Fenómenos de Interacción de Fotones con la Materia

Efecto Fotoeléctrico

Consiste en la absorción completa de la **energía (E)** del **fotón incidente** por el átomo, de tal forma que dicha energía es completamente transferida a un **electrón (e-)**, el cual resulta expulsado de su órbita, abandonando el átomo. Este electrón así expulsado recibe el nombre de **fotoelectrón**.

Para que se produzca este efecto se requiere que la **energía del fotón incidente** sea **mayor o igual** que la **energía de enlace (W)** del electrón expulsado. El resto de la energía se utiliza en comunicar velocidad a este electrón.

• Cuando el fotoelectrón procede de una capa interna, se produce una reorganización de los electrones de la corteza, lo que resulta en la emisión de **radiación característica** o **electrones Auger** (como se explicó en la Sección 8.1).

La probabilidad de que se produzca el efecto fotoeléctrico es directamente proporcional a $Z^3$ e inversamente proporcional a $E^3$. Por lo tanto, para un material dado, se observa una rápida disminución de este efecto al aumentar la energía de los fotones incidentes, excepto en aquellas energías que se corresponden con las energías de enlace de los electrones, donde se produce un **aumento brusco** del mismo.

Efecto Compton

En este proceso, el fotón incidente interacciona con un electrón (normalmente perteneciente a una capa externa del átomo), al cual transfiere una cierta energía, arrancándolo del átomo. El resto de la energía aparece como un **fotón disperso**.

El ángulo que forma la trayectoria del fotón disperso con la dirección del fotón incidente puede variar entre $0^{\circ}$ y $180^{\circ}$ y recibe el nombre de **ángulo de dispersión (scattering)**.

La energía del fotón disperso ($E’$) está relacionada con la energía del fotón incidente ($E$) mediante la siguiente relación: [Insertar fórmula de dispersión de Compton aquí, asumiendo que el texto original la omitió o estaba implícita]. Tanto $E’$ como $E$ están expresados en keV.

Por otro lado, la energía del electrón expulsado ($E_e$, electrón de rechazo) viene dada por la expresión: $E_e = E – E’$, despreciando la energía de ligadura del electrón, pues al ser de una capa externa es muy pequeña comparada con $E$.

La probabilidad de producción del efecto Compton es proporcional al número atómico ($Z$) del material e inversamente proporcional a la energía del fotón incidente ($E$).

Formación de Pares

Consiste en la desaparición del fotón incidente con la aparición de un **electrón ($e^-$)** y un **positrón ($e^+$)**, como consecuencia de la interacción del fotón con el **núcleo atómico**.

En este proceso se produce la conversión entre **energía y masa**, con la aparición de un electrón y un positrón.

Requisitos y Consecuencias

1. Para que se pueda producir, se requiere que el fotón incidente tenga una energía ($E$) **mayor a 1.02 MeV**, que es el doble de la energía correspondiente a la masa del electrón en reposo.
2. El exceso de energía sobre dicho valor se utiliza para comunicar energía cinética a las dos partículas.
3. Posteriormente, tanto el electrón como el positrón ceden su energía mediante procesos de interacción de partículas cargadas con la materia.
4. El electrón queda absorbido en el medio, mientras que el positrón finaliza su existencia combinándose con un electrón, produciéndose una **reacción de aniquilación** de la que resultan **dos fotones** de **0.511 MeV** emitidos en sentidos opuestos.

Tipos de Desintegración Nuclear

Desintegración Alfa ($\alpha$)

Este tipo de desintegración del núcleo emite una **radiación corpuscular**. Cada corpúsculo está formado por **dos protones y dos neutrones** (un núcleo de Helio). Este tipo de emisión radiactiva es característica de los **núcleos pesados**, generalmente con $A > 140$.

Desintegración Beta Negativa ($\beta^-$)

El protón y el neutrón son estados de una misma partícula. Un **neutrón** puede desintegrarse en un **protón** y un **electrón ($e^-$)**. De este modo, los núcleos inestables por un exceso de neutrones pueden transformar estos en protones que permanecerán en el núcleo, pero que a su vez emitirán un electrón.

Desintegración Beta Positiva ($\beta^+$)

En núcleos inestables por una deficiencia de neutrones o una sobreabundancia relativa de protones, se produce una transformación de **protón en un neutrón**, el cual permanece en el núcleo, y un **positrón ($e^+$)** que es emitido (el positrón es la antipartícula del electrón).

Este positrón colisiona rápidamente con su antipartícula, desapareciendo ambas en la reacción de aniquilación, de la que resultan **dos fotones de 511 keV** emitidos en la misma dirección y sentidos opuestos.

Desintegración por Captura Electrónica

El núcleo absorbe un electrón situado en uno de los orbitales más internos del átomo. Este electrón se combina con un protón nuclear generando un **neutrón** que permanece en el núcleo, y se emite un **neutrino**.

El hueco dejado por el electrón es ocupado por otro electrón de una órbita más externa, emitiéndose una **radiación electromagnética de alta energía**.

Desintegración por Transición Isomérica

Se produce cuando los radionúclidos se encuentran en un nivel energético superior al normal o estado estable. La transición isomérica ocurre cuando un núcleo pasa de un **estado excitado a otro de menor energía** emitiendo **radiación gamma ($\gamma$)**.

Desintegración por Emisión de Neutrones

Se caracteriza por la emisión nuclear de **neutrones**.

Radiaciones Corpusculares o Particuladas

Están compuestas por partículas subatómicas que viajan a gran velocidad transmitiendo su energía cinética. Este grupo está formado por:

Componentes Principales

• **Radiación Alfa ($\alpha$):** Compuesta por **núcleos de Helio** ($^4_2\text{He}$).
• **Radiación Beta Negativa ($\beta^-$):** Compuesta por **electrones** ($e^-$).
• **Radiación Positrónica ($\beta^+$):** Formada por **positrones** o electrones positivos ($e^+$).
• **Emisión Neutrónica:** Compuesta por **neutrones** ($n$).

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