Mecanismos de Interacción de Partículas Cargadas con la Materia: Pérdida de Energía y Efectos

Interacción de las Partículas Cargadas con la Materia

Las partículas cargadas pierden su velocidad y energía al interaccionar con las estructuras atómicas y nucleares del material sobre el que impactan. Esta interacción puede manifestarse de diversas formas, afectando tanto a los electrones como a los núcleos del medio.

Mecanismos Fundamentales de Interacción

Cuando una partícula cargada interacciona con los electrones de la corteza atómica, pueden ocurrir dos fenómenos principales:

• Excitación: Si la interacción separa temporalmente a los electrones de su equilibrio, elevándolos a un nivel de energía superior sin expulsarlos del átomo.
• Ionización: Si la interacción aparta a los electrones de su equilibrio de manera definitiva, expulsándolos del átomo y creando un par iónico (ion positivo y electrón libre).

Simultáneamente a estos efectos, la interacción de las partículas con la materia puede provocar una alteración de la red cristalina del material, la disociación de moléculas o una modificación significativa en la trayectoria de la partícula incidente.

Principales Formas de Interacción de Partículas Cargadas

Existen cinco mecanismos principales a través de los cuales las partículas cargadas interaccionan con la materia:

• Colisión inelástica con los electrones: Es la forma principal de pérdida de energía para la mayoría de las partículas cargadas. Conduce a la ionización simple o doble de los átomos del medio.
• Colisión inelástica con los núcleos: Cuando la partícula cargada se aproxima al espacio perinuclear, su trayectoria se modifica y experimenta una aceleración. Esta aceleración resulta en una pérdida de energía de la partícula, que se emite directamente como fotones de alta energía, un fenómeno conocido como radiación de frenado o Bremsstrahlung.
• Colisión elástica con los núcleos: En este tipo de interacción, la transferencia de energía es mínima, sirviendo principalmente para la conservación del momento lineal entre la partícula incidente y el núcleo.
• Colisión elástica con los electrones: Este mecanismo es relevante solo para partículas con energías muy bajas, del orden de electronvoltios (eV).
• Efecto Cherenkov: Consiste en la emisión de radiación fotónica cuando una partícula cargada se desplaza por un medio dieléctrico a una velocidad superior a la velocidad de fase de la luz en dicho medio.

Penetración de Partículas en la Materia

La capacidad de penetración de las partículas en un medio se mide tanto en masa por unidad de superficie (g/cm²) como en longitud (cm).

Tipos Específicos de Partículas y su Interacción

Partículas Alfa (α)

Las partículas alfa son núcleos de helio (⁴He²⁺), con una masa atómica de 4 u y una carga de +2e. Pierden energía principalmente por colisión inelástica con los electrones del medio. Su trayectoria es predominantemente rectilínea, y su penetración se mide en unidades de longitud o en unidades de masa por unidad de superficie.

Partículas Beta (β)

Las partículas beta (electrones o positrones) interaccionan principalmente a través de los mecanismos de colisión inelástica con electrones (1), colisión inelástica con núcleos (2) y el efecto Cherenkov (5). Minoritariamente, también pueden interactuar por colisión elástica con núcleos (3). Su penetración es comparable a la de las partículas alfa, pero su trayectoria es más sinuosa debido a su menor masa y mayor dispersión.

Neutrones

Los neutrones, al ser partículas sin carga eléctrica, tienen poca relevancia directa desde el punto de vista de la radioterapia convencional, ya que no interaccionan directamente con los electrones atómicos. Sin embargo, son de gran importancia en el ámbito de la protección radiológica debido a su capacidad de penetración y las reacciones nucleares que pueden inducir. Se distinguen principalmente por su energía:

• Neutrones Térmicos: Energías de aproximadamente 0.025 eV.
• Neutrones Epitérmicos: Energías en el rango de 0.025 eV < E < 10 keV.
• Neutrones Rápidos: Energías superiores a 10 keV, pudiendo alcanzar hasta 20 MeV o más.