Conceptos Fundamentales de la Radiación

Dosis Absorbida

Es la energía total absorbida por unidad de masa de un cuerpo. Se expresa como:

D_ab = E/m

Donde:

• D_ab: Dosis absorbida
• E: Energía absorbida
• m: Masa del cuerpo

Unidades:

• 1 Gray (Gy) = 1 Julio/Kg = 100 Rad

Dosis Equivalente

Es la dosis de radiación necesaria para ejercer un efecto biológico determinado. Se calcula como:

D_eq = D_ab x EBR

Donde:

• D_eq: Dosis equivalente
• D_ab: Dosis absorbida
• EBR: Eficacia Biológica Relativa

Unidades:

• 1 Sievert (Sv) = 1 Gray de 200 Kev = 100 Rem

Exposición

Es la carga eléctrica del mismo signo que es capaz de producir la radiación sobre un kilogramo de aire seco en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 20ºC).

Unidades:

• 1 Roentgen (R) = 2.58 x 10^-4 Culombios/Kg

Dosis Equivalente Efectiva

Para hacer un cómputo global del daño recibido, se utiliza la siguiente fórmula:

E = Σ_i (W_i x H_i)

Donde:

• E: Dosis equivalente efectiva
• W_i: Factor de ponderación del órgano i
• H_i: Dosis equivalente recibida por el órgano i

Unidad: Sievert (Sv)

Actividad

Es el número de desintegraciones que produce una muestra radiactiva. Se mide en Bequerelios (Bq).

Fluencia o Intensidad

Es el número de rayos que atraviesan una superficie perpendicular a ellos por unidad de superficie y unidad de tiempo. Se expresa en cuentas por minuto (CPM).

Kerma

Es la energía cinética de las partículas primarias formadas cuando la radiación interactúa con la materia.

Transferencia Lineal de Energía (LET)

Es la energía que cede un haz de radiación por unidad de camino recorrido. Cuanto mayor es el LET, menor es la penetración (a mayor LET, se cede más energía al medio y el haz pierde energía para penetrar).

Ionización Específica

Cantidad de pares de iones que se forman por unidad de camino recorrido.

Interacciones de la Radiación con la Materia

Efecto Fotoeléctrico

Cuando una radiación choca con un electrón de la corteza atómica, este electrón es arrancado, dejando un hueco. Esto provoca un salto de electrones de capas superiores a un nivel inferior. Este salto emite energía en forma de fotón (fotones de fluorescencia). Para arrancar el electrón, la energía de la radiación debe ser igual a la suma de la energía de ligadura y la energía cinética necesaria para lanzar el electrón.

E_f = E₁ + E₂

Proceso:

1. Arrancar el electrón.
2. Comunicar velocidad al electrón.
3. Aparición de fotones de fluorescencia.

Efecto Compton

Similar al efecto fotoeléctrico, pero se produce un exceso de energía que se emite en forma de fotón difundido.

E_f = E_fc + E₁ + E₂

Proceso:

1. Arrancar el electrón.
2. Comunicar velocidad al electrón, donde el exceso de energía se emite como fotón difundido.
3. Emisión de fotón de fluorescencia.

El fotón Compton es importante porque disminuye la nitidez de las radiografías.

Producción de Rayos X

En un tubo catódico, se hacen saltar electrones del cátodo al ánodo, generando rayos que atraviesan el cristal del tubo y cualquier objeto en su camino. Estos electrones chocan con el ánodo, produciendo los rayos X. Hay dos mecanismos principales:

1. Scattering (entre dos electrones)

Un electrón procedente del cátodo con gran velocidad choca con un electrón del ánodo, lanzándolo fuera y produciendo ionización. El hueco electrónico resultante es ocupado por un electrón de una capa más externa.

2. Bremsstrahlung (radiación de frenado)

El electrón atraviesa la capa electrónica acercándose al núcleo. Al ser cargas diferentes, se atraen, frenando el electrón y cambiando su dirección. La energía cinética del electrón se reduce, emitiéndose la diferencia en forma de radiación. Si el electrón pasa por el centro del núcleo, se frena completamente, generando una radiación de alta energía. Este fenómeno depende del parámetro de impacto nuclear (distancia entre la trayectoria del electrón y el núcleo), la sección eficaz (Z) y la energía del electrón incidente.

Ley de Duane-Hunt: Relaciona la pérdida total de energía y la intensidad de la radiación.

E_max = hV_max = hc/λ_min

λ_min = hc/E_max

λ_min = hc/eV

Donde hc/e = K, entonces λ_min = K/V, siendo K aproximadamente 12.34.

Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética cede energía a la materia produciendo vibraciones (ondas hertzianas, infrarrojos, visible y ultravioleta A) o arrancando electrones (ultravioleta B y C, rayos X y rayos gamma).

Ley General de Atenuación

Un haz de radiación con intensidad I_o, al interactuar con un prisma de grosor x, pierde intensidad debido a la absorción o dispersión. La radiación atenuada I_x será menor que I_o cuanto mayor sea el grosor del prisma.

I_o = I_x · e^(-μx)

Donde:

• I_o: Intensidad inicial de la radiación
• I_x: Intensidad atenuada
• e: Base logarítmica neperiana
• μ: Coeficiente de atenuación
• x: Grosor del prisma

Proceso Físico en un Tubo de Rayos X

En una ampolla de vidrio al vacío, hay dos elementos metálicos en los extremos: ánodo y cátodo. Se conectan a una diferencia de potencial elevada, haciendo que los electrones salten del cátodo de manera acelerada. Al chocar con el ánodo, se producen los rayos X, que salen por la zona sin carcasa de plomo.

Postulados de Bohr y Teoría Cuántica

Postulados de Bohr

1. Los electrones en su órbita no emiten energía.
2. No todas las órbitas son posibles, sino aquellas que cumplen con el momento angular del electrón.
3. Los electrones pueden saltar de unas órbitas a otras, emitiendo o absorbiendo energía al hacerlo (emiten cuando saltan a una órbita más interna).

Teoría de Planck

E = hv

Donde:

• E: Energía
• h: Constante de Planck
• v: Frecuencia

Radiación

Es la propagación de energía a través de los medios, ya sea en forma de ondas electromagnéticas o en forma de corpúsculos másicos subatómicos dotados de gran velocidad. Hay dos tipos:

1. En función de su naturaleza: Rayos X (RX), Ultravioleta (UVO) o corpusculares (alfa, beta, etc.).
2. En función de su interacción con los cuerpos: ionizantes (arrancan electrones y forman iones, dañando el ADN) y no ionizantes (no arrancan electrones, aumentan la temperatura).

Parámetros de Ondas Electromagnéticas

• Amplitud: Máximo valor del campo eléctrico o magnético.
• Frecuencia (ν o s): Número de oscilaciones de la onda en la unidad de tiempo.
• Periodo (T): Tiempo que tarda la onda en dar una oscilación completa.
• Longitud de onda (λ): Distancia más próxima entre dos puntos que se encuentran en fase.

Relaciones:

• ν = 1/T
• λ = vT
• λ = v/ν

Teoría Cuántica

La luz que produce un cuerpo negro no es un fenómeno continuo, sino que viene en paquetes llamados fotones. La luz es un fenómeno de propagación de energía mediante ondas electromagnéticas, cuya energía no se encuentra uniformemente distribuida en el espacio, sino concentrada en pequeños paquetes llamados fotones, cuya energía es:

E = h · ν

Leyes de Stephan-Boltzmann y Wien

Ley de Stephan-Boltzmann

Todo cuerpo con temperatura mayor a 0 K emite una cantidad de energía radiante proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

W = e · T⁴

Donde:

• W: Energía emitida
• e: Constante de Stephan-Boltzmann
• T: Temperatura absoluta en Kelvin

Ley de Wien

El producto de la longitud de onda de máxima emisión por la temperatura en Kelvin es una constante (298 mºK).