Interacción de los Rayos-X y Rayos Gamma con la Materia
Absorción y Dispersión
Hemos aprendido, que los rayos-x y rayos gamma son capaces de penetrar toda materia. También hemos aprendido que la profundidad de penetración depende de la energía de los rayos, entre más alta la energía (longitud de onda más corta), mayor penetración. Ahora, consideremos otro factor que determina la profundidad de penetración, el material que está siendo penetrado. (En las siguientes discusiones hablaremos acerca de los rayos-x, sin embargo, las mismas ideas son aplicables para los rayos gamma).
Usted no pudo haber pensado en esto antes, pero el aire que lo rodea es materia. Los rayos-x, penetrarán el aire hasta una profundidad considerable, pero como cualquier otro material, el aire eventualmente absorberá los rayos-x.
Considere un material liviano, digamos aluminio. Los rayos-x penetrarán el aluminio también, pero a una profundidad mucho menor que en el aire.
Ahora tome un metal más pesado o denso, acero por ejemplo los rayos-x también penetrarán el acero, pero no a la profundidad que penetrarán al aluminio.
Los rayos-x, penetrarán mejor los materiales livianos que los materiales pesados o más densos. O, en otras palabras, los materiales más pesados y más densos ofrecerán mayor resistencia a la penetración de los rayos-x.
Este hecho le parecerá razonable cuando usted considere un mayor número de obstáculos, bloqueando el camino de un rayo-x a través de los materiales pesados. Los átomos con un número Z bastante alto, contienen más electrones que los átomos con un número Z menor. Esta es la razón por la cual el plomo es comúnmente utilizado como material de escudo contra los rayos-x. El plomo tiene un número Z grande (éste es pesado y denso) y los rayos-x no pueden penetrarlo tan fácilmente como a mucho otros materiales.
Así que ahora, ya sabemos que aparte de la energía de los rayos-x utilizados, la penetración también depende de la densidad del material que se esté penetrando.
Pero, ¿qué sucede con los rayos-x cuando penetran materiales?. Sabemos que algunos de éstos van más lejos que otros, pero todos ellos deben detenerse en algún tiempo.
Estos rayos-x, o fotones, son paquetes pequeños de energía moviéndose a la velocidad de la luz y cuando los fotones se paran, sabemos que algo debe suceder. La energía del fotón no puede simplemente desaparecer, ésta tiene que ser transformada de alguna manera. Esta es una de las leyes básicas de la naturaleza: la energía no puede ser creada ni destruida.
Esta puede ser convertida en un número de formas diferentes, pero la energía siempre está ahí.
Los rayos-x, son absorbidos por los materiales que éstos penetran, a través de un proceso conocido como “ionización”. Los rayos-x, crean “iones” en los materiales que éstos atraviesan y su energía es absorbida durante el proceso.
Básicamente, un ión es un átomo, grupo de átomos, o partículas atómicas, con CARGA de signo positivo o negativo.
Si usted remueve un electrón de un átomo, éste se hace eléctricamente incompleto. Hay más protones (cargas positivas) en el núcleo, que electrones (cargas negativas) para balancearlos. El átomo tiene una carga más uno, por lo tanto, es un ión positivo.
Similarmente, el electrón que fue removido, es un ión negativo mientras éste exista por sí mismo y no se combine con otro átomo.
Un átomo se mantiene unido por medio de energía. Esto significa que cada electrón es mantenido en órbita por medio de cierta cantidad de energía de enlace. Para poder separar un electrón de su átomo, se requiere de una energía al menos igual a la energía de enlace.
Cuando un rayo-x “choca” contra un electrón en el material penetrado, éste le transfiere algo o toda su energía al electrón y lo expulsa de su átomo.
Decimos “choca” porque este es uno de esos casos mencionados anteriormente, en el cual los rayos-x actúan como partículas. Probablemente, deberíamos decir que un fotón choca contra un electrón.
Los fotones, cualquiera de aquellos que se encuentren dentro del rango de energía que el radiógrafo podría estar utilizando, son absorbidos por las sustancia que éstos penetran a través del proceso de expulsión de electrones de sus átomos. Esto es ionización o creación de PARES DE IONES.
Un par de iones, consiste de dos iones; uno con carga positiva y otro con carga negativa, los cuales resultan de una ionización.
Hay formas, aparte de la ionización, en las cuales los fotones son absorbidos, pero éstos involucran energías de fotones fuera de los límites que el radiógrafo normalmente utilizaría, por lo que las ignoraremos.
La ionización de los átomos por medio de rayos-x, se lleva a cabo en dos formas diferentes: efecto fotoeléctico y efecto Compton.
Discutiremos primero el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico, ocurre principalmente con fotones de rayos-x de baja energía, entre los 10 KeV y 500 KeV. Este involucra, la absorción completa del fotón durante el proceso de expulsión del electrón de su órbita.
Tomemos un ejemplo del efecto fotoeléctrico. Un fotón de 100 KeV, se aproxima a un átomo y choca contra un electrón, que tiene una fuerza de enlace de 50 KeV. El electrón es despedido del átomo y se convierte e un ion negativo. El átomo al cual se le quitó el electrón, es ahora un ion positivo. Los dos iones forman un par de iones. El fotón desaparece, éste es absorbido completamente.
Pero, ¿qué le sucede al resto de la energía del fotón, la diferencia entre su energía inicial de 100 KeV y la de 50 KeV que es usada para eliminar la fuerza de enlace del electrón?.
El exceso de energía es entregada al electrón despedido en forma de energía “cinética”, o velocidad. En nuestro ejemplo particular; el electrón despedido tendrá una energía cinética de 50 KeV, lo que significa que se estará moviendo a una velocidad razonable.
Toda la energía dl fotón ha sido usada hasta ahora, y el fotón deja de existir. Recuerde que un fotón no es una partícula, sin embargo éste actúa como tal. Cuando la energía es usada, no queda nada.
Aquí está otro ejemplo del efecto fotoeléctrico:
De nuevo, toda la energía del fotón ha sido usada para producir un par de iones. No todos los electrones tienen la misma energía de enlace. Esta depende del elemento (número Z) y de la posición del electrón en el átomo. Aquellos más cercanos al núcleo tienen mayor energía de enlace que los más lejanos a éste, por lo tanto requieren más energía del fotón para removerlos. Los electrones lejanos al núcleo, son comparativamente fáciles de despedir.
Ahora consideremos el efecto Compton (o dispersión como se le llama algunas veces). El efecto Compton, es una extensión lógica del efecto fotoeléctrico, siendo la diferencia que las energía originales del fotón son generalmente mayores.
Cuando se inicia con energías mayores del fotón, toda la energía puede que no sea utilizada en remover y acelerar un electrón. Puede haber energía sobrante.
El efecto Compton es común que ocurra cuando los fotones caen dentro de un rango de 50 KeV hasta varios MeV. Observe que el rango de energía se traslapa con el rango de energía fotoeléctrica. Con energías muy bajas del fotón, el efecto fotoeléctrico es dominante, pero se hace menos común al aumentar la energía del fotón. El efecto Compton, empieza lentamente a niveles bajos de energía y se hace dominante entre los 100-150 KeV.
En el efecto Compton, no toda la energía del fotón es absorbida por el electrón. Cuando el electrón es disparado, hay todavía algún exceso de energía sin utilizar.
Este exceso de energía toma la forma de un nuevo fotón; que tiene una longitud de onda mayor que la del fotón original y que se mueve en una nueva dirección o camino.
¿Por qué es que el nuevo fotón tiene una longitud de onda mayor que el fotón original?. Porque una porción de la energía ha sido usada para disparar el electrón y darle cierta velocidad. La energía restante es menor que la original; por lo tanto, la longitud de onda del nuevo y dispersado fotón tiene que ser mayor.
En el ejemplo de arriba, el fotón penetrante tiene una energía de 450 KeV. Este remueve un electrón que tiene una energía de enlace de 12 KeV, dándole a su vez un empuje de 80 KeV. El fotón dispersado toma un camino diferente al fotón original y tiene una energía igual a:
450 KeV – 12 KeV – 80 KeV = 358 KeV
Una porción de la energía original del fotón ha sido absorbida por el material penetrado a través del proceso de ionización.
Tenemos ahora un nuevo fotón dispersado de energía reducida. ¿Cuál sería el siguiente pensamiento lógico o razonamiento?.
El fotón dispersado interaccionará con la materia, y será absorbido exactamente en la misma forma que cualquier fotón del haz de rayos-x original. Es más, éste puede atravesar por varios efectos Compton antes de que la energía sea absorbida completamente.
Note que al chocar el fotón y el electrón no reaccionarán de igual manera que lo harían dos “bolas de billar”. El ángulo (cambio de dirección) al cual proceden los nuevos fotones sigue un patrón muy bien definido. Examine el diagrama de arriba y vea si lo entiende.
A mayor energía del fotón, más pequeño el cambio de curso para el nuevo fotón.
Los fotones con una energía muy alta, después de una colisión en donde se presente el efecto Compton, seguirán una trayectoria muy parecida a la original, pero nunca la misma. En otras palabras, los fotones con mucha energía se dispersan muy poco.
Un fotón con muy baja energía, aun si este resulta de un primer choque con efecto Compton, seguirá una trayectoria o camino muy diferente al original. Los fotones con energía muy baja pueden también dispersarse hacia atrás, en una dirección opuesta.
Aquí se presentan varios fotones, como se observarían al estar penetrando una sustancia, a la vez que son absorbidos en una serie de interacciones Compton y finalmente por la acción del efecto fotoeléctrico.
Las líneas más
claras indican
fotones con
baja energía
que resultan
del efecto
Compton. Cada
una es
finalmente
absorbida por
la acción del
efecto
fotoeléctrico.
Si se nos pidiera que le diéramos un nombre a todos los fotones que resultan del efecto Compton, ¿qué nombre sería el apropiado?, “radiación secundaria” y “dispersión Compton”, parecen ser apropiados.
DISPERSION COMPTON es un nombre preciso para este tipo de radiación electromagnética, mientras que “radiación secundaria”, incluye otros tipos de radiación que resultan de la acción de un haz primario, por ejemplo, los electrones que son disparados durante el efecto fotoeléctrico o efecto Compton.
Existe otro término que es comúnmente usado, radiación dispersada. Este término tiene un significado muy amplio, y para el radiógrafo incluye toda radiación indeseable sin importarle el tipo o fuente.
En todas nuestras discusiones, trataremos de ser tan específicos como sea posible nombrando a la radiación como “primaria”, esto es, parte del haz original; “secundaria” si queremos incluir todos los tipos de radiación excepto la primaria; y “dispersión Compton” si estamos hablando acerca de los fotones que son dispersados como resultado del efecto Compton.
Hablando prácticamente, un fotón de rayos-x no necesariamente se gastaría a sí mismo, ni tampoco sería totalmente absorbido en un material o medio.
Aquí está un posible ciclo de fotones dispersados por el efecto Compton, originándose con un fotón de alta energía.
En este ejemplo usted puede ver que la energía es absorbida más fácilmente por los materiales más pesados y más densos.
Ahora vamos a complicar un poco las cosas.
¿Se ha preguntado usted acerca de todos aquellos electrones de alta velocidad que están moviéndose en una y otra dirección como resultado del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton?.
Piense en ello un momento. Cada fotón de rayos-x que es absorbido, ocasiona que por lo menos uno o probablemente muchos más electrones de alta velocidad, sean disparados de los átomos. La energía cinética (energía de movimiento) de cada uno de estos electrones deberá ser también absorbida en alguna forma.
Las energías de los electrones pueden ser absorbidas de diversas maneras. Una de las más comunes es a través de la creación de más pares de iones. Un electrón de alta velocidad, choca contra un electrón de otro átomo y lo expulsa de su órbita. La energía del primer electrón se ha reducido (ésta, ha sido compartida con el segundo electrón). Uno o ambos de estos electrones, puede repetir el proceso hasta que la cantidad de energía en cualesquiera de los electrones sea muy poca.
Estos electrones de baja energía (iones negativos), eventualmente reaccionarán con átomos dentro de lo que se conoce como ocurrencias de “subionización”. En otras palabras, los átomos no son ionizados. A los electrones orbitales se les provee de un pequeño exceso de energía, la cual éstos eventualmente ceden en una forma de muy baja energía de radiación electromagnética.
Esta baja energía de radiación electromagnética son rayos ultravioleta, luz y calor y las encontramos en el espectro electromagnético, el cual discutimos anteriormente en el capítulo de Las Radiaciones. A medida que la longitud de onda aumenta (la energía disminuye), nos salimos de la banda de los rayos-x y gamma y nos movemos hacia las bandas de los rayos ultravioleta, luz visible e infrarrojos (calor).
A pesar de que toda la absorción de los rayos-x y rayos gamma eventualmente se convierte en este tipo de radiación de baja energía; las cantidades son tan pequeñas en relación a la masa total del material que realiza la absorción, que los efectos del calor y la luz no serían percibidos por el radiógrafo, a menos que utilice un equipo de laboratorio muy sensitivo.
Una segunda forma común en la cual la energía del electrón es absorbida, es mediante un proceso conocido como “bremsstrahlung”, palabra de espanto ¿verdad?. Esta es alemana y significa “rayos frenadores”. El Bremsstrahlung es un fenómeno muy importante en radiografía. Es la base para la generación de los rayos-x en un tubo de rayos-x. Esto lo discutiremos brevemente aquí, pero usted aprenderá más sobre esto en otro capítulo.
Bremsstrahlung (rayos frenadores), ¿qué significa esto?.
Esto es exactamente lo que pasa en el bremsstrahlung. El electrón de alta velocidad es desacelerado o parado completamente por la fuerza positiva del campo de un núcleo atómico.
Mientras que el veloz electrón de 400 KeV mostrado en el ejemplo de arriba, se aproxima al núcleo, éste interacciona con el campo de fuerza del núcleo y es desacelerado. Este, abandona el átomo a una velocidad menor, y por lo tanto, con menor energía. En el caso ilustrado, éste pierda la mitad de su energía y se convierte en un electrón de 200 KeV.
La energía que es absorbida en el campo de fuerza nuclear, constituye un exceso para las necesidades o demandas del átomo, por lo que ésta es inmediatamente radiada en la forma de un rayo-x de energía equivalente.
Si el electrón fuera detenido completamente, como puede suceder cuando este reacciona con un núcleo muy grande y pesado, el rayo-x radiado tendrá una energía igual al total de la energía cinética del electrón.
Así, que como resultado del bremsstrahlung, tenemos otro rayos-x. Parece como si estuviéramos exactamente donde empezamos.
La gran diferencia es, claro está, que la energía original del rayo-x ha sido dividida en varias energías menores, las cuales forman parte de las radiaciones secundarias.
Los nuevos rayos-x y el electrón, reaccionarán de nuevo en forma similar para producir más electrones de menor energía, así como rayos-x también de menor energía hasta que finalmente sólo tengamos una masa de radiación electromagnética con una gran longitud de onda (baja energía) y excitación molecular (calor) situada fuera del espectro de rayos-x.
Todo esto es muy complejo, y un análisis completo desafiaría aún al experto.
Una cosa es segura, sin embargo; la dispersión Compton y la radiación secundaria en general, son un serio problema para el radiógrafo.
A menos que sea apropiadamente controlada, la radiación secundaria nos puede imposibilitar el obtener una radiografía satisfactoria. Los métodos de control y las consecuencias de no controlar la radiación dispersada se verán en otro capítulo.
Mientras tanto, consideremos otro aspecto del proceso de absorción de los rayos-x, la “capa de valor medio”.
Pero primero, aquí está una reafirmación de un par de puntos que ya cubrimos anteriormente.
Dijimos que los fotones de alta energía tenían más capacidad de penetración que los fotones de menor energía en promedio. Todos los fotones, aún con la misma energía, no penetrarán un material dado a la misma profundidad.
Además, mencionamos que la penetración dependía también de la densidad (peso) del material que esté siendo penetrado. Entre más grande sea el número Z (más denso), menor será la penetración.
Pero volvamos a la capa de valor medio.
La absorción de energía obtenida a partir de un haz primario de rayos-x o rayos gamma, empieza tan pronto el haz entra a una sustancia o a un material.
Este proceso de absorción es progresivo y a medida que el haz penetra más y más profundamente, la energía adicional es absorbida a través del efecto fotoeléctrico o del efecto Compton.
En un lugar bajo la superficie, hay un nivel en el cual la intensidad (número de rayos) de la radiación es 1/2 de la intensidad de la superficie.
Esta profundidad es la capa de valor medio (C.V.M.) para ese haz en particular en ese material en particular. ¿Qué le pasaría a la capa de valor medio si usáramos un haz compuesto de fotones de mayor energía en el mismo material?.
La capa de valor medio se encontraría más profunda en el material, debido a la mayor fuerza de penetración de los fotones de alta energía.
Aquí tenemos un ejemplo usando un material de baja densidad (aluminio):
Las capas de valor medio (C.V.M.) mostradas arriba, son siempre las mismas para el Ir-192 y el Co-60 en el aluminio. Estas nunca cambian ya que las energías del fotón de Ir-192 y Co-60 nunca cambian.
Mentalmente grábese, el hecho de que no importa cual sea la intensidad (número de rayos) del haz original, 1/2 de los rayos serán siempre absorbidos a la misma profundidad si las energías del rayo son las mismas y el material absorbente es el mismo.
Ahora, ¿qué les pasaría a las C.V.M. en los ejemplos mostrados arriba, si el material fuera cambiado de aluminio a plomo?. Estas estarían localizadas a una profundidad más cercana a la superficie. Hay que reconocer el hecho de que la capa de valor medio para materiales pesados y densos es menor que para los materiales livianos.
La C.V.M. para el Ir-192 en el plomo es de 0.60 centímetros (0.24 pulgadas), considerablemente menor que los 4.3 centímetros (1.7 pulgadas) para el aluminio. La C.V.M. para el Co-60 es de 1.2 centímetros (0.47 pulgadas) en el plomo en contra de los 6.6 centímetros (2.6 pulgadas) en el concreto o en el aluminio.
¿Está bien?. Ahora piense sobre este punto un poco. Hemos dicho que en una capa de valor medio la intensidad de la radiación es reducida a 1/2. Ahora, ¿qué fracción de la intensidad de la radiación original persistirá a una profundidad de dos capas de valor medio?.
1/4. La intensidad de la radiación será reducida a 1/2 por cada C.V.M., y esa mitad ha sido reducida de nuevo a 1/2 al pasar por la segunda C.V.M.
1/2 x 1/2 = 1/4
Esto, es similar al concepto de vida-media para los isótopos radiactivos que discutimos anteriormente en otro capítulo.
La capa de valor medio es una consideración muy importante en la planeación de la seguridad en la radiación. Usted tendrá más información sobre esta materia en otro capítulo.
Aquí está un breve resumen de los puntos que hemos discutido en este capítulo:
Primero. Los rayos-x y rayos gamma, penetrarán a los materiales livianos más eficientemente que a los materiales pesados (densos).
Segundo. La radiación x y gamma es absorbida al interactuar con la materia.
Tercero. Estas interacciones empiezan con la ionización de los átomos en la materia.
Cuarto. La ionización por medio de fotones (rayos-x y gamma), se lleva a cabo en dos formas básicas: efecto fotoeléctrico y efecto Compton.
Quinto. El efecto fotoeléctrico involucra rayos-x y rayos gamma de menor energía y origina una completa absorción del fotón.
Sexto. El efecto Compton involucra fotones de mayor energía y ocasiona la absorción parcial de la energía del fotón.
Séptimo. Los electrones dispersos obtenidos a partir de la ionización, producen una ionización adicional.
Octavo. Los electrones dispersos pueden también convertirse en nuevos rayos-x de baja energía, conocidos como bremsstrahlung.
Noveno. La “dispersión Compton”, “radiación secundaria” y “radiación dispersada”; son términos usados para describir los resultados de las interacciones de los rayos-x o rayos gamma.
Décimo. Todos los rayos-x y rayos gamma son eventualmente transformados en fotones de baja energía que caen fuera del espectro de los rayos-x o gamma.
Undécimo. La “capa de valor medio”, es la profundidad a la que la radiación x o gamma debe penetrar un material para reducir la intensidad a 1/2 de la intensidad original.
