Interacción de la Radiación Ionizante con la Materia

La manifestación principal de la interacción de la radiación ionizante con la materia es la ionización, es decir, la creación de iones positivos o negativos. Otra manifestación importante es la excitación del átomo. La excitación ocurre cuando un electrón salta a una órbita o nivel de energía superior, para después volver a su órbita original, emitiendo energía en el transcurso del proceso.

1 Interacción de las Radiaciones Alfa con la Materia

Las partículas alfa, al chocar con la materia, pierden gradualmente su energía ionizando los átomos y se frenan muy rápidamente. Por esta razón, quedan detenidas con tan solo unos centímetros de aire o unas milésimas de milímetro de agua. En su interacción con el cuerpo humano, no son capaces de atravesar la piel. Por lo tanto, tienen un poco poder de penetración (Fig. 5.5), siendo absorbidas totalmente por una lámina de aluminio de 0.1 mm de espesor o una simple hoja de papel.

2 Interacción de las Radiaciones Beta con la Materia

Dado que las partículas beta ($\beta^+$ y $\beta^-$) tienen una menor masa que la radiación alfa, su movilidad es alta. Esto implica que tienen mayor poder de penetración que las partículas alfa (Fig. 5.1). Son absorbidas por una lámina de aluminio de 0.5 mm de espesor y quedan frenadas en algunos metros de aire, o por 1 cm de agua. En el cuerpo humano, pueden llegar a traspasar la piel, pero no sobrepasan el tejido subcutáneo.

2.1 Radiación Bremsstrahlung

Si una partícula beta menos (electrón), con alta velocidad, “interactúa” con un núcleo atómico, aquella desvía su trayectoria y pierde parte de su energía (se «frena»). La energía que ha perdido se transforma en Rayos X. Este proceso recibe el nombre de «Radiación Bremsstrahlung» (radiación de frenado).

2.2 Aniquilación electrón-positrón

Otra reacción interesante ocurre cuando una partícula beta, como resultado de la producción de pares o decaimiento $\beta^+$, colisiona con un electrón libre. En este proceso, ambas partículas se aniquilan y desaparecen, liberando energía en forma de, al menos, dos rayos gamma, cada uno con energía mínima de 0.511 MeV, es decir, la equivalente a la energía en reposo de un electrón.

3 Interacción de los Neutrones con la Materia

Los neutrones carecen de carga eléctrica, no sufren la acción de campos eléctricos ni magnéticos y son capaces de atravesar grandes espesores de material, interactuando solo con los núcleos, que constituyen blancos muy pequeños. Son peligrosos debido a su alto poder de penetración y difíciles de atenuar, para lo cual se necesitan grandes blindajes.

Cuando un neutrón choca con un átomo le cede parte de su energía mediante la acción de:

• Choques elásticos: se conserva la energía del sistema.
• Choques inelásticos: la energía del sistema se convierte en excitación interna del núcleo.

4 Interacción de las Radiaciones Gamma con la Materia

Las radiaciones gamma, al no tener carga eléctrica, no sufren desviaciones en su trayectoria como producto de la acción de campos eléctricos de núcleos atómicos o electrones. Tales características permiten que la radiación gamma sea capaz de traspasar grandes espesores de material e ionizar indirectamente las sustancias que encuentra en su recorrido.

Un rayo gamma es capaz de sacar un electrón de su órbita atómica. El electrón arrancado producirá ionización en nuevos átomos circundantes, lo que volverá a suceder hasta que se agote toda la energía de la radiación gamma incidente. Su poder de penetración es muy elevado.

Descripción del efecto fotoeléctrico a nivel atómico

Los fotones incidentes son totalmente absorbidos por los electrones que están ligados a los núcleos atómicos del material, siendo estos electrones expulsados a grandes velocidades a través de este. Los electrones portan la energía del rayo gamma absorbido menos la energía característica de sus ligaduras con los núcleos, que son del orden de unos cuantos cientos de electrón-volt. Pero considerando que los rayos gamma portan una energía de unas centenas a miles de kiloelectronvoltios (keV), podemos despreciar la energía de ligadura y decir que el electrón lleva en realidad toda la energía del fotón incidente.

2 Efecto Compton

Cuando se analiza la radiación electromagnética que ha pasado por una región en la que hay electrones libres, se observa que además de la radiación incidente, hay otra de frecuencia menor. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende de la dirección de la dispersión.

3 Creación de pares electrón – positrón

Este proceso ocurre en el campo de un núcleo del material absorbente y corresponde a la creación de un par electrón – positrón a expensas de un fotón gamma incidente que desaparece en el mismo punto. Esto sucede cuando la energía del fotón gamma es mayor a, por lo menos, dos veces la masa del electrón y tiene como consecuencia nuevamente que un electrón se mueva a través del material (Fig. 5.9). Posteriormente se produce el fenómeno de aniquilación.

4 Scattering coherente

El scattering coherente es conocido también como scattering de Rayleigh. Este proceso se visualiza considerando la naturaleza dual de la radiación electromagnética.

Esta interacción consiste en una onda electromagnética que pasa cerca de un electrón, el que queda oscilando (Fig. 5.10). Este electrón oscilante, para volver a su estabilidad, irradia energía con la misma frecuencia que la de la onda incidente. No hay absorción de energía, solo desviación de la energía incidente.

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