Interaccion De Fotones Con La Materia

INTERACCIÓN DE LOS FOTONES CON LA MATERIA

Introducción
Los fotones son corpúsculos que suponen un transporte de energía radiante, los mismos pueden excitar los electrones de los átomos haciéndolos saltar a órbitas superiores, incluso, pueden provocar la ionización de los átomos. Así, parte de la energía de los fotones incidentes se utiliza para comunicar energía cinética a los electrones del material.
Supongamos un haz de fotones monoenergéticos (con una misma energía) que incide sobre un material con un espesor determinado y midamos la cantidad de fotones que, atravesando dicho material, llegan a un detector. Puede suceder que:

• Los fotones continúen su camino, atraviesen el material y lleguen al detector sin
sufrir ninguna interacción.
• Los fotones interaccionen con el medio, cedan toda su energía al material y no se
produzca la llegada de fotones al detector.
• En la interacción, los fotones cedan sólo parte de su energía y, tras el choque, varíen su dirección. En este caso, en el detector se observa una disminución en el número de fotones medidos. A este fenómeno lo denominamos atenuación (figura 1).
La atenuación se produce como resultado de los procesos de absorción y dispersión de los fotones.

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Figura 1. Interacción de los fotones con la materia

Interacción entre los fotones y la materia
Los procesos de interacción de los fotones con la materia dependen:

- De la energía de la radiación incidente.
- Del tipo de material sobre el que incide la radiación.

Los fotones son radiaciones indirectamente ionizantes, ya que en su interacción con la materia provocan ionizaciones. Solamente los fotones absorbidos ceden su energía al medio.
Otros fotones, al interaccionar con el medio, son desviados de su trayectoria pero no ceden energía en esta interacción, sino que sólo se dispersan.
Los principales procesos en los que el fotón cede su energía al interaccionar con la materia son:

1. Absorción por aniquilación o efecto fotoeléctrico

El fotón incidente puede colisionar con algunos de los electrones de las capas más internas del átomo, las más próximas al núcleo, cediéndole toda su energía y provocando la expulsión de dicho electrón (figura 2).

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Figura 2. Interacción fotoeléctrica.

El efecto fotoeléctrico consiste en una interacción de absorción de la totalidad de la energía del fotón. En el choque el fotón desaparece y toda su energía se emplea en arrancar (E de ligadura) y desplazar (E cinética) el electrón de su órbita atómica.
Parte de la energía del fotón incidente (hν) se utiliza en vencer la energía de ligadura del electrón a su nivel correspondiente, por lo que la energía del fotón ha de tener un valor mínimo por debajo del cual el fenómeno no es posible.

Efotón incidente =Eligadura e-+Ecinética e-

Al arrancar el electrón se crea un hueco en su órbita, que será ocupado por otro electrón de una órbita superior, y así sucesivamente. Esta desexcitación en fases consecutivas supone la liberación del exceso de energía. Esta radiación puede ser emitida en todas las direcciones y generar la radiación difusa, o bien ser absorbida de nuevo por otras estructuras del medio.
En el efecto fotoeléctrico un fotón cede toda su energía a un electrón y desaparece. Se dice que ha sido absorbido.
La probabilidad de que un haz de rayos X sufra una atenuación por efecto fotoeléctrico depende de la energía de la radiación incidente y del número atómico Z del medio. Esta probabilidad es inversamente proporcional a la tercera potencia de la energía (P = 1 / E3) y directamente proporcional a la tercera potencia del Z del medio (P= Z3) sobre el que incide la radiación, según se observa en la figura 3.

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Figura 3. Probabilidad de interacci6n por efecto fotoeléctrico en función de Z (El efecto fotoeléctrico prevalece sobre los demás hasta 25 keV y se hace despreciable para energías mayores de 100 keV)

2. Absorción por difusión o efecto Compton

Los rayos X incluidos en el intervalo del radiodiagnóstico pueden interaccionar con los electrones de las capas externas del átomo. En esta interacción el fotón se dispersa, reduce su energía y provoca la ionización del átomo, según se observa en la figura 4.

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Figura 4. Interacción Compton.

Como resultado de este proceso, obtendremos:
-Un electrón que sale con una determinada velocidad (y, por tanto, con una energía cinética Ec) cuyo alcance depende de la energía E, del fotón incidente.
-El fotón dispersado que se genera prosigue tras el choque con menor energía que la del
fotón incidente.
Estableciendo un balance de energía, la energía del fotón disperso E2 será igual a la diferencia entre la energía E, del fotón incidente y la energía que hay suministrar al electrón para arrancarlo de su órbita atómica, y comunicarle una cierta velocidad como la energía cinética que lleva.

E1 (fotón incidente)= E2 (fotón dispersado)+ E cinéticae-+ E ligadurae-

h ν1= h ν2+ E cinéticae-+ E ligadurae-

Tanto el electrón emergente como el fotón disperso forman un cierto ángulo con relación a la trayectoria del fotón incidente.
Este electrón, generado por el efecto Compton, producirá a su vez ionizaciones secundarias.
A bajas energías, la probabilidad de aparición del efecto Compton es pequeña, pero hacia los 35 KeV empieza ya a ser notable. La probabilidad de interacción por efecto Compton es inversamente proporcional a la energía de la radiación (P= 1/E) y no depende del tipo de material sobre el que incide la radiación, es decir, no depende del número atómico Z, según se observa en la figura5.

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Figura 5. Probabilidad de interacci6n por efecto Compton en función de Z

3. Absorción por formación de pares

Ocurre cuando el fotón incidente tiene una energía muy elevada y, al pasar por las proximidades del núcleo atómico, dicho fotón desaparece y se crea un par electrón-positrón (figura 6). Este proceso se da a energías superiores a 1,02 MeV, que son muy superiores a las utilizadas en radiodiagnóstico.

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Figura 6. Formación de pares