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.
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 absorción significa
fundamentalmente transferencia de energía, en este caso energía de radiación,
al medio con el que interactúa esta energía. 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.
1
Colisión elástica
Sólo se produce una
desviación de la trayectoria del electrón incidente y una pequeña cesión de
energía.
2
Colisión inelástica
El electrón invierte parte o
toda su energía en excitar una átomo que
luego retornara a su estado basal o en ionizar.
3
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
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