Dosimetría de radiación

Teoría de la conversión interna

La conversión interna es un proceso electromagnético, por el cual un estado excitado nuclear decae por la emisión directa de uno de sus electrones atómicos . La conversión interna compite con la emisión gamma , pero en este caso los campos multipolares electromagnéticos del núcleo no producen la emisión de un rayo gamma, sino que los campos interactúan directamente con los electrones atómicos. A diferencia de la desintegración beta , que se rige por una fuerza débil , el electrón se emite desde el átomo radiactivo, pero no desde el núcleo. Por esta razón, la conversión interna es posible siempre que sea posible la desintegración gamma, excepto en el caso en que el átomo esté completamente ionizado.

En el modelo mecánico cuántico del electrón, existe una probabilidad finita de encontrar el electrón dentro del núcleo. Durante el proceso de conversión interna, se dice que la función de onda del electrón de capa K (electrón de capa interna) penetra el volumen del núcleo atómico. Tenga en cuenta que los radios nucleares típicos son del orden de ^10-14 m. En este caso, el electrón puede acoplarse a un núcleo excitado y tomar la energía de la transición nuclear directamente, sin un rayo gamma intermedio . Por lo tanto, la mayoría de los electrones de conversión interna(ICE) provienen de la capa K, ya que estos electrones tienen la mayor probabilidad de estar dentro del núcleo. Sin embargo, los estados s en las capas L, M y N también pueden acoplarse a los campos nucleares y causar expulsiones de ICE de esas capas.

La energía del electrón de conversión interna (ICE) es la energía de _transición , _transición E , menos la energía de unión del electrón orbital, E _b.e. , como:

Por ejemplo, ²⁰³ Hg es un nucleido radioactivo beta, que produce un espectro beta continuo con una energía máxima de 214 keV. Esta desintegración produce un estado excitado del núcleo hija ²⁰³ T1, que luego se desintegra muy rápidamente (~ ^10-10 s) a su estado fundamental emitiendo un rayo gamma de energía 279.2 keV o un electrón de conversión interno . Si analizamos un espectro de partículas beta, podemos ver el espectro continuo típico de partículas beta, así como picos estrechos a energías específicas . Estos picos son producidos por electrones de conversión interna (ICE). Desde la energía de unión de los electrones K en ²⁰³Tl asciende a 85,5 keV, la línea K tiene una energía de:

T _e (K) = 279.2 – 85.5 = 194 keV

Debido a las menores energías de unión, las líneas L y M tienen energías más altas. Dado que el proceso de conversión interna puede interactuar con cualquiera de los electrones orbitales, el resultado es un espectro de electrones de conversión interna que se verá superpuesto al espectro de energía electrónica de la emisión beta. Estas intensidades relativas de estos picos de ICE pueden proporcionar información sobre el carácter multipolar eléctrico del núcleo y sobre el proceso de descomposición.

Referencia especial: Kenneth S. Krane. Introducción a la física nuclear, tercera edición, Wiley, 1987, ISBN 978-0471805533

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Conversión interna

La conversión interna es un proceso electromagnético, por el cual un estado excitado nuclear decae por la emisión directa de uno de sus electrones atómicos . La conversión interna compite con la emisión gamma , pero en este caso los campos multipolares electromagnéticos del núcleo no producen la emisión de un rayo gamma, sino que los campos interactúan directamente con los electrones atómicos. A diferencia de la desintegración beta , que se rige por una fuerza débil , el electrón se emite desde el átomo radiactivo, pero no desde el núcleo. Por esta razón, la conversión interna es posible siempre que sea posible la desintegración gamma, excepto en el caso en que el átomo esté completamente ionizado.

Tenga en cuenta que los electrones de alta energía resultantes de la conversión interna no se denominan partículas beta, ya que estas últimas provienen de la desintegración beta, donde se crean recientemente en el proceso de desintegración nuclear.

Como se puede ver, si un núcleo se desintegra a través de la conversión interna , los números atómicos y en masa del núcleo hijo siguen siendo los mismos, pero el núcleo hijo formará un estado de energía diferente del mismo elemento. Esto es muy similar a la desintegración gamma, pero en este caso, no se emiten rayos gamma desde un núcleo excitado.

Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía de los electrones del cual proviene el electrón, los electrones externos del átomo caen en cascada para llenar los niveles atómicos más bajos, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . A veces, los rayos X pueden interactuar con otro electrón orbital, que puede ser expulsado del átomo. Este segundo electrón expulsado se llama un electrón Auger . Esto es muy similar a la captura de electrones , pero en caso de captura de electrones, un núcleo cambia su número atómico. Como resultado, el átomo emite electrones primarios de alta energía, rayos X característicos o electrones Auger secundarios, ninguno de los cuales se origina en ese núcleo.

Teoría de la conversión interna

En el modelo mecánico cuántico del electrón, existe una probabilidad finita de encontrar el electrón dentro del núcleo. Durante el proceso de conversión interna, se dice que la función de onda del electrón de capa K (electrón de capa interna) penetra el volumen del núcleo atómico. Tenga en cuenta que los radios nucleares típicos son del orden de ^10-14 m. En este caso, el electrón puede acoplarse a un núcleo excitado y tomar la energía de la transición nuclear directamente, sin un rayo gamma intermedio . Por lo tanto, la mayoría de los electrones de conversión interna(ICE) provienen de la capa K, ya que estos electrones tienen la mayor probabilidad de estar dentro del núcleo. Sin embargo, los estados s en las capas L, M y N también pueden acoplarse a los campos nucleares y causar expulsiones de ICE de esas capas.

La energía del electrón de conversión interna (ICE) es la energía de _transición , _transición E , menos la energía de unión del electrón orbital, E _b.e. , como:

Por ejemplo, ²⁰³ Hg es un nucleido radioactivo beta, que produce un espectro beta continuo con una energía máxima de 214 keV. Esta desintegración produce un estado excitado del núcleo hija ²⁰³ T1, que luego se desintegra muy rápidamente (~ ^10-10 s) a su estado fundamental emitiendo un rayo gamma de energía 279.2 keV o un electrón de conversión interno . Si analizamos un espectro de partículas beta, podemos ver el espectro continuo típico de partículas beta, así como picos estrechos a energías específicas . Estos picos son producidos por electrones de conversión interna (ICE). Desde la energía de unión de los electrones K en ²⁰³Tl asciende a 85,5 keV, la línea K tiene una energía de:

T _e (K) = 279.2 – 85.5 = 194 keV

Debido a las menores energías de unión, las líneas L y M tienen energías más altas. Dado que el proceso de conversión interna puede interactuar con cualquiera de los electrones orbitales, el resultado es un espectro de electrones de conversión interna que se verá superpuesto al espectro de energía electrónica de la emisión beta. Estas intensidades relativas de estos picos de ICE pueden proporcionar información sobre el carácter multipolar eléctrico del núcleo y sobre el proceso de descomposición.

La desintegración gamma o la desintegración γ representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de rayos gamma (fotones de alta energía). Esta transición ( desintegración γ ) puede caracterizarse como:

Como se puede ver, si un núcleo emite un rayo gamma, los números atómicos y en masa del núcleo hijo siguen siendo los mismos, pero el núcleo hijo formará un estado de energía diferente del mismo elemento. Tenga en cuenta que los nucleidos con igual número de protones e igual número de masa (haciéndolos, por definición, el mismo isótopo), pero en un estado de energía diferente se conocen como isómeros nucleares. Por lo general, indicamos isómeros con un superíndice m, por lo tanto: ^241m Am o ^110m Ag.

Transición Isomérica

En ciertos casos, el estado nuclear excitado que sigue a la emisión de una partícula beta u otro tipo de excitación puede permanecer en estado metaestable durante mucho tiempo (horas, días y, a veces, mucho más tiempo) antes de sufrir una desintegración gamma, en la que emitir un rayo gamma. Estos núcleos excitados de larga vida se conocen como estados isoméricos (o isómeros ) y sus desintegraciones se denominan transiciones isoméricas . El proceso de transición isomérica es, por lo tanto, similar a cualquier emisión de rayos gamma, pero difiere en que involucra los estados excitados metaestables intermedios de los núcleos.

Los núcleos metaestables a menudo se caracterizan por un alto giro nuclear, que requiere un cambio en el giro de varias unidades o más con la desintegración gamma, en lugar de una transición de una sola unidad que ocurre en solo ^10-12 segundos. La tasa de desintegración gamma también se reduce cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña. Un ejemplo es la descomposición del isómero o el estado metaestable del protactinio:

Los núcleos extremadamente inestables que se descomponen tan pronto como se forman en reacciones nucleares (vida media inferior a ^10-11 s) generalmente no se clasifican como isómeros nucleares. Las transiciones isoméricas deben ocurrir por transiciones multipolares de orden superior (en contraste con la emisión gamma que ocurre por la radiación dipolo) que ocurren en una escala de tiempo más larga.

La desintegración gamma o la desintegración γ representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de rayos gamma (fotones de alta energía). Esta transición ( desintegración γ ) puede caracterizarse como:

Como se puede ver, si un núcleo emite un rayo gamma, los números atómicos y en masa del núcleo hijo siguen siendo los mismos, pero el núcleo hijo formará un estado de energía diferente del mismo elemento. Tenga en cuenta que los nucleidos con igual número de protones e igual número de masa (haciéndolos, por definición, el mismo isótopo), pero en un estado de energía diferente se conocen como isómeros nucleares. Por lo general, indicamos isómeros con un superíndice m, por lo tanto: ^241m Am o ^110m Ag.

En la mayoría de las fuentes prácticas de laboratorio, los estados nucleares excitados se crean en la desintegración de un radionúclido original, por lo tanto, una desintegración gamma generalmente acompaña a otras formas de desintegración , como la desintegración alfa o beta. Típicamente después de una desintegración beta (transición isobárica), los núcleos generalmente contienen demasiada energía para estar en su estado estable o secundario final.

Los rayos gamma son fotones de alta energía con longitudes de onda muy cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. Los rayos gamma de la desintegración radiactiva están en el rango de energía de unos pocos keV a ~ 8 MeV, que corresponden a los niveles de energía típicos en los núcleos con vidas razonablemente largas. Como se escribió, se producen por la descomposición de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo. Dado que los rayos gamma son en sustancia solo fotones de muy alta energía, son materia muy penetrante y, por lo tanto, biológicamente peligrosos. Los rayos gamma pueden viajar miles de pies en el aire y pueden pasar fácilmente a través del cuerpo humano.

A diferencia de la radiactividad alfa y beta , la radioactividad gamma se rige por una interacción electromagnética en lugar de una interacción débil o fuerte . Al igual que en las transiciones atómicas, el fotón se lleva al menos una unidad de momento angular (el fotón, descrito por el campo electromagnético del vector, tiene un momento angular de giro de and), y el proceso conserva la paridad .

Rápida Decadencia Gamma

Como se escribió, la desintegración gamma puede seguir reacciones nucleares como la captura de neutrones , la fusión nuclear o la fisión nuclear . La mayoría de las reacciones nucleares producen núcleos extremadamente inestables que se descomponen tan pronto como se forman en reacciones nucleares (vida media inferior a ^10-11 s) y generalmente no se clasifican como isómeros nucleares. Además, estos núcleos generalmente producen una cascada de rayos gamma y la cascada de rayos gamma concluye cuando se libera todo el exceso de energía del núcleo excitado.

Por ejemplo, después de una fisión nuclear, se emiten rayos gamma a partir de fragmentos de fisión. La mayoría de los rayos gamma rápidos se emiten después de los neutrones rápidos. La reacción de fisión libera aproximadamente ~ 7 MeV en rayos gamma rápidos y ~ 7 MeV adicionales (para 235U ) en rayos gamma retardados. Esta es una porción significativa de energía (~ 7% de la energía de fisión liberada) y debe considerarse en muchos campos de diseño de reactores

Transición Isomérica

En ciertos casos, el estado nuclear excitado que sigue a la emisión de una partícula beta u otro tipo de excitación puede permanecer en estado metaestable durante mucho tiempo (horas, días y, a veces, mucho más tiempo) antes de sufrir una desintegración gamma, en la que emitir un rayo gamma. Estos núcleos excitados de larga vida se conocen como estados isoméricos (o isómeros ) y sus desintegraciones se denominan transiciones isoméricas . El proceso de transición isomérica es, por lo tanto, similar a cualquier emisión gamma, pero difiere en que involucra el estado o estados excitados metaestables intermedios de los núcleos.

Los núcleos metaestables a menudo se caracterizan por un alto giro nuclear, que requiere un cambio en el giro de varias unidades o más con la desintegración gamma, en lugar de una transición de una sola unidad que ocurre en solo ^10-12 segundos. La tasa de desintegración gamma también se ralentiza cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña. Un ejemplo es la descomposición del isómero o el estado metaestable del protactinio:

Los núcleos extremadamente inestables que se descomponen tan pronto como se forman en reacciones nucleares (vida media inferior a ^10-11 s) generalmente no se clasifican como isómeros nucleares. Las transiciones isoméricas deben ocurrir por transiciones multipolares de orden superior (en contraste con la emisión gamma que ocurre por la radiación dipolo) que ocurren en una escala de tiempo más larga.

Absorción fotoeléctrica de rayos X

En el efecto fotoeléctrico, un fotón experimenta una interacción con un electrón que está unido a un átomo. En esta interacción, el fotón incidente desaparece por completo y el átomo expulsa un fotoelectrón energético de una de sus capas unidas . La energía cinética del fotoelectrón expulsado (E _e ) es igual a la energía del fotón incidente (hν) menos la energía de unión del fotoelectrón en su capa original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Por lo tanto, los fotoelectrones solo son emitidos por el efecto fotoeléctrico si el fotón alcanza o excede un umbral de energía , la energía de unión del electrón, la función de trabajo del material. Para rayos X muy altos con energías de más de cientos keV, el fotoelectrón se lleva la mayor parte de la energía fotónica incidente – hν.

A valores pequeños de energía de rayos gamma domina el efecto fotoeléctrico . El mecanismo también se mejora para materiales de alto número atómico Z. No es simple derivar la expresión analítica para la probabilidad de absorción fotoeléctrica de rayos gamma por átomo en todos los rangos de energías de rayos gamma. La probabilidad de absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoeléctrico)} = constante x Z ^N / E ^3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La proporcionalidad a las potencias superiores del número atómico Z es la razón principal para el uso de materiales con alto contenido de Z, como plomo o uranio empobrecido en escudos de rayos gamma.

Aunque la probabilidad de la absorción fotoeléctrica del fotón disminuye, en general, con el aumento de la energía del fotón, hay discontinuidades agudas en la curva de la sección transversal. Estos se llaman «bordes de absorción»y corresponden a las energías de unión de los electrones de las capas unidas a los átomos. Para los fotones con la energía justo por encima del borde, la energía del fotón es suficiente para experimentar la interacción fotoeléctrica con el electrón de la capa unida, digamos K-shell. La probabilidad de tal interacción es justo por encima de este borde, mucho mayor que la de los fotones de energía ligeramente por debajo de este borde. Para los fotones por debajo de este borde, la interacción con el electrón de la capa K es energéticamente imposible y, por lo tanto, la probabilidad cae abruptamente. Estos bordes se producen también en las energías de unión de los electrones de otras capas (L, M, N … ..).

Interacción de rayos X con materia

Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia. La fuerza de estas interacciones depende de la energía de los rayos X y la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía del fotón de rayos X es mucho mayor que las energías de unión química. La absorción fotoeléctrica domina a bajas energías de rayos X, mientras que la dispersión de Compton domina a energías más altas.

• Absorción fotoeléctrica
• Dispersión de Compton
• la dispersión de Rayleigh

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es el parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías de las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, a través de la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0.01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondiente a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y típicamente más largas que las de los rayos gamma.

Espectro de rayos X: característico y continuo

Para los rayos X generados por el tubo de rayos X, la parte de la energía que se transforma en radiación varía desde cero hasta la energía máxima del electrón cuando golpea el ánodo. La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga de electrones, por lo que un tubo de 100 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 100 keV. Cuando los electrones alcanzan el objetivo, los rayos X son creados por dos procesos atómicos diferentes:

• Bremsstrahlung . El bremsstrahlung es la radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de un electrón cuando es desviada por fuertes campos electromagnéticos de núcleos de alta Z (número de protones) objetivo. El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es ‘radiación de frenado’ . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía. El bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos) Estos rayos X tienen un espectro continuo. La intensidad de los rayos X aumenta linealmente con la frecuencia decreciente, desde cero a la energía de los electrones incidentes, el voltaje en el tubo de rayos X. Cambiar el material del que está hecho el objetivo en el tubo no tiene ningún efecto sobre el espectro de esta radiación continua. Si tuviéramos que cambiar de un objetivo de molibdeno a un objetivo de cobre, por ejemplo, todas las características del espectro de rayos X cambiarían, excepto la longitud de onda de corte.
• Emisión característica de rayos X. Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa interna de electrones de un átomo de metal. Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía de los electrones del cual proviene el electrón, los electrones externos del átomo caen en cascada para llenar los niveles atómicos más bajos, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . Como resultado, aparecen picos de intensidad bruscos en el espectro a longitudes de onda que son características del material del que está hecho el objetivo anódico. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr.

Kerma es una medida de energía cinética transferida de la radiación a la materia. Es un acrónimo de “ k inetic e nergy r eleased por unidad ma ss”. Kerma recibe el símbolo K y se mide por la unidad SI, el gris . Esta unidad fue nombrada en honor a  Louis Harold Gray , quien fue uno de los grandes pioneros en biología de la radiación. Kerma se define por la fórmula:

Kerma está relacionado, pero no es lo mismo que la dosis absorbida . La dosis absorbida se define como la cantidad de energía depositada por la radiación ionizante en una sustancia. Kerma se define como la suma de las energías cinéticas iniciales de todas las partículas cargadas liberadas por la radiación ionizante sin carga en una sustancia. A bajas energías, el kerma equivale aproximadamente a la dosis absorbida, ya que la mayoría de las energías cinéticas iniciales de todas las partículas cargadas depositan su energía en la muestra. A energías más altas, el kerma es más grande que la dosis absorbida porque escapan algunos electrones secundarios y rayos X altamente energéticosLa región de interés antes de depositar su energía. La energía de escape se cuenta en kerma, pero no en dosis absorbida. Tenga en cuenta que hay tres mecanismos clave de interacción de los rayos gamma con la materia.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• Producción en pareja

Kerma  medido en la industria (excepto la medicina nuclear) a menudo tiene dosis más bajas que un gris, y a menudo se usan los siguientes múltiplos:

1 mGy (miligramo) = 1E-3 Gy

1 µGy (microgray) = 1E-6 Gy

La dosis absorbida se define como la cantidad de energía depositada por la radiación ionizante en una sustancia. La dosis absorbida se da el símbolo D . El rad (una abreviatura de R adiation A bsorbed D ose) es la unidad no SI de la dosis absorbida. La dosis absorbida también se mide en una unidad llamada gray (Gy), que se deriva del sistema SI. La unidad no SI rad se utiliza predominantemente en el EE.UU..

Unidades de dosis absorbida:

• Gris. Una dosis de un gray es equivalente a una unidad de energía (julio) depositada en un kilogramo de una sustancia.
• RAD. Una dosis de un rad es equivalente a la deposición de cien ergios de energía en un gramo de cualquier material.

RAD – Unidad de dosis absorbida

Una dosis de un rad es equivalente a la deposición de cien ergios de energía en un gramo de cualquier material. Tenga en cuenta que, el erg es una unidad de energía y trabajo igual a 10 ⁻⁷ julios. Una unidad relacionada, el roentgen, se utiliza para cuantificar la exposición a la radiación. El factor F se puede usar para convertir entre rads y roentgens.

Un rad es una dosis significativamente menor que un gris, que es una gran cantidad de dosis absorbida. Una persona que ha absorbido una dosis de 100 rad en todo el cuerpo ha absorbido un julio de energía en cada kg de tejido corporal (es decir, 1 Gy). Las dosis absorbidas medidas en la industria (excepto la medicina nuclear) a menudo tienen dosis comparables a un rad y a menudo se usan los siguientes múltiplos:

1 mrad (milirad) = 1E-3 rad

1 krad (kilorad) = 1E3 rad

Las conversiones de las unidades SI a otras unidades son las siguientes:

• 1 Gy = 100 rad
• 1 mGy = 100 mrad

El gray y el rad son unidades físicas. Describen el efecto físico de la radiación incidente (es decir, la cantidad de energía depositada por kg), pero no nos dice nada sobre las consecuencias biológicas de dicha deposición de energía en el tejido vivo.

Gris – Unidad de dosis absorbida

Una dosis de un gris es equivalente a una unidad de energía (julio) depositada en un kilogramo de una sustancia. Esta unidad fue nombrada en honor de Louis Harold Gray , quien fue uno de los grandes pioneros en biología de la radiación. Un gray es una gran cantidad de dosis absorbida. Una persona que ha absorbido una dosis de 1 Gy en todo el cuerpo ha absorbido un julio de energía en cada kg de tejido corporal.

Las dosis absorbidas medidas en la industria (excepto la medicina nuclear) a menudo tienen dosis más bajas que un gris, y a menudo se usan los siguientes múltiplos:

1 mGy (miligramo) = 1E-3 Gy

1 µGy (microgray) = 1E-6 Gy

Gris – Unidad de dosis absorbida

Una dosis de un gris es equivalente a una unidad de energía (julio) depositada en un kilogramo de una sustancia. Esta unidad fue nombrada en honor a Louis Harold Gray , quien fue uno de los grandes pioneros en biología de la radiación. Un gray es una gran cantidad de dosis absorbida. Una persona que ha absorbido una dosis de 1 Gy en todo el cuerpo ha absorbido un julio de energía en cada kg de tejido corporal.

Ejemplos de dosis absorbidas en grises

RAD – Unidad de dosis absorbida

Una dosis de un rad es equivalente a la deposición de cien ergios de energía en un gramo de cualquier material. Tenga en cuenta que, el erg es una unidad de energía y trabajo igual a 10 ⁻⁷ julios. Una unidad relacionada, el roentgen, se utiliza para cuantificar la exposición a la radiación. El factor F se puede usar para convertir entre rads y roentgens.

Ejemplos de dosis absorbidas en rads