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RADIACIONES IONIZANTES

Radiofísica sanitaria y biofísica ondulatoria

Cátedra de Biofísica - FOUBA

RADIACION: energía transmitida a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas o de partículas con elevada energía cinética

RADIACION IONIZANTE: radiación que tiene suficiente energía para arrancar electrones de los átomos en los materiales que atraviesa.

En particular

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�Partículas con alta energía cinética • Emisión β de radioelementos (por ej., 1,7 Mev del 32P, 0,6 Mev del 131I) •Aceleradores de electrones (5 – 40 Mev)• Proyección de electrones secundarios por radiaciones X o gamma

�Radiaciones electromagnéticas de alta energía•Rayos X (de hasta 200 Kev para los rayos clásicos que se utilizan para diagnóstico o de hasta 40 Mev en radioterapia) •Radiación γγγγ (gamma) (por ej. fotones de 1,25 Mev emitidos por el 60Co en la “bomba de cobalto” utilizada en radioterapia).

EJEMPLOS DE RADIACIONES IONIZANTES

Un anticipo …

�Son radiaciones electromagnéticas de alta energía

�Pueden penetrar y atravesar la materia

�Ennegrecen las emulsiones fotográficas

�Generan radiación secundaria

�Ionizan la materia efectos biológicos

PROPIEDADES DE LOS RAYOS X y γγγγ

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Espectro electromagnéticoRepasando …

Se define 1 ev (electrón voltio) como la cantidad de energía igual a la que adquiere un electrón al ser

acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio

1eV = 1.602176462 × 10-19 Joule

- +∆V=1 v

Ec = 1 evANODOCATODO

ELECTRON-VOLTIO

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RANGOS DE ENERGIA DE LAS RADIACIONES

ELECTROMAGNETICAS

• Luz visible 1,5 – 3 ev• Ultravioleta 10 – 100 ev• Rayos X para diagnóstico 1 – 200 Kev• Rayos gamma 100 Kev – 10 Mev• Rayos cósmicos > 1 Gev

Un FOTON es un “paquete” de energía equivalente a una partícula de energía cinética h.ν

E = h . ν (h = 4,1356.10-15 eV. s)

Al interactuar con la materia, una radiación electromagnética de frecuencia determinada (ν) no puede adquirir ni ceder la energía que transporta más que en cantidades discontinuas, que son múltiplos de una cantidad elemental E (cuanto o fotón).

FOTON = PAQUETE DE ENERGIA

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LOS ÁTOMOS Y MOLÉCULAS ABSORBEN Y EMITEN ENERGÍA EN FORMA DE FOTONES DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE

DIFERENTES FRECUENCIAS

E = h. ν (Energía de cada fotón)

Las microondas y las radiaciones IR de menor energía (milésimos de ev) pueden provocar aumento en la energía rotacional de ciertas moléculas poliatómicas en estado gaseoso.

Las radiaciones IR de mayor energía (décimos de ev) pueden provocar aumentos en la energía vibracional de una molécula.

• El intercambio de fotones de baja frecuencia estáasociado a cambios en las velocidades de rotación, translación y vibración

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Excitación: un electrón orbital absorbe un fotón y pasa a un nivel energético superior. La luz y la radiación UV pueden excitar electrones periféricos y la radiación X y γγγγ, electrones internos.

Ionización: un electrón absorbe un fotón X o γγγγ y adquiere energía suficiente para abandonar el átomo (más adelante se verá en detalle)

• El intercambio de fotones de mayor frecuencia estáasociado además a cambios en el nivel energético de los electrones orbitales

Cuando un electrón pasa de un nivelde mayor energía a uno de menor energía emite un FOTON, cuya energía corresponde a la diferencia entre los dos niveles energéticos implicados en la transición.

E= ∆∆∆∆E = En - En-1

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Niveles de energía del átomo de H

++--

n=1

n=2

n=3n=4

n=5

Por ejemplo …

-0,54 eV5

-0,85 eV4

-1,51 eV3

-3,4 eV2

-13,6 eV1

EnergíaNivel de energía

¿Cuál es la energía que hay que entregar al átomo para que el electrón salte del nivel n=1 a n=2?

¿Cuál es la longitud de onda asociada con esa excitación? ¿A qué parte del espectro corresponde esa frecuencia?

E = h. ν

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RAYOS X

CLASIFICACION DE LOS RAYOS X SEGÚN SU ORIGEN

RAYOS X POR FRENADO DE ELECTRONES

(BREMSSTRAHLUNG)

RAYOS X CARACTERÍSTICOS

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RAYOS X CARACTERÍSTICOSSe originan en la desexcitación de electrones orbitales de las capas más internas. Tienen valores cuantificados

de energía, que dependen de la especie química.

Energía

(electrón en el tubo Coolidge)

X

Átomo de tungsteno

Esquema del átomo de tungsteno y su correspondiente diagrama de niveles de energía.

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RAYOS X DE FRENADOSe originan al interactuar electrones muy veloces con los

núcleos atómicos de la materia.

La energía de los fotones emitidos tiene valores comprendidos entre 0 y la energía cinética original del

electrón, predominando los de menor energía.

Núcleo de

Tungsteno

Fotón X

Rayos X

Anodo (+)

Cátodo (-)

Electrón

Formación de Rayos X en el tubo Coolidge

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Espectros de Rayos X

¿Cuál es el kilovoltaje del tubo que origina estos rayos X?

¿Qué energía tienen los rayos X característicos? ¿Por qué?

¿Cuál es la energía máxima de los fotones X generados en un tubo Coolidge de 80 Kv?

¿A qué frecuencia corresponde esa energía?

¿A qué longitud de onda corresponde esa frecuencia?

E = h. ν

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OTRAS RADIACIONES IONIZANTES:ORIGEN DE LOS RAYOS GAMMA

Y DE ALGUNAS RADIACIONES DE PARTÍCULAS

LA RADIACTIVIDAD

BIBLIOGRAFIA

www.cnea.gov.ar Para conocer ¿qué es la energía nuclear?

Emisión de partículas o fotones por núcleos atómicos inestables que pierden su exceso de

energía transformándose en núcleos energéticamente más estables.

RADIACTIVIDAD

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NUCLEIDO

Especie química caracterizada por la composición y energía de su núcleo.

A

Z XX = símbolo químico del elemento

Z (Número atómico) = Nº de protones

A (Número másico) = Nº de protones + Nº de neutrones

ISÓTOPOS y RADIOISÓTOPOS

ISÓTOPOS: Nucleidos con igual cantidad de protones y distinto número de neutrones. (=Z y ≠A). Son distintas presentaciones del mismo elemento químico.

RADIOISÓTOPO: Isótopo con núcleo inestable que sufre desintegración radiactiva.

3 isótopos del elemento Hidrógeno en la tabla de nucleidos

TRITIO: radioisótopodel hidrógeno

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Radiactividad natural y artificial

Natural: manifestada por los radioisótopos que se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, el 14C es un radioisótopo del carbono que está presente en la materia en una pequeñísima proporción)

Artificial o inducida: Se produce en un reactor nuclear cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas que penetran dentro del núcleo bombardeado formando un nuevo núcleo inestable que se desintegra después radiactivamente. Así se obtienen los radioisótopos necesarios para realizar diagnóstico y tratamiento por medicina nuclear.

Desintegración ααααUn núcleo pesado libera una partícula positiva

formada por 2 neutrones y 2 protones (igual que un núcleo de Helio)

Origen de las diferentes radiaciones nucleares

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Un núcleo con un exceso relativo de neutrones libera un electrón nuclear.

Desintegración ββββ-

Origen de las diferentes radiaciones nucleares

Un núcleo con exceso relativo de protones libera un positrón (partícula con la masa de un electrón pero con carga +).

Desintegración ββββ+Origen de las diferentes radiaciones nucleares

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El núcleo excitado libera energía en forma de un fotón γ (fotón nuclear).

Desintegración γγγγ

Origen de las diferentes radiaciones nucleares

Se define en un instante determinado como el número de núcleos que desintegran por unidad de tiempo.

A = N . λλλλλ= constante de desintegración

Unidades: Becquerel (Bq)

Históricamente también se ha utlizado el curie (Ci)(1 Ci = 2,22 1012 dpm= 37 GBq)

ACTIVIDAD

¿Cómo se cuantifican estos procesos radiactivos?

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0 1 2 3 4 5 6 7 80.00

0.25

0.50

0.75

1.00

tiempo (t 1/2)

Activ

idad

At = A0.e-λt

0 1 2 3 4 5 6 7 8-7.5

-5.0

-2.5

0.0

b = lnA0

m = -λ

tiempo (t 1/2)

ln A

t

DECAIMIENTO RADIACTIVO

ln At = lnA0 -λ.t

λ= constante de desintegraciónT1/2 = período de semidesintegración

T1/2 = ln 2/ λ

tiempo tiempo

Radioisótopo T1/232P 14 días131I 8 días35S 87 días14C 5570 años45Ca 164 días3H 12,3 años

PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN

Tiempo que debe transcurrir para que se reduzca a la mitad el número de átomos radiactivos

Ejemplos:

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Si tenemos hoy 10 mg de 32P (emisor de partículas β-), ¿cuánto tendremos después de 14 días?¿En qué se habrá transformado el resto?

E = h. ν

MECANISMOS POR LOS QUE LA RADIACION PRODUCE IONIZACION DEL ATOMO

INTERACCION DE LAS RADIACIONES IONIZANTES

CON LA MATERIA

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Cada electrón es mantenido en órbita y alejado del núcleo por medio de cierta cantidad de energía de

enlace. Para poder separar un electrón de su átomo, se requiere de al menos esa energía. La energía de enlace depende del elemento (número Z) y de la posición del

electrón en el átomo.

Para una especie atómica determinada, ¿se requerirá mayor energía para arrancar un electrón externo o interno? ¿Por qué?

E = h. ν

Volviendo al ejemplo del hidrógeno …

++--

¿Cuánta energía se debería entregar al único electrón para que abandonara el átomo?

n=1

n=2

n=3n=4

n=5

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Se define como el número de pares iónicos formados por la radiación por unidad de trayectoria recorrida en la materia

¿Cómo se expresa la capacidad ionizante de las radiaciones?

IONIZACIÓN ESPECÍFICA

Las partículas alfa son altamente ionizantes (elevada ionización específica). La pesada partícula alfa con su

velocidad relativamente baja y su doble carga positiva, atrae fuertemente a los livianos electrones negativos. La partícula

alfa no tiene que pegarle a un electrón directamente para sacarlo fuera de su átomo. Pasar cerca del electrón es suficiente para causar que el electrón deje al átomo.

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Como las partículas alfa interaccionan tan fácilmente con la materia, su energía cinética disminuye rápidamente y se

detienen en una corta distancia. Son poco penetrantes(bajo alcance) y pueden detenerse con una hoja de papel.

Debido a su pequeña masa y su única carga, solo podráionizar materiales pasando muy cerca de, o por medio de una colisión directa con los electrones de los átomos.

Una partícula beta viajará a una velocidad mucho mayor que una partícula alfa de la misma energía debido a su masa reducida. (Ec=1/2 m.v2)

A pesar de que las partículas beta (electrones y positrones) son bastante ionizantes, no son tan ionizantes como las partículas alfa y penetrarán más profundamente.

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Una vez perdida su energía cinética, los positrones se aniquilan por interacción con electrones emitiendo dos fotones de 511 Kev, que interaccionarán con otros electrones por efecto Fotoeléctrico o Compton.

hνννν hνννν

Ver más adelante: Tomografía por emisión de positrones (PET)

Aniquilación de partículas ββββ+

Las radiaciones X y gamma son menos ionizantes que las radiaciones de partículas y su alcance es teóricamente infinito. Como se desplazan a la velocidad de la luz y no tienen masa, la probabilidad de interacción con un electrón de la materia que atraviesan es baja.

Al interactuar con los átomos de la materia por distintos mecanismos (fotoeléctrico, Compton, formación de pares), liberan electrones con alta energía cinética que serán los responsables directos de la ionización de otros átomos.

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EFECTO FOTOELECTRICO

La energía del fotón X o gamma es completamente transferida a un electrón orbital que es expulsado del átomo. El fotón incidente desaparece después de la colisión.

ionización

El efecto fotoeléctrico ocurre cuando la energía del fotón es baja (menor a 500 Kev) y con mayor probabilidad en medios de alto Z.

EFECTO COMPTON

Los fotones X o gamma pueden ceder parte de la energía a un electrón orbital que será expulsado del átomo, generándose un fotón remanente de menor energía que es liberado en una nueva dirección.

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FORMACION DE PARES

Fotones con energía mayor a 1.02 MeV pueden interactuar con el núcleo formando un par electrón-positrón. Un exceso de energía se tranfiere en forma equivalente a ambas partículas las cuales pueden producir ionización adicional en el material.

El positrón puede ser capturado por otro electrón ocurriendo el fenómeno de aniquilación y generando como consecuencia dos fotones de 0.51 MeV (radiación de aniquilación). Esos fotones podrán perder su energía por Efecto Compton o fotoeléctrico.

La probabilidad de ocurrencia de cada efecto dependeráde la energía de los fotones y de la naturaleza del medio.

En un medio determinado predomina el efecto fotoeléctrico cuando la energía es baja y el efecto

Compton para los valores intermedios.

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E

Energía perdida por el haz incidente

(atenuación)

Ea

Energía de los electrones secundarios (absorción)

Es

Energía de los fotones

secundarios (dispersión)

= +

Cuando un haz de rayos X clásico (70-100 Kev) interactúa con la materia viva, el efecto Compton es el más probable.

La distribución de energía entre el electrón secundario y el fotón secundario depende de la energía de la radiación. Para energías bajas Ea<<E.

Si un fotón de 50 Kev interactúa con un electrón por efecto Compton:

50 Kev = 5 Kev + 45 Kev

El fotón dispersado interaccionará con la materia, y será absorbido exactamente en la misma forma que cualquier fotón del haz de rayos X original. Puede

atravesar por varios efectos Compton antes de que la energía sea absorbida completamente.

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Las líneas más claras indican fotones con baja energía que resultan del efecto Compton. Cada una es finalmente absorbida por la acción delefecto fotoeléctrico.

A mayor energía del fotón, más pequeño el cambio de cursopara el nuevo fotón. 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.

Los electrones secundarios interactuarán con otros átomos, produciendo ionización adicional por impacto con un electrón orbital o radiación X por frenado (Bremsstrahlung)

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Partículas Alfa

Partículas beta

Fotones

Rango 1-2 centímetrosen aire

Rango 0-8metros en aire

He+2

Rango infinito

En resumen:

Una forma de cuantificar a la radiación electromagnética

áreatiempo

totalEnergíaIntensidad

.=

¿De qué depende la energía total de un haz de fotones?

E = h. ν

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¿Cómo se puede modificar la intensidad del haz de rayos X producido por el tubo sin cambiar el espectro de energías?

¿Cómo se puede modificar la energía de los fotones emitidos, es decir, modificar el espectro de energías?

Repaso de Radiología:

µ = coeficiente de atenuación lineal (depende de la energía de la radiación y del Z del medio que atraviesa)

Espesor x

I = I0 . e-µµµµxI0

Fuente de radiación

EFEECFP

ATENUACIÓN LINEAL

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SEMIESPESOR

X1/2 = ln 2/ µµµµ0 1 2 3 4 5 6 7 80.00

0.25

0.50

0.75

1.00

tiempo (t 1/2)

Activ

idad

Inte

nsid

ad (

I)

Espesor (x)

Semiespesor (x1/2)

Es el espesor de material absorbente que reduce la intensidad de la radiación incidente a la mitad.

Si I = I0 / 2,

x = ln 2 / µµµµ

RAYOS X PRIMARIOS Y SECUNDARIOS

Haz primario

(con una cierta Intensidad y distribución de Energías)

Fotón X ComptonX

Fotón X de desexcitación

X

Atenuación y formación de radiación secundaria

¡Radioprotección!

Haz primario atenuado

(forma la imagen)

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Fuente de radiación

Disminución de la intensidad con la distancia

d1 d2

I1 /I2 = (d2 /d1)2

Las radiaciones ionizantes, además de interactuar con los blindajes y los equipos de detección, interactúan con los pacientes, el

público y el personal ocupacionalmenteexpuesto.

RADIODOSIMETRIA

Para cuantificar la radiación absorbida

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Dosis absorbidaD = E/m 1 Rad = 100 erg/g

Gray (Gy) = 1 J/Kg = 100 Rad

Dosis equivalente en cuerpo enteroH = D.EBR 1 Rem = 1 Rad si EBR=1

(X hasta 300 Kev)

1 Sievert (Sv) = 100 Rem

Energía absorbida (E) es la que se ha invertido en producir ionizaciones

EBR = eficiencia biológica relativa (depende de la ionización específica de la radiación)

X = ∆q/∆m

1 Roentgen = 86,7 erg/g (aire)

Exposición

Expresa la capacidad de una radiación de ionizar el aire.

Para radiaciones de 0,1-2,5 Mev, la ionización en agua es 1,11 veces mayor que la producida en aire, por lo que

1 Roentgen ≅ 96 erg/g tejido ≅ 1 Rad