Desintegración Radiactiva y la Interacción de la Radiación con la Materia: Conceptos Esenciales

Desintegraciones Radiactivas

Desintegración Alfa

La desintegración alfa implica la emisión de núcleos de helio-4, compuestos por dos protones y dos neutrones, con una carga de +2 y un número de masa atómica de 4. En todos los procesos de desintegración radiactiva, la masa y la energía se conservan. La energía de transición es la energía total liberada durante el proceso de desintegración. En la desintegración alfa, esta energía se manifiesta en forma de energía cinética de la partícula alfa, además de la energía liberada como radiación gamma. Es importante considerar que estos procesos pueden someter al paciente a una elevada radiación.

Desintegración Beta Menos (β⁻)

La desintegración beta menos (β⁻) es la conversión de un neutrón en un protón, un electrón y una partícula subatómica llamada antineutrino. El electrón es expulsado del núcleo atómico. Para distinguir los electrones (β⁻) de los positrones (β⁺), se les denomina comúnmente partículas beta. Las partículas beta menos (β⁻) son idénticas a los electrones orbitales tanto en masa como en carga, diferenciándose en que se originan a partir del núcleo del átomo. La proporción neutrón/protón (n/p) disminuye debido a la desintegración beta menos, que tiene lugar en núcleos con abundancia de neutrones. La energía de transición en la desintegración beta menos se emite en forma de energía cinética de la partícula beta, la energía almacenada en el antineutrino y la que existe en cualquier radiación gamma asociada. La energía cinética media de las partículas beta es aproximadamente un tercio del máximo. Un inconveniente de los emisores beta, como el Yodo-131, es la elevada dosis de radiación que pueden generar. Sin embargo, el Yodo-131 presenta una ventaja significativa cuando se emplea en el tratamiento del cáncer de tiroides y el hipertiroidismo.

Desintegración Positrónica (β⁺) y Captura Electrónica

La desintegración positrónica (β⁺) ocurre cuando un electrón positivo (positrón o partícula β⁺) con carga positiva es expulsado del núcleo. Este proceso reduce el número atómico del átomo y aumenta la proporción neutrón/protón (n/p). Tiene lugar en nucleidos con pocos neutrones y con proporciones n/p menores que las existentes en la línea de estabilidad.

La energía mínima requerida para la desintegración positrónica es de 1.02 MeV. En el caso de los positrones emitidos con una energía cinética menor a la máxima, la diferencia de energía se encuentra en forma de partículas subatómicas denominadas neutrinos, que llevan consigo una parte de la energía de transición. La probabilidad de que los neutrinos reaccionen en tejidos blandos es baja.

En nucleidos inestables donde la energía máxima de transición disponible es menor de 1.02 MeV, la desintegración de los radionucleidos con pocos neutrones se produce por captura electrónica. En este proceso, un electrón de una de las capas próximas al núcleo se incorpora a este, convirtiendo un protón en un neutrón. Si el electrón capturado es de la capa K, el sitio libre se rellena por la transición de un electrón procedente de una capa más lejana al núcleo. La energía liberada de esta transición se expresa en forma de radiación X característica o como energía cinética de un electrón Auger.

Interacción de la Radiación con la Materia

Coeficiente Lineal de Atenuación y Capa Hemirreductora

El coeficiente lineal de atenuación (μ) describe la pérdida de intensidad de un haz incidente al atravesar un material. La expresión μ = -(1/I) * (dI/dx) representa la pérdida fraccional del haz incidente en un trozo de absorbedor de espesor dx. La intensidad del haz I se define como el número de fotones por unidad de tiempo (dN/dt).

La intensidad del haz después de atravesar un espesor x se obtiene mediante la ley de atenuación exponencial: I = I₀ * e^(-μx), donde I es el valor de la intensidad que posee el haz, I₀ es la intensidad inicial, x es el espesor atravesado, y μ es el coeficiente lineal de atenuación.

El coeficiente lineal de atenuación (μ) es una característica del material absorbedor y del tipo de radiación. Cuando su valor es muy pequeño, la intensidad I decrece lentamente al aumentar x. Cuanto menor sea el valor de μ, más penetrante será la radiación.

La Capa Hemirreductora (CHR) es el espesor necesario de un material de referencia para reducir la intensidad inicial del haz a la mitad. Se calcula mediante la fórmula: I₀/2 = I₀ * e^(-μ * CHR).

Formación de Pares

La formación de pares es una interacción que ocurre cuando la energía del fotón incidente es muy elevada (superior a 1.02 MeV). En este efecto de materialización, la energía del fotón incidente se reparte en la creación de un par electrón-positrón. La energía total cedida al par es E_foton = 1.02 MeV + E_cinética(e⁻) + E_cinética(e⁺). Los 1.02 MeV corresponden a la energía de masa en reposo del par electrón-positrón.

La energía de 1.02 MeV se recupera en forma de radiación de aniquilación (dos fotones de 0.511 MeV cada uno) en el proceso de aniquilación del positrón. La energía cinética cedida al electrón y al positrón es la energía absorbida por el medio.

Al incidir un haz de radiación sobre un medio absorbedor, se produce una atenuación del haz debido a diversas interacciones, como el efecto Compton, el efecto fotoeléctrico y la formación de pares. Por lo tanto, se debe considerar un coeficiente global de atenuación del haz, que será la suma de los coeficientes de atenuación para cada interacción. Para aplicaciones dosimétricas, interesa la cantidad de radiación absorbida por el órgano, lo cual se relaciona con el coeficiente de absorción.

Tipos de Coeficientes de Atenuación

La atenuación es el fenómeno de pérdida de energía de un haz monocromático incidente, que se manifiesta como una disminución del número de fotones de energía E.

• a) Coeficiente Lineal de Atenuación (μ): Representa la proporción de fotones incidentes que interaccionan con el medio absorbedor por unidad de longitud. El coeficiente lineal depende directamente de la densidad del absorbedor.
• b) Coeficiente Másico de Atenuación (μ/ρ): Es la proporción de fotones incidentes que desaparecen por unidad de masa superficial del absorbedor. Este coeficiente es menos dependiente de la densidad física del material.
• c) Coeficientes Atómico y Electrónico: Expresan la atenuación que se produce en el haz por cada átomo o electrón del absorbedor.
  • Coeficiente Atómico (μ_a): Proporción de fotones incidentes que desaparecen por unidad de densidad atómica superficial.
  • Coeficiente Electrónico (μ_e): Proporción de fotones que desaparecen por unidad de densidad electrónica superficial.

Unidades de Actividad y Dosis

La actividad de un radionucleido se define como el número de átomos que se desintegran por segundo. Al caracterizar radionucleidos con distintas actividades y formas de desintegración, se calcula su actividad comparando el número de desintegraciones por segundo.

• Un Curie (Ci) es la actividad de un radionucleido en el que se producen 3.7 × 10¹⁰ desintegraciones por segundo (Bq). Esta unidad fue nombrada en honor a los esposos Curie.
• Un milicurio (mCi) equivale a 10⁻³ Ci.
• Un microcurio (µCi) equivale a 10⁻⁶ Ci.

El Curie expresa el número de desintegraciones por segundo que ocurren en una muestra, pero no la energía que se deposita en un punto próximo a la misma. La unidad que mide la energía liberada por la radiación en un medio es el Roentgen (R) o el Culombio por kilogramo (C/kg) para exposición en aire, y el Gray (Gy) o el Rad para dosis absorbida.

La actividad específica es la actividad del radionucleido por unidad de masa, expresada en Ci/g o Bq/g.