La Interacción de la Radiación Electromagnética Ionizante con la Materia

Conocer la interacción de la radiación con la materia es de gran importancia, porque todas sus aplicaciones científicas y tecnológicas se fundamentan en su penetración en la materia y en la energía depositada en sus átomos.


No te pierdas ni un detalle sobre este tema.

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Autor: Carlos E. Chiossi
Tema: CIENCIA

Introducción

Existen dos tipos de radiaciones, las radiaciones no ionizantes y las ionizantes. Las no ionizantes tienen niveles de energía no suficientes para ionizar o para romper enlaces químicos. Son ejemplos: las ondas radiofónicas, televisión, luz visible o infrarrojas. Este tema no se tratará en esta hojita.

Las radiaciones ionizantes, en cambio, tienen niveles de energía suficientes para ionizar los átomos de la materia sobre la que inciden y pueden excitar y romper enlaces químicos en moléculas orgánicas. Las radiaciones pueden ser electromagnéticas o corpusculares. Al interaccionar la radiación con la materia puede llegar a producir en ella algún efecto. Qué tipo de efecto le produce, dependerá de características propias de la radiación (carga eléctrica, masa, energía) y del tipo de material sobre el que incide.

Las radiaciones electromagnéticas ionizantes que interactúan con la materia pueden ser: rayos X, rayos gamma y las radiaciones ultravioletas UV-C, que en parte son ionizantes y en parte no. Desde hace varios años, se vienen utilizando estas radiaciones en múltiples aplicaciones en beneficio de la humanidad.

Interacción de los rayos X y gamma con la materia

Los rayos X y gamma interactúan con la materia de diversos modos, siendo los más importantes:

Efecto fotoeléctrico

En este efecto, cuando un fotón interactúa con un átomo neutro, el fotón desaparece entregando su energía a un electrón ligado al átomo. El electrón ligado es expulsado del átomo (se denomina fotoelectrón) y su energía es menor que la del fotón. La vacante en la nube electrónica se ocupa por otro electrón de la misma, emitiéndose un rayo X característico o un electrón Auger(2).

Producción de pares

En este efecto, cuando un fotón de alta energía incide en el campo eléctrico intenso cercano al núcleo de un átomo, el fotón desaparece y se convierte en un par electrón positrón. El par es expulsado del átomo, quedando el electrón libre y el positrón, al combinarse con un electrón de la materia, se aniquilan formándose dos fotones gamma iguales que viajan en sentidos opuestos.

Efecto Compton

Este efecto ocurre cuando un fotón incidente choca con un electrón no rígidamente ligado al átomo, admitiéndose que el electrón es libre y el choque es elástico. Después del choque, el fotón se dispersa en una dirección y el electrón (llamado de retroceso) se mueve en otra dirección, quedando el átomo ionizado. La radiación difusa (fotón dispersado) es algo menos penetrante que la radiación primaria (fotón incidente) que la origina.

Efecto Compton Inverso

En este efecto, un fotón de baja energía choca con un electrón que viaja a una velocidad cercana a la de la luz, fotón que luego adquiere una alta energía transformándose en un rayo X. Durante el efecto Compton, los fotones entregan energía a los electrones, y durante el efecto Compton inverso los electrones entregan energía a los fotones.

Aplicaciones de los rayos X

La NASA envió al espacio, en 1999, el telescopio de rayos X Chandra, que entre sus descubrimientos evidenció la existencia de la materia oscura, observó erupciones de agujeros negros supermasivos y detectó la emisión de rayos X de Plutón.

Por otro lado, en medicina, la radiografía convencional permite ver la anatomía de los órganos y los tejidos del cuerpo humano; con fluoroscopía se estudia las estructuras del cuerpo en movimiento; la tomografía computada, permite crear imágenes de cortes transversales del cuerpo, incluyendo imágenes tridimensionales.

Análogamente, en la industria, suele usarse la radiografía llamada industrial para ver deformaciones, roturas, u otros daños internos de piezas, no siendo destructivos estos ensayos.

En agricultura se evalúa la calidad de las semillas de distintas especies como las forestales nativas y cultivadas, y también semillas y frutos llenos, vanos o conteniendo huevos, pupas, o insectos vivos en su interior.

En la restauración de obras de arte, los rayos X permiten observar las capas interiores de lienzos a restaurar y así conservar la obra original del artista.

Aplicaciones de los rayos gamma

El telescopio de rayos gamma Fermi, lanzado por la NASA en 2008, sirve para estudiar y mapear cuantiosas fuentes de estos rayos en el Universo, como los emitidos por núcleos activos de galaxias, púlsares y restos de supernovas.

El telescopio detecta el rayo gamma produciendo un par electrón positrón cuya dirección y energía se mide por otros detectores, evaluándose el rayo gamma.

En medicina, los centellogramas permiten el estudio de órganos, luego de inyectar en el paciente un radiofármaco que emite rayos gamma, los cuales son detectados por una cámara gamma y procesados por computadora.

La tomografía por emisión de positrones (PET) se obtiene inyectando al paciente un radiofármaco emisor de positrones, que combinados con electrones del cuerpo, producen rayos gamma que impactan en detectores diametralmente opuestos, que giran alrededor del paciente.

En la industria se pueden detectar imperfecciones en piezas metálicas, ya sea por fisuras o malas soldaduras. También se pueden controlar niveles de líquidos en tanques o en envases opacos con productos.

En alimentos, la radiación gamma elimina microorganismos como bacterias, hongos e insectos en granos u otros alimentos, conservándose y almacenándose así productos más duraderos.

En obras artísticas se emplean rayos gamma para la polimerización usada en su restauración, por la progresiva pérdida de fijación debido al medio ambiente, contaminación con hongos, insectos que ingieren madera, y otras causas.

REFERENCIAS

1 Se recomienda leer previamente la Hojita ”Una mirada a la física atómica” del presente autor.
2 Cuando un átomo eyecta un electrón de una órbita muy cercana al núcleo por choque de un fotón X o un electrón muy energético, el átomo queda con exceso de energía y otro electrón de una órbita superior pasa a ocupar la vacante del anterior. El exceso de energía se elimina por un fotón X o por la eyección de un electrón situado en una órbita muy externa. Este último electrón se denomina electrón Auger.

SOBRE EL AUTOR

Carlos E. Chiossi
Ingeniero Electromecánico - Orientación Electrónica (Universidad de Buenos Aires / UBA)
Trabajó en la Comisión Nacional de Energía Atómica y Autoridad Regulatoria Nuclear (entre 1969 y 2008)
Experto en Seguridad Nuclear de Reactores Nucleares
Asesor Científico (Comisión Nacional de Energía Atómica / CNEA y Autoridad Regulatoria Nuclear / ARN)
Docente en Seguridad Nuclear (Instituto Balseiro / Comisión Nacional de Energía Atómica / Autoridad Regulatoria Nuclear)