Contenido relacionado a Fisica de las particulas.

1. Interacción de las partículas cargadas con la
naturaleza.
MSc. Marco Antonio Coca Pérez
Lic. Física Nuclear
Centro de PET-CT y Medicina Nuclear
Medscan Concepción
2020

2. Introducción
Pérdidas por colisión. Pérdidas radiativas
Efecto Cherenkov

3. Procesos de interacción de la radiación con la materia
Partículas cargadas:
Ø Las partículas cargadas pierden su energía a causa de la
ionización y excitación de los átomos que encuentran en su
camino.
Ø No llegan demasiado lejos en los materiales sólidos o
líquidos antes de que sean completamente absorbidos.
Ø La distancia máxima que las partículas recorren dependerá
de sus energías iniciales y de la densidad del material
absorbente, y toda su energía se depositará en este rango.

4. Partículas cargadas:
Ø La mayor parte de la ionización se produce en el extremo
final de sus recorridos, cuando se han desacelerado y se
hallan propensas a interactuar con los átomos
circundantes.
Ø Los rangos típicos son unos pocos micras en el tejido o el
agua y hasta unos pocos metros en el aire
Procesos de interacción de la radiación con la materia

5. Partículas cargadas:
Ø Un electrón a alta velocidad perderá una pequeña fracción
de su energía de un modo diferente. Cuando pasa cerca
del campo eléctrico de un núcleo con carga positiva, en
especial de un material con un alto número atómico Z como
el plomo, desacelera y cambia de dirección. Esto lo hace
emitir radiación electromagnética denominada
Bremsstrahlung (así es como funcionan los tubos de
rayos X).
Procesos de interacción de la radiación con la materia

6. Partículas cargadas pierden energía por:
Colisión
Radiación
Procesos de interacción de la radiación con la materia
Las pérdidas por radiación aumentan al aumentar la
energía de las partículas y al aumentar el número
atómico del medio absorbente.

7. Partículas cargadas:
6 • Interaction of Radiation with Matter 65
( . . ) % . %
7 9 1 7 3000 100 0 4
× × ≈
/
and in lead (Z = 82) they are
FIGURE 6-2 Bremsstrahlung spectrum for β particles emitted by 90
Sr + 90
Y (Eβ
max
= 2.27 MeV) mixture in aluminum.
Adapted from Mladjenovic M: Radioisotope and Radiation Physics. New York, 1973, Academic Press, p 121.)
0 40 80 120 160 200 240
Energy (keV)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Relative
number
of
photons
percentage radiation losses Z /
≈
×
( )
%
max
Eβ 3000
100
(6-1)
Espectro de Bremsstrahlung para β-: 𝑆𝑟!" + 𝑌!" (𝐸#$%
&
= 2.27 MeV) en aluminio.
% pérdida radiation ≈ (Z𝐸!"#
$
/3000) × 100%
Procesos de interacción de la radiación con la materia
Las pérdidas por radiación aumentan al aumentar la energía de las partículas y al
aumentar el número atómico del medio absorbente.
Los electrones de alta energía en el rango de energía
de la medicina nuclear disipan la mayor parte de su
energía en pérdidas por colisión.
La producción de Bremsstrahlung representa solo una
pequeña fracción de su energía.

8. Partículas cargadas:
66 Physics in Nuclear Medicine
When a heavy particle, such as an α
ticle, collides with an orbital electron,
direction is virtually unchanged and it l
only a small fraction of its energy (rather
a bowling ball colliding with a small
shot). The maximum fractional energy
by a heavy particle of mass M colliding w
a light particle of mass m is approxima
4 m/M. For an α particle colliding w
an electron, this amounts to only appr
mately 0.05% [4 × (1/1840)/4 ≈ (1/20
Heavy particles also undergo relatively
bremsstrahlung-producing collisions w
nuclei. As a result, their tracks tend to
straight lines, and they experience an alm
continuous slowing down in which they
small amounts of energy in a large numb
individual collisions.
By contrast, electrons can undergo la
angle deflections in collisions with orb
electrons and can lose a large fraction of t
energy in these collisions. These ev
are more like collisions between bill
FIGURE 6-3 Preferred arrangement for shielding ener-
Lead
Glass or
plastic vial
!-emitting radioactive solution
Procesos de interacción de la radiación con la materia
El bremsstrahlung puede ser
importante en algunas situaciones,
como el blindaje de cantidades
relativamente grandes de un emisor
de partículas β energéticas.
Perspex ó parafina

9. Partículas cargadas:
Procesos de interacción de la radiación con la materia
ü La producción de bremsstrahlung y las pérdidas por radiación de las
partículas α y otras partículas cargadas pesadas son muy pequeñas porque
la cantidad de producción de bremsstrahlung es inversamente
proporcional a la masa de la partícula cargada incidente.
ü Las partículas alfa y los protones son miles de veces más pesados que los
electrones y, por lo tanto, solo disipan unas pocas centésimas del 1% o
menos de su energía como pérdidas por radiación.
ü Estas partículas, incluso a energías de hasta 100 MeV, disipan casi toda
su energía como pérdidas por colisión.

10. Partículas cargadas:
ü La partícula α se desvía ligeramente en sus colisiones con átomos y
electrones orbitales.
ü Como resultado, la distancia recorrida, o rango, de una partícula α
depende solo de su energía inicial y de su tasa de pérdida de energía
promedio en el medio
Procesos de interacción de la radiación con la materia

11. Partículas cargadas:
6 • Intera
Energy loss r
depend on the
and on the co
absorbing med
loss rates beca
of atoms alon
nuclear medici
energy loss rate
linearly with
medium. (At h
are more com
sources cited in
phy at the end
Figure 6-5 s
energy loss rat
! Rays
High-energy
electron tracks
Bremsstrahlung
"-particle track
Procesos de interacción de la radiación con la materia
(electrones secundarios)
Representación de trazas de electrones y partículas α en un medio absorbedor.

12. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
Procesos de interacción de la radiación con la materia
ü Las tasas de pérdida de energía y las densidades de ionización
dependen del tipo de partícula y su energía y de la composición y
densidad del medio absorbente.
ü La energía perdida por las partículas cargadas al pasar a través
de la materia se describe generalmente usando una cantidad
llamada capacidad ó poder de frenado, S

13. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
𝑺
"
=
∆"
∆#
(
$%&
'(
)
"(
)
'(*)
Procesos de interacción de la radiación con la materia
S= ∆E/∆x (MeV/cm) capacidad ó poder de frenado, S
Comúnmente se expresa la distancia en términos de
masa por unidad de área del material, dando el poder
de frenado másico S/𝞺.
𝑺
"
=∑%(
&
"
)%𝑤%
poder de frenado másico S/𝞺 para una mezcla de
elementos, wi son las fracciones en peso normalizadas
de los elementos i, presentes en el material.

14. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
∆ ∆ ∆ ∆
E x E x
/ MeV/cm / MeV/g cm
g/cm
( ) [ ( )]
( )
=
×
−
i 2
3
ρ
(6-4)
Collisional loss rates ΔE/Δxcoll decrease
with increasing electron energy, reflecting the
velocity effect mentioned in Section A.3. Also,
is discussed further in Section B.
4. Deposition of Energy Along
a Charged-Particle Track
The rate at which a charged particle loses
energy determines the distance it will travel
and the density of ionization along its track.
FIGURE 6-5 Collisional (ionization, excitation) and radiation (bremsstrahlung) energy losses versus electron energy
in lead and in water. (Adapted from Johns HE, Cunningham JR: The Physics of Radiology, 3rd ed. Springfield, IL,
0.01 0.1 1 10
Electron energy (MeV)
0.01
0.1
1
10
Energy
loss
rate
(MeV/g
·
cm
!2
)
Water-collisional
Lead-collisional
Lead-radiation
Water-radiation
Procesos de interacción de la radiación con la materia

15. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
Procesos de interacción de la radiación con la materia
S= ∆E/∆x (MeV/cm) capacidad ó poder de frenado, S
𝑆!"# = 𝑆$"% + 𝑆&'(
this process is quite strongly dependent on the atomic number, as can be seen by
the Z2
term.
2.4.3. Total stopping power
the total stopping power is the sum of the ionizational and radiative
stopping powers, as given by eqs (2.36, 2.37). that is:
tot ion rad
S S S
= + (2.38)
figure 2.10 shows the ionizational, radiative and total stopping powers for
water and for tungsten.
Ionizational, radiative and total stopping powers for water and for tungsten for

16. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
Procesos de interacción de la radiación con la materia
§ Los e secundarios resultantes de
colisiones fuertes (rayos 𝛅) transportan
parte de la energía a cierta distancia de la
pista y pueden escapar del volumen de
interés.
§ A escala microscópica (por ejemplo, en
radiobiología), el uso de la capacidad de
frenado por colisión puede resultar en una
sobreestimación de la dosis.
§ Se usa S/𝝆 restringida, energía perdida en
el absorbedor por partículas secundarias
que no exceden un límite de energía, Δ,
limitando así el volumen de interés al
rango de electrones con energía Δ.
§ Un valor razonable para Δ es 10 keV
6 • Interaction of Radiation with Matter 67
Energy loss rates and ionization densities
depend on the type of particle and its energy
and on the composition and density of the
absorbing medium. Density affects energy
loss rates because it determines the density
of atoms along the particle path. In the
nuclear medicine energy range (!10 MeV),
energy loss rates for charged particles increase
linearly with the density of the absorbing
medium. (At higher energies, density effects
are more complicated, as discussed in the
sources cited in the references and bibliogra-
phy at the end of this chapter.)
Figure 6-5 shows collisional and radiation
energy loss rates for electrons in the energy
range of 0.01-10 MeV in water and in lead.
Energy loss rates ΔE /Δx are expressed in
MeV/g · cm–2
to normalize for density effects
∆ ∆
∆ ∆
E x
E x
/ MeV/g cm
/ MeV/cm
g/cm
( )
( )
i −
=
( )
2
3
ρ
(6-3)
possible tracks for β particles and for α par-
ticles in water. The actual track lengths are
FIGURE 6-4 Representation of α particle and electron
tracks in an absorber. Alpha particles leave short,
straight, densely ionized tracks, whereas electron paths
are tortuous and much longer; δ rays are energetic sec-
ondary electrons.
! Rays
High-energy
electron tracks
Bremsstrahlung
"-particle track

17. Partículas cargadas: Pérdida de energía de los electrones
LET linear energy transfer ó Coef. Transferencia lineal de energía, está
relacionado con la pérdida local de energía a lo largo de la trayectoria
de la partícula cargada.
LET se refiere a pérdidas solo por colisión
El valor promedio de LET medido a lo largo de una trayectoria de
partículas cargadas L (keV/μm) es un parámetro importante en la
física médica.
Procesos de interacción de la radiación con la materia
𝐿∆= (𝑆/𝜌)'()* =
+
,-
(𝑆/𝜌)∆ , 𝑀𝑒𝑉 . 𝑐𝑚# . 𝑔$%

18. Partículas cargadas:
La ionización específica (SI) se refiere al número total de pares de
iones producidos por eventos de ionización primaria y secundaria por
unidad de longitud de recorrido a lo largo de una trayectoria de
partículas cargadas.
La relación de LET dividida por ionización específica es W, la energía
promedio perdida por evento de ionización
W = LET / SI
Procesos de interacción de la radiación con la materia

19. Partículas cargadas:
6 • Interaction of Radiation with Matter 69
FIGURE 6-6 Specific ionization for electrons versus energy in water. (Adapted from Mladjenovic M: Radioisotope and
0.01 0.1 1 10 100 1000
Energy (keV)
0
2000
4000
6000
8000
10000
Ion
pairs/mm
Ionización específica (SI) de electrones en agua
Procesos de interacción de la radiación con la materia

20. Partículas cargadas:
Ionización específica (SI) de partículas alfas en aire
FIGURE 6-6 Specific ionization for electrons versus energy in water. (Adapted from Mladjenovic M: Radioisotope and
Radiation Physics. New York, 1973, Academic Press, p 145.)
0.01 0.1 1 10 100 1000
Energy (keV)
0
2000
7 6 5 4 3 2 1 0
Distance from end of range, cm air
0
2000
4000
6000
8000
Ion
pairs/mm
Bragg ionization peak
Procesos de interacción de la radiación con la materia

21. Partículas cargadas: Efecto Cherenkov
Este efecto se produce cuando una partícula cargada viaja en
un medio a una velocidad mayor que la velocidad de la luz
en ese medio.
Pável Alekséyevich Cherenkov
PA Cerenkov. Visible radiation produced by electrons
moving in a medium with velocities exceeding that of
light. Physical Review, 52(4):378, 1937
Procesos de interacción de la radiación con la materia

22. Partículas cargadas: Efecto Cherenkov
Este efecto se produce cuando una partícula cargada viaja en
un medio a una velocidad mayor que la velocidad de la luz
en ese medio.
β- 1MeV en agua v ≈ 0.8 c, mientras que la velocidad de la luz
en agua (refractive index n = 1.33) es cʹ = c/n ≈ 0.75 c
En estas condiciones, la partícula crea una "onda de choque"
electromagnética de la misma manera que un avión que viaja más
rápido que la velocidad del sonido crea una onda de choque acústica.
La onda de choque electromagnética aparece como un estallido de
radiación visible, típicamente de color azulado, llamado Radiación
Cerenkov
Procesos de interacción de la radiación con la materia

23. Partículas cargadas: Efecto Cherenkov
ü El efecto Cerenkov puede ocurrir para electrones con energías de
unos pocos cientos de keV;
ü Partículas pesadas como partículas α y protones, se requieren
energías de varios miles de MeV para cumplir con los requisitos de
velocidad.
Procesos de interacción de la radiación con la materia

24. @
Diagnostic
Radiology
Physics
A Handbook for
Teachers and
Students
D.R. Dance
S. Christofides
A.D.A. Maidment
I.D. McLean
K.H. Ng
Technical Editors

25. Muchas gracias