Interacción de la Radiación Ionizante con la Materia: Fenómenos y Efectos

Interacción de la Radiación Ionizante con la Materia

Fenómenos Fundamentales de Interacción

Excitación:

Paso de electrones desde niveles inferiores a niveles superiores. Absorbe energía del exterior.

Desexcitación:

Paso de electrones a niveles inferiores a partir de niveles superiores. Requiere excitación previa y resulta en la aparición de un hueco en una órbita de menor energía.

Ionización:

Los electrones abandonan el átomo. Es necesario que la partícula incidente posea una cantidad de energía suficiente para superar la energía de enlace del electrón.

Poder de Frenado y Alcance

El poder de frenado es la energía perdida que experimenta una partícula de energía E en un material determinado, por unidad de recorrido. Se define como S(E) = -dE/dx.

El alcance es el recorrido total que una partícula realiza en la materia antes de detenerse.

Paso de Partículas a Través de la Materia

Interacción de Partículas Alfa

Las partículas alfa tienen carga positiva (+), son de gran tamaño y se desintegran con facilidad. Al atravesar un material, la mayoría (aproximadamente el 99%) de las partículas siguen un sentido rectilíneo. Sin embargo, una pequeña fracción (alrededor del 0.1%) se desvían, y una proporción muy pequeña (aproximadamente 1 de cada 200.000) rebotan.

Interacción de Partículas Beta

Las partículas beta tienen carga negativa (-), son idénticas a los electrones orbitales y sufren desintegración. Al atravesar un material, se producen fenómenos de ionización y de repulsión. Debido a su menor masa y mayor interacción, su trayectoria no está tan definida como la de las partículas alfa.

Efectos de la Radiación Electromagnética

Efecto Fotoeléctrico

Es la emisión de electrones por parte de un material metálico cuando sobre él incide radiación electromagnética (como rayos X o gamma). Es un efecto de ionización. Este efecto solo se produce si la energía de la radiación incidente es superior a la energía de enlace del electrón en su órbita (energía umbral).

Efecto Compton

En contraste con el efecto fotoeléctrico, donde un fotón cede toda su energía a un electrón y desaparece (es absorbido), en el efecto Compton el fotón incidente interactúa con un electrón, cediéndole solo una parte de su energía y cambiando de dirección (dispersión). La probabilidad de que un haz de rayos X o gamma sufra atenuación por efecto fotoeléctrico depende fuertemente de la energía de la radiación incidente y del número atómico (Z) del medio.

Comparación de Efectos Fotoeléctrico y Compton

Ambos efectos son mecanismos de interacción de la radiación electromagnética con la materia y ambos pueden producir ionización. Sin embargo, presentan diferencias clave:

• El efecto fotoeléctrico es provocado principalmente por rayos X de baja energía, mientras que el Compton es más relevante para rayos gamma y rayos X de mayor energía.
• En el efecto fotoeléctrico, el fotón incidente desaparece al ser absorbido; en el efecto Compton, el fotón incidente dispersa, cediendo solo parte de su energía.
• El efecto fotoeléctrico requiere que la energía del fotón supere una energía mínima (energía de enlace del electrón); el efecto Compton ocurre por colisión y no tiene un umbral de energía tan definido en este sentido.
• El efecto fotoeléctrico es dominante a bajas energías de la radiación incidente, mientras que el efecto Compton es dominante a energías intermedias.

Dominancia de Efectos según la Energía

En tejidos biológicos, el efecto fotoeléctrico es dominante a bajas energías, generalmente inferiores a los 100 keV. El efecto Compton es dominante a energías comprendidas entre los 100 keV y 1000 keV (1 MeV).

Radiactividad y Desintegración Nuclear

Radiactividad

Propiedad de determinadas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, de emitir espontáneamente radiación capaz de penetrar en la materia, ionizar el aire, impresionar películas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.

Desintegración Nuclear

Es el fenómeno por el cual algunos núcleos atómicos son inestables y no pueden mantenerse unidos indefinidamente. Tarde o temprano, estos núcleos se rompen (se desintegran) y emiten radiación (partículas alfa, beta, gamma, etc.) para alcanzar una configuración más estable.

Cambios Nucleares en la Desintegración Alfa y Beta

Al emitir una partícula alfa, el núcleo original se transforma en un nuevo núcleo cuyo número másico disminuye en 4 unidades y cuyo número atómico disminuye en 2 unidades.

Al emitir una partícula beta (β⁻), un neutrón en el núcleo se transforma en un protón, un electrón (la partícula beta) y un antineutrino. El núcleo resultante tiene el mismo número másico que el original, pero su número atómico aumenta en 1 unidad.