Interacción del electrón con la materia

Al atravesar la materia, el electrón (e-) va a interactuar con los electrones orbitales y núcleos atómicos. Al colisionar, el electrón puede:

  • Perder su energía cinética
  • Cambiar de dirección

Las colisiones entre el electrón incidente y el electrón orbital o núcleo de un átomo pueden ser:

  • Elásticas
  • Inelásticas

Colisión elástica

El electrón es desviado de su trayecto original, pero no ocurre pérdida de energía.

Colisión inelástica

El electrón es desviado de su trayectoria original y parte de su energía es transferida a un electrón orbital o emitida en forma de radiación por frenado. El electrón energético experimenta múltiples colisiones al atravesar e interactuar con la materia, esto va a depender de su energía.

El tipo de interacción que el electrón sufre con un átomo de radio a depende del parámetro de impacto b de la interacción, definido como la distancia entre la dirección del electrón antes de la interacción y el núcleo atómico.

  • Para b > a: el electrón es sometido a una colisión suave, quedando el átomo intacto y solo una pequeña cantidad de energía puede ser transferida del electrón incidente al electrón orbital.
  • Para b = a: el electrón se somete a una colisión dura con un electrón orbital y una apreciable cantidad de la energía cinética del electrón incidente es transferida al electrón orbital.
  • Para b < a: el electrón incidente sufre una interacción centellante con el núcleo atómico (bremsstrahlung).
  • b > a: colisión suave
  • b = a: colisión dura
  • b < a: colisión centellante

Para b > a y b = a, la interacción entre el electrón incidente con el electrón orbital puede dar origen a la ionización o excitación del átomo. Para b < a, se produce la producción de rayos X.

Interacción de los fotones con la materia

Cada uno de los tipos de interacción de los fotones con la materia va a ser representado por su propio coeficiente de atenuación, que va a depender de:

  • Energía del fotón
  • Número atómico del material absorbente

Dispersión coherente

Los fotones de baja energía (inferior a 10 keV) interaccionan a través de este fenómeno. El fotón interactúa con un átomo induciendo en él un estado de excitación. El resultado en la dispersión coherente es:

  • Un cambio en la dirección del fotón incidente sin que se altere su energía.
  • No existe transferencia de energía.
  • No existe ionización.

La dispersión clásica apenas tiene importancia en rayos X (< 10 keV). A 70 kVp, un 3% de los rayos experimentan dispersión clásica, los que van a contribuir al velo de la película.

Efecto fotoeléctrico

Es un fenómeno en el cual un fotón interactúa con un átomo. El fotón no se dispersa, sino que es totalmente absorbido, liberando un electrón del átomo, el que es conocido como fotoelectrón, el que escapa con una energía cinética. Las interacciones de este tipo pueden ocurrir con electrones de la capa K, L, M o N. Al producirse el efecto fotoeléctrico, se producen rayos X característicos con emisión de energía, la que va a ser igual a la diferencia de las energías de ligadura de las capas de los orbitales participantes. Estos rayos X característicos corresponden a radiación secundaria y se comportan como radiación dispersa.

Cuando los átomos son de bajo número atómico Z (como los tejidos blandos), la energía de enlace (Eb) es baja, incluso en la capa K, por lo que la energía cinética (Ec) del fotoelectrón liberado es casi igual a la energía del fotón incidente. Cuando los átomos tienen un Z alto, la Eb es mayor, por lo que la Ec del fotoelectrón será menor, resultando un par iónico.

Electrón Auger

Al producirse los rayos X característicos en el efecto fotoeléctrico, estos pueden ser absorbidos por el átomo, produciendo un fenómeno fotoeléctrico interno, emitiendo electrones monoenergéticos.

Dirección del electrón

La distribución angular del electrón emitido en un proceso fotoeléctrico depende de la energía del fotón. Para bajas energías del fotón incidente, el fotoelectrón es emitido a 90º con respecto a la dirección del fotón incidente. Cuando la energía del fotón aumenta, el fotoelectrón es emitido cada vez más hacia delante.

Efecto Compton

En el proceso Compton, el fotón interactúa con un electrón de la capa externa y lo expulsa del átomo. El fotón continúa su trayectoria con una desviación en su dirección y con una menor energía. Durante una interacción de tipo Compton, la energía se reparte entre:

  • El fotón dispersado o secundario
  • El electrón Compton o secundario

EL EFECTO COMPTON SE PRODUCE AL INTERACTUAR UN FOTÓN CON ELECTRONES DE LAS CAPAS EXTERNAS. El fotón secundario y el electrón Compton pueden adquirir la energía suficiente para continuar con interacciones hasta perder su energía. El fotón va a ser absorbido fotoeléctricamente. El electrón va a ocupar una vacante en un orbital que requiera un electrón. Los fotones dispersados pueden experimentar una deflexión en cualquier dirección, incluidos los 180º en relación con el fotón incidente. A medida que el ángulo de deflexión crece hacia los 180º, se transfiere más energía al electrón Compton. Cuando la deflexión es de ø = 0º, no se transfiere energía al electrón. Los fotones dispersados hacia atrás en dirección opuesta (180º) al incidente se denominan: RADIACIÓN RETRODISPERSA.

Casos especiales Compton

Impacto directo (direct hit)

Si un fotón hace un impacto directo con el electrón, este saldrá directo hacia delante con un ángulo θ = 0º. El fotón disperso sale en sentido contrario con un ángulo ø = 180º. En este caso, el electrón recibe el máximo de energía y el fotón disperso recibirá el mínimo de energía.

Roce (impacto suave)

Si un fotón roza con el electrón, este será emitido en una dirección en θ = 90º y el fotón saldrá hacia adelante con un ángulo ø = 0º.

Fotón disperso en 90º

Si un fotón es disperso en un ángulo recto a su dirección inicial ø = 90º, cos 90º = 0.

Compton es la interacción entre un fotón y un electrón libre. La energía del fotón incidente es mucho más grande comparada con la energía de enlace del electrón. En el efecto fotoeléctrico, en cambio, la energía del fotón incidente es ligeramente mayor que la energía de enlace (Eb) del electrón. Al aumentar la energía de los fotones incidentes, el efecto fotoeléctrico decrece rápidamente y el efecto Compton llega a ser más y más importante. Sin embargo, si sigue aumentando la energía, deja de ser relevante cada vez más este efecto.

Como la interacción Compton involucra electrones libres en el absorbedor, este es independiente del número atómico Z. El coeficiente de atenuación másico Compton no depende del Z y va a depender solo del número de electrones por gramos. Para diferentes materiales, a pesar del diferente Z, el número de electrones por gramos es casi el mismo, lo que implica que el coeficiente de atenuación másico Compton es aproximadamente el mismo para todos los materiales. De esto se deduce que, al ocurrir la interacción Compton, la atenuación del haz será casi la misma independientemente del material del absorbedor.