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ÁREA 3
INTERACCION DE LOS FOTONES CON LA MATERIA
3.1 INTERACCIÓN DE LOS FOTONES. EFECTOS FOTOELÉCTRICO Y
COMPTOM.
Los fotones son radiaciones electromagnéticas sin masa y sin carga. Se
las considera radiaciones indirectamente ionizantes porque los efectos globales de la
interacción con la materia los producen las partículas directamente ionizantes
producidas a partir de la primera interacción del fotón.
Cuando un haz de fotones penetra en un medio, la energía que
transporta se convierte en su mayor parte en calor. Una pequeña parte producirá una
serie de efectos físicos, que en el caso de los tejidos, se traducirán los efectos
biológicos deseados o indeseables en una secuencia que podemos resumir en el
siguiente esquema:
HAZ DE FOTONES
EFECTOS: FOTOELÉCTRICO,
RADIACIÓN DISPERSA
IONIZACIONES
COMPTOM Y MATERIALIZACIÓN
EXCITACIONES
ROTURA ENLACES MOLECULARES
CALOR
EFECTOS QUÍMICOS
EFECTOS BIOLÓGICOS
TABLA 1
Los mecanismos principales de interés en este curso, que tienen lugar
por la acción del fotón original son:
- efecto fotoeléctrico
- efecto Compton
Existe tambien el fenómeno de materialización o creación de pares, la
probabilidad de producción de dicho fenómeno es nula, para las energías de los
fotones de radiodiagnóstico.
3.1.1 Efecto fotoeléctrico
Tiene lugar cuando un fotón de baja energía es totalmente absorbido
por un átomo que libera un electrón. El electrón arrancada producirá a continuación
ionizaciones y excitaciones. El fotón primitivo puede no arrancar ningún electrón
sino excitar el átomo. Cuando éste se desexcite, emitirá el exceso de energía en
forma de un fotón, que, a su vez, podría producir una ionización (efecto Auger).
(Figura 1).
electrón expulsado
fotón incidente
Núcleo
Figura 1. Efecto fotoeléctrico
3.1.2 Efecto Compton
El fotón comunica al átomo parte de su energía, que resulta suficiente
para producir una ionización. El átomo entonces emite un electrón (origen de nuevas
ionizaciones como siempre) y un fotón de menor energía que el incidente y en otra
dirección. El fotón difundido puede tener cualquier dirección (Figura 2).
electrón expulsado
fotón incidente
Núcleo
fotón dispersado
Figura 2. Efecto Compton
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3.1.3 Efecto materialización o generación de pares.
El fotón con energía mayor de 1.02 MeV al pasar cerca del núcleo se
convierte en un par de partículas: una es un electrón y la otra su antipartícula el
positrón de la misma masa que el electrón pero con carga del mismo valor absoluto
y de signo opuesto (Figura 3).
NÚCLEO
e+
positrón
fotón ( E > 1.02 MeV)
electrón
e-
fotón ( E = 0.51 MeV)
positrón lento
fotón ( E = 0.51 MeV)
Figura 3. Efecto de materialización
Cuando el positrón se ralentiza interacciona con un electrón y ambos se
aniquilan apareciendo un par de fotones de energía 0.51 MeV, como vemos en la
figura 3. La probabilidad de que se produzca este efecto es proporcional a la energía
del fotón siendo el umbral por debajo del cual no puede producirse 1.02 MeV.
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3.2 IMPORTANCIA DE LOS EFECTOS CITADOS EN LA FORMACIÓN
DE LA IMAGEN RADIOLÓGICA.
La formación de la imagen radiológica se debe a la diferente atenuación
que experimenta el haz según las estructuras anatómicas atravesadas. A su vez, este
atenuación depende de los efectos producidos por los fotones en dichas estructuras.
En la TABLA 2 podemos observar la contribución relativa de cada uno de los
efectos descritos a la atenuación de la intensidad de una haz de fotones en el agua.
Como puede verse, para fotones con energías menores de 26 keV, el efecto
predominante es el fotoeléctrico; para energía por encima de 26 keV, sin llegar a 1
MeV, predomina el efecto Compton. Por encima de 100 keV, el efecto fotoeléctrico
es prácticamente despreciable, mientras que pasando de 1 MeV, comienza a ser
importante el efecto de creación de pares que llega a ser predominante por encima
de los 24 MeV.
Como el efecto de creación de pares depende poco de la naturaleza del
medio atravesado, las energías apropiadas para la producción de imágenes bien
contrastadas son aquéllas en las que los efectos fotoeléctrico y Compton son
importantes. De aquí que las tensiones apropiadas para la obtención de imágenes
radiológicas no deban superar los 120-130 kV. El efecto Compton es sensible a la
proporción de hidrógeno presente, o sea, de agua, por lo que da un fuerte contraste
entre hueso y tejidos blandos. El efecto fotoeléctrico varía fuertemente con el
número atómico de los átomos del medio atravesado, por lo que contribuye a la
contrastación de los diferentes tejidos.
3.3 LEY DE ATENUACIÓN, COEFICIENTE DE ATENUACIÓN Y C.H.R.
Si consideramos un haz estrecho incidiendo sobre un medio, su
intensidad va debilitándose a medida que penetra en dicho medio. Este
debilitamiento o atenuación cumple una ley que puede expresarse matemáticamente
así:
E= Eo exp ( -µx )
E es la energía del haz a una profundidad x, Eo la energía incidente y µ es una
magnitud denominada coeficiente de atenuación lineal. De la expresión anterior se
deduce que para que la energía se reduzca a la mitad, el haz tendría que atravesar un
espesor de material de valor
C.H.R. = ln 2 / µ
Este parámetro, C.H.R., o capa hemi-reductora, se utiliza mucho para caracterizar un
haz de fotones con relación a un material determinado. Otro parámetro
frecuentemente usado con el mismo propósito que los dos anteriores es el
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denominado coeficiente másico de atenuación: µ /ρ donde ρ es la densidad del
medio atravesado (masa contenida en la unidad de volumen).
Energía de
lo fotones
10 kev.
20
26
30
40
50
150
400
1 Mev.
2
24
100
Nº de procesos relativo en %
fotoeléctrico
Compton
95
70
50
39
20
11
0
0
0
0
0
0
5
30
50
61
80
89
100
100
100
99
50
16
G. Pares
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
50
84
TABLA 2
Si tenemos en cuenta que los efectos en los que el haz de fotones puede
ir perdiendo energía son básicamente los citados en 3.1 el coeficiente másico de
atenuación puede consederarse descompuesto así:
µ/ρ = τ/ρ+ σ/ρ + π/ρ
Los tres sumandos τ/ρ, σ/ρ y π/ρ se denominan coefecientes másicos
de atenuación por efecto fotoeléctrico, por efecto Compton y por creación de pares
respectivamente. Los tres dependen tanto de la energía de los fotones incidentes
como de la naturaleza del medio con el que interaccionan. Así:
En el fotoeléctrico, τ/ρ = k . Z3 /(hν)3 siendo Z el número atómico del
átomo con el que se produce la interacción, h la constantes de Plank, ν la
frecuencia de los fotones y k una constante.
En cambio en el Compton, el σ/ρ depende poco del medio irradiado,
salvo el caso del hidrógeno, como se ha dicho anteriormente.
En cuanto a la creación de pares, π/ρ vale cero si hν es inferior a 1.02
MeV y se cumple aproximadamente π/ρ = k.Z.
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3.4 ATENUACIÓN, ABSORCIÓN Y DISPERSIÓN DE FOTONES.
Si consideramos un fotón incidiendo sobre un medio delgado de
espesor dx, éste puede sufrir uno de estos cuatro procesos:
1- atraviesa el medio sin sufrir ninguna interacción
2- el fotón atraviesa el medio y cambia de dirección sin modificar su energía
3- el fotón atraviesa el medio desviándose y habiendo cedido una parte de su
energía, de manera que el fotón emergente es menos energético.
4- el fotón es íntegramente absorbido por el medio
En los casos 2 y 3 hablamos de dispersión de los fotones. La radiación
dispersa alcanzará otros medios con los que a su vez interaccionará. Este hecho
habrá de tenerse en cuenta en los diseños de barreras de protección contra la
radiación. En el caso 1 hablamos de radiación transmitida, en el caso 4 hablamos de
abosorción de la radiación.
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