispersa empeora la calidad de la imagen. Sus factores son:

1. Tamaño de Campo: A mayor campo, mayor radiación dispersa.
2. Espesor: A mayor espesor, mayor radiación dispersa.
3. kV (Energía de Fotones): A mayor kV, mayor dispersión (especialmente Compton).

Mecanismos de Interacción de Fotones (Absorción y Dispersión)

• Dispersión Clásica o de Thomson: El fotón incidente interacciona con un átomo del blanco, produciendo una excitación que resulta en un cambio en la dirección de los Rayos X sin alterar significativamente su energía.
• Efecto Fotoeléctrico: El fotón incidente cede toda su energía a un electrón ligado (generalmente de una capa interna, como la K), arrancándolo del átomo (fotoelectrón). El fotón desaparece. Es el efecto deseado para la absorción de imagen, pero produce un efecto biológico en el paciente.
• Efecto Compton: El fotón incidente interacciona con un electrón poco ligado (generalmente de una capa externa), cediéndole parte de su energía y cambiando de dirección (fotón disperso). El electrón es expulsado del átomo (electrón Compton), que queda ionizado. El fotón no se absorbe completamente, reduce su energía y se dispersa.
• Producción de Pares: Un fotón incidente de alta energía (superior a 1.022 MeV) pasa cerca del núcleo atómico y se transforma en un par electrón-positrón. El fotón desaparece.
• Fotodesintegración: Los fotones de Rayos X de energía muy alta (generalmente superior a 10 MeV) pueden ser absorbidos por el núcleo atómico, provocando la emisión de una partícula (neutrón, protón, etc.).