Download RADIACIONES IONIZANTES curso 2013

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
En particular
RADIACION IONIZANTE:
radiación que tiene suficiente
energía para arrancar
electrones de los átomos en los
materiales que atraviesa.
1
Un anticipo …
EJEMPLOS DE RADIACIONES IONIZANTES
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 γ (gamma) (por ej. fotones de 1,25 Mev emitidos por el
60Co en la “bomba de cobalto” utilizada en radioterapia).
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
PROPIEDADES DE LOS RAYOS X y
γ
Son radiaciones electromagnéticas de alta energía
Pueden penetrar y atravesar la materia
Ennegrecen las emulsiones fotográficas
Generan radiación secundaria
Ionizan la materia
efectos biológicos
2
Repasando …
Espectro electromagnético
ELECTRON-VOLTIO
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
Ec = 1 ev
CATODO
-
∆V=1 v
ANODO
+
3
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
FOTON = PAQUETE DE ENERGIA
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).
4
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)
• El intercambio de fotones de baja frecuencia está
asociado a cambios en las velocidades de rotación,
translación y vibración
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.
5
• El intercambio de fotones de mayor frecuencia está
asociado además a cambios en el nivel energético de
los electrones orbitales
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 γ, electrones internos.
Ionización: un electrón absorbe un
fotón X o γ y adquiere energía
suficiente para abandonar el átomo
(más adelante se verá en detalle)
Cuando un electrón pasa de un nivel
de 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
6
Por ejemplo …
Niveles de energía del átomo de H
+
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
Nivel de
energía
Energía
1
-13,6 eV
2
-3,4 eV
3
-1,51 eV
4
-0,85 eV
5
-0,54 eV
E = h. ν
¿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?
7
RAYOS X
CLASIFICACION DE LOS RAYOS X
SEGÚN SU ORIGEN
RAYOS X CARACTERÍSTICOS
RAYOS X POR FRENADO DE ELECTRONES
(BREMSSTRAHLUNG)
8
RAYOS X CARACTERÍSTICOS
Se 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.
9
RAYOS X DE FRENADO
Se 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.
Formación de Rayos X en el tubo Coolidge
Electrón
Núcleo de
Fotón X
Tungsteno
Anodo (+)
Cátodo (-)
Rayos X
10
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?
E = h. ν
¿A qué frecuencia corresponde
esa energía?
¿A qué longitud de onda
corresponde esa frecuencia?
11
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?
RADIACTIVIDAD
Emisión de partículas o fotones por núcleos
atómicos inestables que pierden su exceso de
energía transformándose en núcleos
energéticamente más estables.
12
NUCLEIDO
Especie química caracterizada por la composición y
energía de su núcleo.
A
Z
X
X = 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.
TRITIO:
radioisótopo
del hidrógeno
3 isótopos del elemento Hidrógeno en la tabla de nucleidos
13
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.
Origen de las diferentes radiaciones nucleares
Desintegración α
Un núcleo pesado libera una partícula positiva
formada por 2 neutrones y 2 protones (igual
que un núcleo de Helio)
14
Origen de las diferentes radiaciones nucleares
Desintegración βUn núcleo con un exceso relativo de
neutrones libera un electrón nuclear.
Origen de las diferentes radiaciones nucleares
Desintegración β+
Un núcleo con exceso relativo de protones
libera un positrón (partícula con la masa de un
electrón pero con carga +).
15
Origen de las diferentes radiaciones nucleares
Desintegración γ
El núcleo excitado libera energía en forma
de un fotón γ (fotón nuclear).
¿Cómo se cuantifican estos procesos radiactivos?
ACTIVIDAD
Se define en un instante determinado como el número de
núcleos que desintegran por unidad de tiempo.
A = N . λ
λ= constante de desintegración
Unidades:
Becquerel (Bq)
Históricamente también se ha utlizado el curie (Ci)
(1 Ci = 2,22 1012 dpm= 37 GBq)
16
DECAIMIENTO RADIACTIVO
b = lnA0
0.0
0.75
-2.5
ln At
Actividad
1.00
0.50
m = -λ
-5.0
0.25
-7.5
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
tiempo (t1/2)
tiempo
At = A0.e-λt
0
1
2
3
4
5
6
7
8
tiempo (t 1/2)
tiempo
ln At = lnA0 -λ.t
λ= constante de desintegración
T1/2 = período de semidesintegración
T1/2 = ln 2/ λ
PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN
Tiempo que debe transcurrir para que se reduzca a la
mitad el número de átomos radiactivos
Ejemplos:
Radioisótopo
32P
131I
35S
14C
45Ca
3H
T1/2
14 días
8 días
87 días
5570 años
164 días
12,3 años
17
E = h. ν
Si tenemos hoy 10 mg de 32P (emisor de partículas
β-), ¿cuánto tendremos después de 14 días?
¿En qué se habrá transformado el resto?
INTERACCION DE LAS
RADIACIONES IONIZANTES
CON LA MATERIA
MECANISMOS POR LOS QUE LA RADIACION
PRODUCE IONIZACION DEL ATOMO
18
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.
E = h. ν
Para una especie atómica determinada,
¿se requerirá mayor energía para
arrancar un electrón externo o interno?
¿Por qué?
Volviendo al ejemplo del hidrógeno …
¿Cuánta energía se debería entregar al único electrón para
que abandonara el átomo?
+
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
19
¿Cómo se expresa la capacidad ionizante de las
radiaciones?
IONIZACIÓN ESPECÍFICA
Se define como el número de pares iónicos
formados por la radiación por unidad de
trayectoria recorrida en la materia
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.
20
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.
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.
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)
Debido a su pequeña masa y su única carga, solo podrá
ionizar materiales pasando muy cerca de, o por medio de
una colisión directa con los electrones de los átomos.
21
Aniquilación de partículas β+
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.
hν
ν
hν
ν
Ver más adelante: Tomografía por emisión de
positrones (PET)
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.
22
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.
23
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 dependerá
de 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.
24
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
E
=
Ea
+
Es
Energía perdida
por el haz
incidente
(atenuación)
Energía de los
electrones
secundarios
(absorción)
Energía de los
fotones
secundarios
(dispersión)
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.
25
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.
A mayor energía del fotón, más pequeño el cambio de curso
para 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)
26
En resumen:
Partículas Alfa
Rango 1-2 centímetros
en aire
He+2
Partículas beta
Rango 0-8metros
en aire
Fotones
Rango infinito
Una forma de cuantificar a la radiación
electromagnética
Intensidad =
Energía total
tiempo . área
E = h. ν
¿De qué depende la energía total de un
haz de fotones?
27
Repaso de Radiología:
¿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?
ATENUACIÓN LINEAL
Espesor x
EFE
EC
FP
Fuente de
radiación
I0
I = I0 . e-µµx
µ = coeficiente de atenuación lineal (depende de la
energía de la radiación y del Z del medio que atraviesa)
28
SEMIESPESOR
Es el espesor de material absorbente que reduce la
intensidad de la radiación incidente a la mitad.
Intensidad
Actividad (I)
1.00
Si I = I0 / 2,
0.75
x = ln 2 / µ
0.50
0.25
0.00
0
1
2
3
4
5
tiempo (t1/2(x)
)
Espesor
6
7
8
X1/2 = ln 2/ µ
Semiespesor (x1/2)
RAYOS X PRIMARIOS Y SECUNDARIOS
Fotón X Compton
X
X
Haz primario
(con una cierta
Intensidad y
distribución de
Energías)
Fotón X de
desexcitación
Atenuación y formación de
radiación secundaria
¡Radioprotección!
Haz
primario
atenuado
(forma la
imagen)
29
Disminución de la intensidad con la
distancia
d1
d2
Fuente de
radiación
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 ocupacionalmente
expuesto.
Para cuantificar la
radiación absorbida
RADIODOSIMETRIA
30
Energía absorbida (E) es la que se ha
invertido en producir ionizaciones
Dosis absorbida
D = E/m
1 Rad = 100 erg/g
Gray (Gy) = 1 J/Kg = 100 Rad
Dosis equivalente en cuerpo entero
H = D.EBR
1 Rem = 1 Rad
si EBR=1
(X hasta 300 Kev)
1 Sievert (Sv) = 100 Rem
EBR = eficiencia biológica relativa (depende de la
ionización específica de la radiación)
Exposición
Expresa la capacidad de una radiación de ionizar el
aire.
X = ∆q/∆m
1 Roentgen = 86,7 erg/g (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
31