Interaccin de los Rayos-X y Rayos Gamma con la Materia Absorcin y Dispersin

En este captulo usted aprender algo acerca del efecto de la radiacin x y gamma sobre la materia, y recprocamente, el efecto de la materia sobre la radiacin x y gamma. De todo el material que hemos estudiado hasta ahora, este es probablemente el ms importante. El tema completo de la radiografa se basa en un entendimiento de las interacciones entre los rayos-x, rayos gamma y la materia. Hemos aprendido, que los rayos-x y rayos gamma son capaces de penetrar toda materia. Tambin hemos aprendido que la profundidad de penetracin depende de la energa de los rayos, entre ms alta la energa (longitud de onda ms corta), mayor penetracin. Ahora, consideremos otro factor que determina la profundidad de penetracin, el material que est 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, penetrarn el aire hasta una profundidad considerable, pero como cualquier otro material, el aire eventualmente absorber los rayos-x. Considere un material liviano, digamos aluminio. Los rayos-x penetrarn el aluminio tambin, pero a una profundidad mucho menor que en el aire. Ahora tome un metal ms pesado o denso, acero por ejemplo los rayos-x tambin penetrarn el acero, pero no a la profundidad que penetrarn al aluminio. Los rayos-x, penetrarn mejor los materiales livianos que los materiales pesados o ms densos. O, en otras palabras, los materiales ms pesados y ms densos ofrecern mayor resistencia a la penetracin de los rayos-x. Este hecho le parecer razonable cuando usted considere un mayor nmero de obstculos, bloqueando el camino de un rayo-x a travs de los materiales pesados. Los tomos con un nmero Z bastante alto, contienen ms electrones que los tomos con un nmero Z menor. Esta es la razn por la cual el plomo es comnmente utilizado como material de escudo contra los rayos-x. El plomo tiene un nmero Z grande (ste es pesado y denso) y los rayos-x no pueden penetrarlo tan fcilmente como a mucho otros materiales. As que ahora, ya sabemos que aparte de la energa de los rayos-x utilizados, la penetracin tambin depende de la densidad del material que se est penetrando.

Pero, qu sucede con los rayosx cuando penetran materiales?. Sabemos que algunos de stos van ms lejos que otros, pero todos ellos deben detenerse en algn tiempo. Estos rayos-x, o fotones, son paquetes pequeos de energa movindose a la velocidad de la luz y cuando los fotones se paran, sabemos que algo debe suceder. La energa del fotn no puede simplemente desaparecer, sta tiene que ser transformada de alguna manera. Esta es una de las leyes bsicas de la naturaleza: la energa no puede ser creada ni destruida. Esta puede ser convertida en un nmero de formas diferentes, pero la energa siempre est ah. Los rayos-x, son absorbidos por los materiales que stos penetran, a travs de un proceso conocido como "ionizacin". Los rayos-x, crean "iones" en los materiales que stos atraviesan y su energa es absorbida durante el proceso. Bsicamente, un in es un tomo, grupo de tomos, o partculas atmicas, con CARGA de signo positivo o negativo. Si usted remueve un electrn de un tomo, ste se hace elctricamente incompleto. Hay ms protones (cargas positivas) en el ncleo, que electrones (cargas negativas) para balancearlos. El tomo tiene una carga ms uno, por lo tanto, es un in positivo. Similarmente, el electrn que fue removido, es un in negativo mientras ste exista por s mismo y no se combine con otro tomo. Un tomo se mantiene unido por medio de energa. Esto significa que cada electrn es mantenido en rbita por medio de cierta cantidad de energa de enlace. Para poder separar un electrn de su tomo, se requiere de una energa al menos igual a la energa de enlace. Cuando un rayo-x "choca" contra un electrn en el material penetrado, ste le transfiere algo o toda su energa al electrn y lo expulsa de su tomo.

Decimos "choca" porque este es uno de esos casos mencionados anteriormente, en el cual los rayos-x actan como partculas. Probablemente, deberamos decir que un fotn choca contra un electrn. Los fotones, cualquiera de aquellos que se encuentren dentro del rango de energa que el radigrafo podra estar utilizando, son absorbidos por las sustancia que stos penetran a travs del proceso de expulsin de electrones de sus tomos. Esto es ionizacin o creacin 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 ionizacin. Hay formas, aparte de la ionizacin, en las cuales los fotones son absorbidos, pero stos involucran energas de fotones fuera de los lmites que el radigrafo normalmente utilizara, por lo que las ignoraremos. La ionizacin de los tomos por medio de rayos-x, se lleva a cabo en dos formas diferentes: efecto fotoelctico y efecto Compton. Discutiremos primero el efecto fotoelctrico. El efecto fotoelctrico, ocurre principalmente con fotones de rayos-x de baja energa, entre los 10 KeV y 500 KeV. Este involucra, la absorcin completa del fotn durante el proceso de expulsin del electrn de su rbita.

Tomemos un ejemplo del efecto fotoelctrico. Un fotn de 100 KeV, se aproxima a un tomo y choca contra un electrn, que tiene una fuerza de enlace de 50 KeV. El electrn es despedido del tomo y se convierte e un ion negativo. El tomo al cual se le quit el electrn, es ahora un ion positivo. Los dos iones forman un par de iones. El fotn desaparece, ste es absorbido completamente.

Pero, qu le sucede al resto de la energa del fotn, la diferencia entre su energa inicial de 100 KeV y la de 50 KeV que es usada para eliminar la fuerza de enlace del electrn?. El exceso de energa es entregada al electrn despedido en forma de energa "cintica", o velocidad. En nuestro ejemplo particular; el electrn despedido tendr una energa cintica de 50 KeV, lo que significa que se estar moviendo a una velocidad razonable. Toda la energa dl fotn ha sido usada hasta ahora, y el fotn deja de existir. Recuerde que un fotn no es una partcula, sin embargo ste acta como tal. Cuando la energa es usada, no queda nada. Aqu est otro ejemplo del efecto fotoelctrico:

De nuevo, toda la energa del fotn ha sido usada para producir un par de iones. No todos los electrones tienen la misma energa de enlace. Esta depende del elemento (nmero Z) y de la posicin del electrn en el tomo. Aquellos ms cercanos al ncleo tienen mayor energa de enlace que los ms lejanos a ste, por lo tanto requieren ms energa del fotn para removerlos. Los electrones lejanos al ncleo, son comparativamente fciles de despedir. Ahora consideremos el efecto Compton (o dispersin como se le llama algunas veces). El efecto Compton, es una extensin lgica del efecto fotoelctrico, siendo la diferencia que las energa originales del fotn son generalmente mayores. Cuando se inicia con energas mayores del fotn, toda la energa puede que no sea utilizada en remover y acelerar un electrn. Puede haber energa sobrante.

El efecto Compton es comn que ocurra cuando los fotones caen dentro de un rango de 50 KeV hasta varios MeV. Observe que el rango de energa se traslapa con el rango de energa fotoelctrica. Con energas muy bajas del fotn, el efecto fotoelctrico es dominante, pero se hace menos comn al aumentar la energa del fotn. El efecto Compton, empieza lentamente a niveles bajos de energa y se hace dominante entre los 100-150 KeV.

En el efecto Compton, no toda la energa del fotn es absorbida por el electrn. Cuando el electrn es disparado, hay todava algn exceso de energa sin utilizar.

Este exceso de energa toma la forma de un nuevo fotn; que tiene una longitud de onda mayor que la del fotn original y que se mueve en una nueva direccin o camino.

Por qu es que el nuevo fotn tiene una longitud de onda mayor que el fotn original?. Porque una porcin de la energa ha sido usada para disparar el electrn y darle cierta velocidad. La energa restante es menor que la original; por lo tanto, la longitud de onda del nuevo y dispersado fotn tiene que ser mayor.

En el ejemplo de arriba, el fotn penetrante tiene una energa de 450 KeV. Este remueve un electrn que tiene una energa de enlace de 12 KeV, dndole a su vez un empuje de 80 KeV. El fotn dispersado toma un camino diferente al fotn original y tiene una energa igual a: 450 KeV - 12 KeV - 80 KeV = 358 KeV Una porcin de la energa original del fotn ha sido absorbida por el material penetrado a travs del proceso de ionizacin. Tenemos ahora un nuevo fotn dispersado de energa reducida. Cul sera el siguiente pensamiento lgico o razonamiento?.

El fotn dispersado interaccionar con la materia, y ser absorbido exactamente en la misma forma que cualquier fotn del haz de rayos-x original. Es ms, ste puede atravesar por varios efectos Compton antes de que la energa sea absorbida completamente. Note que al chocar el fotn y el electrn no reaccionarn de igual manera que lo haran dos "bolas de billar". El ngulo (cambio de direccin) al cual proceden los nuevos fotones sigue un patrn muy bien definido. Examine el diagrama de arriba y vea si lo entiende. A mayor energa del fotn, ms pequeo el cambio de curso para el nuevo fotn. Los fotones con una energa muy alta, despus de una colisin en donde se presente el efecto Compton, seguirn una trayectoria muy parecida a la original, pero nunca la misma. En otras palabras, los fotones con mucha energa se dispersan muy poco. Un fotn con muy baja energa, aun si este resulta de un primer choque con efecto Compton, seguir una trayectoria o camino muy diferente al original. Los fotones con energa muy baja pueden tambin dispersarse hacia atrs, en una direccin opuesta. Aqu se presentan varios fotones, como se observaran al estar penetrando una sustancia, a la vez que son absorbidos en una serie de interacciones Compton y finalmente por la accin del efecto fotoelctrico. Las lneas claras fotones baja que del Compton. una finalmente absorbida la accin ms indican con energa resultan efecto Cada es por del

efecto fotoelctrico. Si se nos pidiera que le diramos un nombre a todos los fotones que resultan del efecto Compton, qu nombre sera el apropiado?, "radiacin secundaria" y "dispersin Compton", parecen ser apropiados. DISPERSION COMPTON es un nombre preciso para este tipo de radiacin electromagntica, mientras que "radiacin secundaria", incluye otros tipos de radiacin que resultan de la accin de un haz primario, por ejemplo, los electrones que son disparados durante el efecto fotoelctrico o efecto Compton. Existe otro trmino que es comnmente usado, radiacin dispersada. Este trmino tiene un significado muy amplio, y para el radigrafo incluye toda radiacin indeseable sin importarle el tipo o fuente. En todas nuestras discusiones, trataremos de ser tan especficos como sea posible nombrando a la radiacin como "primaria", esto es, parte del haz original; "secundaria" si queremos incluir todos los tipos de radiacin excepto la primaria; y "dispersin Compton" si estamos hablando acerca de los fotones que son dispersados como resultado del efecto Compton. Hablando prcticamente, un fotn de rayos-x no necesariamente se gastara a s mismo, ni tampoco sera totalmente absorbido en un material o medio. Aqu est un posible ciclo de fotones dispersados por el efecto Compton, originndose con un fotn de alta energa.

En este ejemplo usted puede ver que la energa es absorbida ms fcilmente por los materiales ms pesados y ms densos. Ahora vamos a complicar un poco las cosas.

Se ha preguntado usted acerca de todos aquellos electrones de alta velocidad que estn movindose en una y otra direccin como resultado del efecto fotoelctrico y el efecto Compton?. Piense en ello un momento. Cada fotn de rayos-x que es absorbido, ocasiona que por lo menos uno o probablemente muchos ms electrones de alta velocidad, sean disparados de los tomos. La energa cintica (energa de movimiento) de cada uno de estos electrones deber ser tambin absorbida en alguna forma. Las energas de los electrones pueden ser absorbidas de diversas maneras. Una de las ms comunes es a travs de la creacin de ms pares de iones. Un electrn de alta velocidad, choca contra un electrn de otro tomo y lo expulsa de su rbita. La energa del primer electrn se ha reducido (sta, ha sido compartida con el segundo electrn). Uno o ambos de estos electrones, puede repetir el proceso hasta que la cantidad de energa en cualesquiera de los electrones sea muy poca. Estos electrones de baja energa (iones negativos), eventualmente reaccionarn con tomos dentro de lo que se conoce como ocurrencias de "subionizacin". En otras palabras, los tomos no son ionizados. A los electrones orbitales se les provee de un pequeo exceso de energa, la cual stos eventualmente ceden en una forma de muy baja energa de radiacin electromagntica. Esta baja energa de radiacin electromagntica son rayos ultravioleta, luz y calor y las encontramos en el espectro electromagntico, el cual discutimos anteriormente en el captulo de Las Radiaciones. A medida que la longitud de onda aumenta (la energa 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 absorcin de los rayos-x y rayos gamma eventualmente se convierte en este tipo de radiacin de baja energa; las cantidades son tan pequeas en relacin a la masa total del material que realiza la absorcin, que los efectos del calor y la luz no seran percibidos por el radigrafo, a menos que utilice un equipo de laboratorio muy sensitivo. Una segunda forma comn en la cual la energa del electrn es absorbida, es mediante un proceso conocido como "bremsstrahlung", palabra de espanto verdad?. Esta es alemana y significa "rayos frenadores". El Bremsstrahlung es un fenmeno muy importante en radiografa. Es la base para la generacin de los rayos-x en un tubo de rayos-x. Esto lo discutiremos brevemente aqu, pero usted aprender ms sobre esto en otro captulo. Bremsstrahlung (rayos frenadores), qu significa esto?. Esto es exactamente lo que pasa en el bremsstrahlung. El electrn de alta velocidad es desacelerado o parado completamente por la fuerza positiva del campo de un ncleo atmico.

Mientras que el veloz electrn de 400 KeV mostrado en el ejemplo de arriba, se aproxima al ncleo, ste interacciona con el campo de fuerza del ncleo y es desacelerado. Este, abandona el tomo a una velocidad menor, y por lo tanto, con menor energa. En el caso ilustrado, ste pierda la mitad de su energa y se convierte en un electrn de 200 KeV. La energa que es absorbida en el campo de fuerza nuclear, constituye un exceso para las necesidades o demandas del tomo, por lo que sta es inmediatamente radiada en la forma de un rayo-x de energa equivalente. Si el electrn fuera detenido completamente, como puede suceder cuando este reacciona con un ncleo muy grande y pesado, el rayo-x radiado tendr una energa igual al total de la energa cintica del electrn. As, que como resultado del bremsstrahlung, tenemos otro rayos-x. Parece como si estuviramos exactamente donde empezamos.

La gran diferencia es, claro est, que la energa original del rayo-x ha sido dividida en varias energas menores, las cuales forman parte de las radiaciones secundarias. Los nuevos rayos-x y el electrn, reaccionarn de nuevo en forma similar para producir ms electrones de menor energa, as como rayos-x tambin de menor energa hasta que finalmente slo tengamos una masa de radiacin electromagntica con una gran longitud de onda (baja energa) y excitacin molecular (calor) situada fuera del espectro de rayos-x. Todo esto es muy complejo, y un anlisis completo desafiara an al experto. Una cosa es segura, sin embargo; la dispersin Compton y la radiacin secundaria en general, son un serio problema para el radigrafo. A menos que sea apropiadamente controlada, la radiacin secundaria nos puede imposibilitar el obtener una radiografa satisfactoria. Los mtodos de control y las consecuencias de no controlar la radiacin dispersada se vern en otro captulo. Mientras tanto, consideremos otro aspecto del proceso de absorcin de los rayos-x, la "capa de valor medio". Pero primero, aqu est una reafirmacin de un par de puntos que ya cubrimos anteriormente. Dijimos que los fotones de alta energa tenan ms capacidad de penetracin que los fotones de menor energa en promedio. Todos los fotones, an con la misma energa, no penetrarn un material dado a la misma profundidad.

Adems, mencionamos que la penetracin dependa tambin de la densidad (peso) del material que est siendo penetrado. Entre ms grande sea el nmero Z (ms denso), menor ser la penetracin. Pero volvamos a la capa de valor medio. La absorcin de energa 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 absorcin es progresivo y a medida que el haz penetra ms y ms profundamente, la energa adicional es absorbida a travs del efecto fotoelctrico o del efecto Compton. En un lugar bajo la superficie, hay un nivel en el cual la intensidad (nmero de rayos) de la radiacin 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. Qu le pasara a la capa de valor medio si usramos un haz compuesto de fotones de mayor energa en el mismo material?. La capa de valor medio se encontrara ms profunda en el material, debido a la mayor fuerza de penetracin de los fotones de alta energa. Aqu 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 energas del fotn de Ir-192 y Co-60 nunca cambian. Mentalmente grbese, el hecho de que no importa cual sea la intensidad (nmero de rayos) del haz original, 1/2 de los rayos sern siempre absorbidos a la misma profundidad si las energas del rayo son las mismas y el material absorbente es el mismo. Ahora, qu les pasara a las C.V.M. en los ejemplos mostrados arriba, si el material fuera cambiado de aluminio a plomo?. Estas estaran localizadas a una profundidad ms 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 centmetros (0.24 pulgadas), considerablemente menor que los 4.3 centmetros (1.7 pulgadas) para el aluminio. La C.V.M. para el Co-60 es de 1.2 centmetros (0.47 pulgadas) en el plomo en contra de los 6.6 centmetros (2.6 pulgadas) en el concreto o en el aluminio. Est bien?. Ahora piense sobre este punto un poco. Hemos dicho que en una capa de valor medio la intensidad de la radiacin es reducida a 1/2. Ahora, qu fraccin de la intensidad de la radiacin original persistir a una profundidad de dos capas de valor medio?. 1/4. La intensidad de la radiacin ser 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 istopos radiactivos que discutimos anteriormente en otro captulo. La capa de valor medio es una consideracin muy importante en la planeacin de la seguridad en la radiacin. Usted tendr ms informacin sobre esta materia en otro captulo. Aqu est un breve resumen de los puntos que hemos discutido en este captulo: Primero. Los rayos-x y rayos gamma, penetrarn a los materiales livianos ms eficientemente que a los materiales pesados (densos). Segundo. La radiacin x y gamma es absorbida al interactuar con la materia. Tercero. Estas interacciones empiezan con la ionizacin de los tomos en la materia. Cuarto. La ionizacin por medio de fotones (rayos-x y gamma), se lleva a cabo en dos formas bsicas: efecto fotoelctrico y efecto Compton. Quinto. El efecto fotoelctrico involucra rayos-x y rayos gamma de menor energa y origina una completa absorcin del fotn. Sexto. El efecto Compton involucra fotones de mayor energa y ocasiona la absorcin parcial de la energa del fotn. Sptimo. Los electrones dispersos obtenidos a partir de la ionizacin, producen una ionizacin adicional. Octavo. Los electrones dispersos pueden tambin convertirse en nuevos rayos-x de baja energa, conocidos como bremsstrahlung. Noveno. La "dispersin Compton", "radiacin secundaria" y "radiacin dispersada"; son trminos usados para describir los resultados de las interacciones de los rayos-x o rayos gamma. Dcimo. Todos los rayos-x y rayos gamma son eventualmente transformados en fotones de baja energa que caen fuera del espectro de los rayos-x o gamma. Undcimo. La "capa de valor medio", es la profundidad a la que la radiacin x o gamma debe penetrar un material para reducir la intensidad a 1/2 de la intensidad original.