¿Qué es la interacción de los rayos X con la materia? Definición

Interacción de los rayos X con la materia. Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia. Propiedades del material [/ su_quote]

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es un parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías, desde las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, pasando por la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0,01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), lo que corresponde a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y, por lo general, más largas que las de los rayos gamma. La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .

Dado que los rayos X (especialmente los rayos X duros) son en esencia fotones de alta energía, son una materia muy penetrante y, por lo tanto, biológicamente peligrosos. Los rayos X pueden viajar miles de pies en el aire y pueden atravesar fácilmente el cuerpo humano.

Interacción de los rayos X con la materia

Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia. La fuerza de estas interacciones depende de la energía de los rayos X y de la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía de los fotones de rayos X es mucho mayor que las energías de unión química. La absorción fotoeléctrica domina a bajas energías de los rayos X, mientras que la dispersión de Compton domina a energías más altas.

• Absorción fotoeléctrica
• Dispersión de Compton
• la dispersión de Rayleigh

Absorción fotoeléctrica de rayos X

En el efecto fotoeléctrico, un fotón experimenta una interacción con un electrón que está unido a un átomo. En esta interacción, el fotón incidente desaparece por completo y el átomo expulsa un fotoelectrón energético de una de sus capas . La energía cinética del fotoelectrón expulsado (E _e ) es igual a la energía del fotón incidente (hν) menos la energía de enlace del fotoelectrón en su capa original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Por lo tanto, los fotoelectrones solo son emitidos por el efecto fotoeléctrico si el fotón alcanza o supera un umbral de energía , la energía de enlace del electrón, la función de trabajo del material. Para rayos X muy altos con energías de más de cientos keV, el fotoelectrón se lleva la mayor parte de la energía del fotón incidente - hν.

A valores pequeños de energía de rayos gamma, domina el efecto fotoeléctrico . El mecanismo también se mejora para materiales de alto número atómico Z. No es sencillo derivar la expresión analítica de la probabilidad de absorción fotoeléctrica de rayos gamma por átomo en todos los rangos de energías de rayos gamma. La probabilidad de absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoeléctrica)} = constante x Z ^N / E ^3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La proporcionalidad a potencias más altas del número atómico Z es la razón principal por la que se utilizan materiales con alto contenido de Z, como el plomo o el uranio empobrecido en los escudos de rayos gamma.

Aunque la probabilidad de absorción fotoeléctrica de fotones disminuye, en general, al aumentar la energía de los fotones, existen discontinuidades marcadas en la curva de sección transversal. Estos se denominan "bordes de absorción".y corresponden a las energías de enlace de los electrones de las capas ligadas de los átomos. Para los fotones con la energía justo por encima del borde, la energía del fotón es suficiente para experimentar la interacción fotoeléctrica con el electrón de la capa unida, digamos K-capa. La probabilidad de tal interacción es mucho mayor justo por encima de este borde que la de los fotones de energía ligeramente por debajo de este borde. Para los fotones por debajo de este borde, la interacción con el electrón de la capa K es energéticamente imposible y, por lo tanto, la probabilidad cae abruptamente. Estos bordes se producen también en las energías de enlace de los electrones de otras capas (L, M, N… ..).

Dispersión Compton de rayos X

La fórmula de Compton se publicó en 1923 en Physical Review. Compton explicó que el desplazamiento de los rayos X es causado por la cantidad de movimiento de los fotones similar a una partícula . La fórmula de dispersión de Compton es la relación matemática entre el cambio en la longitud de onda y el ángulo de dispersión de los rayos X. En el caso de la dispersión de Compton, el fotón de frecuencia  f  choca con un electrón en reposo. Tras la colisión, el fotón rebota en el electrón, cediendo parte de su energía inicial (dada por la fórmula de Planck E = hf). Mientras que el electrón gana impulso (masa x velocidad), el  fotón no puede reducir su velocidad.. Como resultado de la ley de conservación del momento, el fotón debe reducir su momento dado por:

Entonces, la disminución del impulso del fotón debe traducirse en una  disminución de la frecuencia  (aumento de la longitud de onda Δ λ = λ '- λ ). El desplazamiento de la longitud de onda aumentó con el ángulo de dispersión según  la fórmula de Compton :

& nbsp;

donde λ  es la longitud de onda inicial del fotón λ '  es la longitud de onda después de la dispersión, h  es la constante de Planck = 6.626 x 10 ^-34  Js, m _e  es la masa en reposo del electrón (0.511 MeV) c  es la velocidad de la luz Θ  es la dispersión ángulo. El cambio mínimo en la longitud de onda ( λ ′  -  λ ) para el fotón ocurre cuando Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) y es al menos cero. El cambio máximo en la longitud de onda ( λ ′  -  λ) para el fotón ocurre cuando Θ = 180 ° (cos (Θ) = - 1). En este caso, el fotón se transfiere al electrón tanto momento como sea posible. El cambio máximo en la longitud de onda se puede derivar de la fórmula de Compton:

La cantidad h / m _e c se conoce como la  longitud  de onda de Compton del electrón y es igual a  2,43 × ^10-12 m . 

Dispersión de Rayleigh - Dispersión de Thomson

La dispersión de Rayleigh , también conocida como dispersión de Thomson, es el límite de baja energía de la dispersión de Compton. La energía cinética de las partículas y la frecuencia de los fotones no cambian como resultado de la dispersión. La dispersión de Rayleigh se produce como resultado de una interacción entre un fotón entrante y un electrón, cuya energía de enlace es significativamente mayor que la del fotón entrante. Se supone que la radiación incidente pone al electrón en una oscilación resonante forzada de modo que el electrón reemite radiación de la misma frecuencia pero en todas las direcciones.. En este caso, el campo eléctrico de la onda incidente (fotón) acelera la partícula cargada, provocando que, a su vez, emita radiación a la misma frecuencia que la onda incidente, y así la onda se dispersa. La dispersión de Rayleigh es significativa hasta ≈ 20keV y, como la dispersión de Thomson, es elástica. La sección transversal de dispersión total se convierte en una combinación de las secciones transversales de dispersión ligada de Rayleigh y Compton. La dispersión de Thomson es un fenómeno importante en la física del plasma y fue explicado por primera vez por el físico JJ Thomson. Esta interacción tiene una gran importancia en el área de la cristalografía de rayos X.

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Protección de radiación:

1. Knoll, Glenn F., Detección y medición de radiación, cuarta edición, Wiley, 8/2010. ISBN-13: 978-0470131480.
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Ver también:

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