martes, 9 de agosto de 2016

INTRODUCCION A LA FISICA DE LAS RADIACIONES


CONTENIDO:

1 Átomo y partículas elementales
2 Radiación: Clasificación
3 Interacción de la radiación con la materia
4 Unidades y medidas


EL ATOMO Y PARTICULAS ELEMENTALES



Todo lo que existe en el universo, desde un palillo hasta una galaxia, está  hecho de materia que se puede descomponer en una docena de partículas  elementales. Toda la materia se mantiene unida, o incluso se aparta a veces,  por acción de cuatro fuerzas fundamentales.


Según el diagrama que observamos arriba los constituyentes elementales de la materia se pueden dividir en dos grupos el primero relacionado con lo que clásicamente conocemos como materia o sustancia y la segunda con los denominados portadores de la fuerza o energía según la física clásica. Dentro del primer grupo se encuentran los quarks y leptones que a medida que se unen y forman estructuras más complejas darán origen al átomo. En el segundo grupo se encuentran los gluones, bosones, fotones y los supuestos gravitones (por el momento son predicciones teóricas). Estas últimas partículas fundamentales constituirán las fuerzas fundamentales de la naturaleza.




RADIACION: CLASIFICACION
El término radiación se aplica a la emisión y propagación de la energía a través del espacio o de un medio material. Por la radiación de partículas, que significa, que tienen una masa y ondas electromagnéticas.


Según el diagrama que observamos arriba la radiación se puede dividir  por la propiedad de ionizar la materia, es decir de producir pares iónicos a partir de átomos neutros por acción de partículas altamente energéticas. La radiación por lo tanto puede ser ionizante y no ionizante. Es evidente que la primer tipo de radiación es mucho más peligrosa que la segunda para los seres humanos. La radiación ionizante puede dividirse a su vez en corpuscular y electromagnética. La radiación corpuscular se caracteriza por presentar carga eléctrica y masa mientras que la radiación electromagnética es una forma de energía que se desplaza en forma de onda a través de la materia y del espacio vacío. A este último tipo de radiación también se le conoce como radiación indirectamente ionizante porque son sus efectos sobre la materia los que producirán la ionización de la materia.


ONDAS ELECTROMAGNETICAS INDIRECTAMENTE IONIZANTES

En la imagen de arriba observamos el espectro de ondas electromagnéticas. Parte del espectro es visible, ubicada en la parte central del espectro, mientras que las no visibles por el ojo humano se ubican en los extremos. Observemos además que las ondas con mayor frecuencia tienen mayores energías. Los rayos x y los rayos gamma se ubican en un  extremo del espectro electromagnético formando parte de las ondas de más alta energía.

James Clerk Maxwell, describe que oscilaciones de corriente eléctrica (electrones) alterna crearía campos eléctricos y magnéticos de ondas de radiación electromagnética que tendrían las mismas características físicas de la luz. Estas ondas que son capaces de viajas a través del espacio vacío y tienen un comportamiento dual de partícula y de onda. Están constituidas por un campo eléctrico y magnético. La naturaleza ondulatoria de las ondas electromagnéticas permite realizar su descripción en base a elementos propios que la matemática ha podido establecer en sus modelos de ondas. Estos elementos constitutivos son principalmente la longitud de onda y la frecuencia.





λ es la longitud de onda , v es la frecuencia, el número de ondas que pasan por un punto fijo por segundo y c es la velocidad de la luz

La longitud de onda multiplicada por la frecuencia de la misma onda nos da como resultado una constante universal de la naturaleza que es la velocidad de la luz (c). La longitud de onda y la frecuencia de la onda son dos magnitudes físicas inversamente proporcionales. En este sentido si una onda posee una alta frecuencia se puede predecir que su longitud de onda sea más bien pequeña compara con la longitud de otras ondas cuya frecuencia sea menor a la frecuencia de la primera onda mencionada. Se entiende que la velocidad de cualquier onda electromagnética del espectro de luz se propaga a la velocidad de la luz sin importar su frecuencia o su longitud de onda.
Por otro lado se sabe que las ondas electromagnéticas constituyen una forma de energía y en tanto esto es así se dice que también tienen un comportamiento de partícula. Existe una forma de cuantificar esta energía basada en la constante de Plank. Según esta fórmula la energía de la onda es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda.
h: es la contaste de Plank


Las ondas de más alta energía que se ubican a la derecha del espectro visible de ondas electromagnética son aquellas que poseen altas frecuencias. Es evidente que la energía de la onda depende de su frecuencia sin embargo todas las ondas del espectro se propagan a la velocidad de luz. Los rayos x y los rayos gamma se encuentran dentro del grupo de ondas de alta energía por sus altas frecuencias y son precisamente estas ondas las que pueden producir ionización en el momento en el que interactúan con la materia.
Hemos dicho que las ondas electromagnéticas se comportan también como partículas y una manera de entenderlo es reparando en el efecto que las ondas de alta energía tienen sobre la materia al ionizarlas. Este tipo de ondas producen efectos importantes al comportarse como proyectiles sobre la materia y produciendo en muchos casos efectos destructivos arrancando electrones de las orbitas atómicas.   

ONDAS ELECTROMAGNETICAS INDIRECTAMENTE IONIZANTE

observamos en la imagen de arriba que la radiación indirectamente ionizante, la no posee carga eléctrica y masa se puede dividir fundamentalmente en rayos x (este tipo de radiación incluye a los rayos x característicos u a los de Bremsstrahlung) y rayos gamma. Recordemos que los rayos x y los rayos gamma pueden adquirir energías muy altas y que ambas radiaciones pueden excederse mutuamente, es decir no se les denomina como tales por sus niveles de energía si no más bien por su origen. Fuera del átomo estos dos tipos de radiación no se pueden distinguir de ninguna forma. Para efectos prácticos tanto los rayos gamma como x son lo mismo fuera del átomo. El origen de los rayos x se encuentra en la nube electrónica mientras que el origen de los rayos gamma se encuentra en el núcleo atómico.  Los mecanismos de producción de los rayos x por lo tato son diferentes de los mecanismos de producción de los rayos gamma. 
RAYOS X CARACTISTICOS
Los rayos x característicos son emitidos por los elementos pesados, cuando sus electrones realizan transiciones entre los niveles más bajos de energía atómica.

En la imagen de arriba observamos cómo se originan los rayos x característicos. Cuando un electrón  acelerado a gran velocidad impacta con un electrón de la nube electrónica de un átomo este último sale despido producto del impacto. En seguida un electrón de una órbita vecina (más alejada del átomo con respecto a la órbita momentáneamente vacía) ocupa el lugar del electrón  despedido por el impacto. Cuando esto acurre un poco de la energía del átomo de “reemplazo” se emite fuera del átomo. De esta forma se produce la radiación de tipo característica. La radiación emitida se debe a la diferencia de energías que existen entre las órbitas del átomo. 


RADIACION BREMSSTRAHLUNG
 El proceso de la radiación de frenado es el resultado de "colisión" radiativo entre un electrón de alta velocidad y el núcleo. El electrón al pasar cerca de un núcleo  puede ser desviado de su trayectoria por la acción de fuerzas de Coulomb de atracción y perder energía como radiación de frenado.





RADIACIÓN GAMMA
La radiactividad gamma está compuesta de rayos electromagnéticos. Se distingue de los  rayos x  solamente por el hecho de que provienen del núcleo. 


Los rayos gamma se producen en el núcleo de átomos inestables. Los núcleos inestables se producen por una diferencia entre sus partículas constituyentes. Los núcleos estables normalmente tienen igual cantidad de protones y neutrones.
RADIACIÓN CORPUSCULAR O DIRECTAMENTE IONIZANTE



Según la imagen que mostramos arriba las partículas cargadas se pueden clasificar en partículas cargadas pesadas y ligeras. Estas ultimas se consideran ligeras si poseen 1/1840 veces la masa del protón. Las partículas cargadas pesadas son los protones, la radiación alfa y también los iones pesados acelerados a altas velocidades. Las partículas cargadas ligeras son fundamentalmente el electrón, positrón y la radiación beta.


RADIACTIVIDAD
La radiactividad es la  transformación de un núcleo inestable en una entidad más estable que puede ser inestable y se desintegra aún más a través de una cadena de desintegración hasta alcanzar una configuración nuclear estable.

LEY DEL DECAIMIENTO
La desintegración radiactiva se basa en el simple hecho del cambio en el número de átomos por unidad de tiempo.

 λ: es la constante de decaimiento.
La constante de decaimiento es la forma particular que posee un núcleo atómico de pasar de ser inestable a estable.

TIEMPO DE VIDA MEDIA


La actividad disminuye siguiendo una función exponencial del tiempo. Esto implica que si la actividad de una fuente disminuye al 50 % en un cierto periodo, en tiempo similar se reducirá al 25 %, y luego al 12.2 %, y luego al 6.25%, etc. El tiempo necesario para que una fuente de radiactividad disminuya su actividad a la mitad se llama tiempo de vida media, periodo de semidesintegración o tiempo medio radiactivo (T1/2R) Mario Parisi-137.


CUANTIFICACION DE LA RADIACTIVIDAD

La actividad de una fuente es el número de desintegraciones nucleares(N) que se producen en una unidad de tiempo. Esta actividad es evidentemente proporcional al número de átomos radiactivos presentes y nada nos dice sobre el tipo de radiación emitida en cada desintegración(Mario Parisi-137) .  
Actividad (A) de una cantidad de un radionúclido es:


Unidades de actividad:
 1 curie (Ci) = 3.7 x 10 10 desintegraciones / sec (dps)
 1 Becquerel (Bq) = 1 desintegración / seg.., en el SI
 1 Bq =  2.70 x 10-11 Ci

MODOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO
Al desintegrase, un átomo radiactivo, puede emitir diferentes tipos de radiaciones. Principalmente son las partículas alfa, y partículas beta y los rayos gamma.
Decaimiento α
Decaimiento β
Emisión de negatrón (β–)
Emisión de positrones (β+1)
Conversión Interna

DECAIMIENTO ALFA
Emisión de una partícula α: dos protones + dos neutrones
Se da con mayor frecuencia en nucleídos radiactivos con Z >82
Como resultado: Z → Z-2  y  A →  A-4
  ZHA ----> Z-2 HA-4  + 2He4  + Q 
Q: “energía desintegración”.  

Las partículas alfa son emitidas con una energía característica del elemento, es decir son monoenergeticas( entre 2-8 MeV). Penetran muy poco, pero tienen gran poder de ionización. Si se mide su capacidad de ionización en función del camino de recorrido se ve que al final se produce una pequeña elevación. Es justamente en esta última porción donde la ionización es alta. Al finalizar su recorrido, las partículas captan del medio dos electrones y se convierten en átomos de helio (Mario parisi-138). 
DECAIMIENTO BETA
De acuerdo con su carga las partículas beta se pueden clasificar en partículas beta negativas o en negatrones y partículas beta positivas o positrones.
A Emisión de negatrón (β–)
En núcleos con exceso de neutrones o alto (n/p). en este tipo de desintegración un neutrón dentro del núcleo se convierte en un protón con la emisión de una partícula beta negativa y de un antineutrino. Cuando un núcleo emite una partícula beta negativa pierde un neutrón y gana un protón, por lo tanto el número másico A permanece constante.
El antineutrino es una partícula que no tiene masa, raramente interactúa con la materia y por eso no tiene ninguna significancia biológica (Mario Parisi-138).
*Núcleo emite β– para reducir la proporción n/p y lograr la estabilidad.
                   0n1 ---->  1p1 + 0β–1  + ν             (decaimiento β–) 


B Emisión de positrones (β+1):
 En nucleídos con déficit de neutrones o proporción de n/p menores a los de los núcleos estables del mismo número atómico o número de neutrones.
Ocurre cuando un protón dentro del radionúclido se convierte en neutrón, una partícula beta positiva se emite y un neutrino. Un positrón es un electrón con carga unitaria positiva en vez de negativa. Tiene la misma masa del electrón periférico e interactúa con la materia de modo similar al mismo (Mario Parisi-138).
 1p1 ---->  0n1 + 0β+1  + ν   (decaimiento β+)
ZXA  ---> Z-1YA + 0β+1  + v + Q


INTERACCION DE LA RADIACIÓN CON LA  MATERIA 
INTERACCION DE LA RADIACION INDIRECTAMENTE IONIZANTE  CON LA MATERIA
La interacción de la radiación indirectamente ionizante (ondas electromagnéticas de altas energías) con la materia  produce fundamentalmente iones de varios modos diferentes.

EFECTO FOTOELECTRICO
Se produce cuando un fotón choca con un electrón de las capas internas (capa k) de un átomo. El electrón es despedido de su órbita produciendo de esta forma dos iones un anión y un catión. El fotón sede totalmente su energía en el momento de la coalición con el electrón.
Al producirse  el efecto fotoeléctrico el hueco dejado por el electrón despedido es ocupado por otro electrón más externo, produciéndose la emisión de rayos x característicos (Mario Parisi-141). 

Predomina para energías < 50 keV. Esto quiere decir que constituye el efecto predominante durante la obtención de una imagen de rayos x. normalmente ocurre para números atómicos altos.

EFECTO COMPTON
Se produce cuando un fotón choca con un electrón de las capas externas de un átomo. El electrón es despedido de su órbita produciendo de esta forma dos iones un anión y un catión. El fotón sede parcialmente su energía en el momento de la coalición con el electrón por lo que el fotón no desaparece. Debido al impacto este fotón cambia de dirección e incluso si posee la suficiente energía puede producir un efecto sobre oros átomos.
En este mecanismo el fotón incidente de energía interactúa con un electrón cuya energía de enlace es muy pequeña, en relación a la del fotón incidente, como consecuencia de la coalición, ele electrón es eyectado con una energía cinética, mientras que el fotón es desviado con energía menor, o sea con mayor longitud de onda (Mario Parisi-141).
Predomina para 200 keV<ε<2MeV.  Esto quiere decir que constituye el efecto predominante durante la radioterapia. Normalmente ocurre en átomos que poseen grandes cantidades de electrones.

PRODUCCIÓN DE PARES
Se produce cuando un fotón choca contra el núcleo  de un átomo. Produciendo de esta forma un positrón y un electrón. El fotón sede totalmente su energía en el momento de la coalición con el núcleo por lo que el fotón desaparece.
Se produce cuando la energía del fotón incidente es mayor que 1,02 Mev. (Mario Parisi-141).

Recordemos que estos tres tipos de interacción de la radiación electromagnética se producen dependiendo de las energías que posean estas radiaciones. Es de esperar que durante un procedimiento radiológico se produzca uno de estos efectos de manera predominante pero los demás efectos se producirán de modo muy escaso.

ATENUACIÓN



La atenuación es el resultado de la absorción y la dispersión de la energía radiante cuando atraviesa un medio material como por ejemplo, en nuestro caso, los tejidos del cuerpo humano.
La absorción significa fundamentalmente transferencia de energía, en este caso energía de radiación, al medio con el que interactúa. El efecto Compton y el efecto fotoeléctrico principalmente se presentan durante la absorción de la energía. Sabemos ya que a través de estos dos fenómenos el cuerpo irradiado es ionizado de tal forma la transferencia de energía se presenta como una consecuencia lógica. La dispersión de fotones se produce por el choque de estos con un medio material capaz de ofrecer oposición a la energía de radiación. Por lo tanto la atenuación dela radiación constituye el resultado de la absorción y la dispersión de la radiación cuando interactúa con un medio capaz de ofrecer resistencia al paso de la radiación.



µ: constante de atenuación
x: espesor del medio
I: intensidad de radiación al inicio
Io: intensidad  de radiación al final 

Por lo visto en las relaciones que se presentan en el estudio de la atenuación de la radiación diremos que la constante de atenuación depende de la intensidad de la radiación y del espesor del medio material. Por lo tanto cada tejido tendrá su propio coeficiente de atenuación pero en función de la intensidad de la radiación que interactúa con un  tejido determinado.
CAPA HEMIREDUCTORA
Es el espesor que se necesita para reducir a  mitad la intensidad de radiación que traviesa un medio material.

Arriba se muestra un gráfico espesor (en milímetros) vs transferencia de energía (en porcentajes). Según el gráfico la trandferencia de energía se reduce a la mitad gracias a un espesor de 2 mm de aluminio pasando de un valor del 50% a un 25 % y luego a un 12.5%. la curva roja representa la relación proporcional entre HVL y transferencia de energía.

µ: coeficiente de atenuación del medio material
Determinar la capa hemireductora es muy importante para la protección radiológica. Por ejemplo el HLV para un haz de radiación de 1.5 MeV en plomo es de 1.1 cm.
Arriba se presenta un gráfico energía (en electronvoltios) vs la atenuación (µ) donde se observa varias curvas donde se quiere representar el comportamiento de los diferentes efectos de la interacción de la radiación con la materia (efecto fotoeléctrico, efecto Compton etc.). la curva roja representa al efecto fotoeléctrico y vemos que se produce a bajas energías comparado con otros efectos a medida que aumenta la energía de la radiación el efecto fotoeléctrico va desapareciendo. El efecto compton (C)  también aparece desde anergias aun bajas pero a medida que aumentan las energías por sobre 10 MeV se extingue por completo. La curva de la producción de pares (PP) aparece por efecto de radiaciones que tienen energías mayores a un MeV y aumenta mucho más a medida que la energía aumenta.

 Arriba se muestra un gráfico energía (en electronvoltios) vs numero atómico. Se observa claramente que el efecto fotoeléctrico, representado por la curva roja, aumenta con la energía hasta cerca de 1 MeV y a medida que asciende el número atómico. Por otro lado la curva de la producción de pares, representada por la curva azul, aparece por sobre 1 MeV. Y aumenta a medida que el número atómico desciende.
Nota: recordemos que la radiación indirectamente ionizante, es decir la radiación electromagnética a parte de ionizar la materia con la cual interactúa puede excitar a sus átomos sin arrancarles ningún electrón. Evidentemente este evento es menos destructivo que la ionización.
  

 INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
DIRECTAMENTE IONIZANTE 
La radiación de este tipo, al igual que la radiación indirectamente ionizante es capaz de arrancar los electrones de átomos irradiados, con suma violencia. Cuando se trata de radiación de naturaleza electrónica estos además pueden producir rayos x al aproximarse al núcleo del átomo.
Recordemos que los electrones al igual que los fotones pueden interactuar con el cuerpo irradiado o no lo pueden hacer. Son dos posibilidades que se presentan en un evento como este. La probabilidad de que los fotones interactúen con el cuerpo irradiado es mucho menor que la probabilidad de los electrones debido que los fotones presentan una longitud de onda muy pequeña. Cuando la radiación, del tipo que sea, interactúa con la materia trasfiere su energía al medio. La transferencia de energía al medio depende del grado de interacción el cual a su vez depende del tipo de radiación y de sus características propias como por ejemplo su longitud de onda y su masa.
HAZ DE ELECTRONES
La interacción de un haz de electrones en el medio  se denomina colisión y supone una transferencia de energía a la materia.
  
 Colisión elástica
Sólo se produce una desviación de la trayectoria del electrón incidente y una pequeña cesión de energía.

Colisión inelástica
El electrón invierte parte o toda  su energía en excitar una átomo que luego retornara a su estado basal o en ionizar.


Colisión radiativa
Si el electrón incidente pasa lo suficientemente cerca núcleo del átomo, sufrirá una gran pérdida de energía cinética que se emite en forma de radiación electromagnética.





La radiación directamente ionizante, es decir que posee carga y masa posee además una importante característica que define su  comportamiento: su energía. Este tipo de radiación hará un recorrido a través del medio irradiado en función de la energía.
El poder de frenado S(E):
la pérdida de energía que experimenta una partícula de energía E en un material determinado por unidad de recorrido


El alcanze (cm) de una partícula en un medio se define como el recorrido total de la partícula en el material, supuesto el recorrido rectilíneo



Arriba se muestra un gráfico alcance (en centímetros) vs dosis de absorción (Gy). Las curvas de colores indican los comportamientos de radiaciones de diferentes energías (en electronvoltios). Por ejemplo la curva roja de la derecha que posee una energía de 10 MeV deja una dosis de absorción de 100 gy a 1.7 cm, mientras que la curva verde de 6.5 Mev deja 100 Gy a tan solo 0.5 cm. Esto quiere decir que a mayor energía mayor será la dosis de radiación en regiones más profundas (deposito mayor de dosis). 

HAZ DE PARTICULAS PESADAS
Los protones transfieren energía a un medio de la misma manera como los electrones. Sin embargo, siendo alrededor de 2000 veces más pesados, no son fácilmente desviados de su trayectoria y así presentan un pico distintivo Bragg en profundidad. El deposito de dosis muy localizada con un mínimo la irradiación de los tejidos normales es una condición muy apreciada de estos haces para radioterapia.
Variación de la perdida de energía de las partículas cargadas en función a la distancia. Observamos claramente en esta imagen como al principio el haz de protones penetra en el medio sin dejar mayor radiación durante un trayecto considerable luego repentinamente el deposito mayor de dosis se dispara ,presentado un pico bastante llamativo. Después de la aparición de este pico la dosis de absorción disminuye considerablemente hasta hacerse cero casi inmediatamente.



Arriba se muestra una gráfica alcance (en centímetros) vs dosis de absorción (en Gy). Las curvas representan el comportamiento de la radiación según la naturaleza de la que esté constituida. En este gráfico se desea comparar la curva del fotón con la del protón, el primero posee una curva bastante parecida a la del electrón en la que en depósito mayor de dosis se ubica  a pocos milímetros de haber penetrado en el medio y después va dejado la dosis paulatinamente sin hacerse cero en ningún momento. En el segundo caso, la curva del protón, como ya vimos presenta un depósito de dosis en el interior del medio radiado, presentado un pico y luego extinguiéndose completamente la dosis de absorción.


UNIDADES DE MEDIDA

EXPOSICION
Exposición (X): representa la cantidad de iones producidos en aire por la radiación electromagnética. Su unidad es el Coulomb/kg.
La Tasa de Exposición es la variación de la exposición en un intervalo de tiempo.

En la figura de arriba se trata de representar el momento en el que un dispositivo es capaz de medir la ionización en el aire producida por una radiación.


En la imagen de arriba observamos una cámara de ionización que puede contabilizar los iones formados.

DOSIS ABSORBIDA
Es la cantidad de energía media impartida por unidad de masa de material irradiado en un campo.



La unidad en el SI de dosis absorbida es el gray (Gy) y se define como: 1Gy=1J/kg

Para entender mejor este concepto diremos que el responsable directo de la dosis absorbida son los electrones desorbitados que se produjeron por el impacto de los fotones contra estos últimos (transferencia de energía de los fotones a los electrones). Los electrones desorbitados crean una “casada de electrones”  que a medida que avanza a través del medio irradiado sede su energía cinética ganada . Es evidente que estos electrones desorbitados provocaran nuevas ionizaciones  y determinados perjuicios sobre el cuerpo irradiado a niveles atómicos y moleculares. 





En las imágenes de arriba se observa una secuencia de ionización de un cuerpo. Se trata de dar una idea de lo que ocurre durante el momento de el depósito de dosis.


KERMA(kinetic energy released in the medium)
Cantidad de energía transferida en el medio.


 





 En el diagrama mostrado arriba se trata de dar a entender  como la energía del fotón es transferida hacia el medio material que es irradiado. En el momento exacto de la coalición entre el fotón y un electrón se transfiere la energía cinética del fotón hacia el electrón. Este último hecho es cuantificado por la magnitud denomina kerma. Cuanta más coaliciones entre fotones y electrones se produzcan y por lo tanto una mayor transferencia de energía al medio se produzca mayor será el kerma. Es evidente que a mayor kerma mayor será la dosis de absorción.

Como vemos el kerma y la dosis absorbida miden dos momentos de la interacción de la radiación con la materia. El primero mide la energía transferida desde los fotones hacia los electrones mientras que el segundo mide la energía transferida de los electrones hacia el medio material irradiado. Debido a que en estos dos procesos se cuantifica la transferencia de energía se miden en Gy.

LEY INVERSA DEL CUADRADO DE LA DISTANCIA 
Exposición, dosis en el medio, dosis en el aire son inversamente proporcional al cuadrado de la distancia







                                         

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