Rayos X y la materia: Efecto Fotoeléctrico, el Nobel de Einstein

El efecto fotoeléctrico es un tipo de interacción entre una onda electromagnética (en nuestro caso, los rayos X) y la materia, provocando la absorción del fotón (onda electromagnética incidente) y liberación de electrones desde el material irradiado.

Fue interpretado correctamente en 1905 por el físico alemán Albert Einstein en su artículo: “A Heuristic Point Of View About the Genertion and Transformation of Light”. A pesar de su reconocido trabajo en la actualidad sobre la relatividad, recibió el Premio Nobel en 1921 por su trabajo acerca del Efecto Fotoeléctrico. 

Los primeros acercamientos a este fenómeno se tuvieron experimentalmente (ver video). Una superficie de metal limpia emite chispas al ser iluminada con un rayo de luz, por ejemplo.

Mecanismo:

Einstein apoyado en los postulados de la teoría de Planck (E = h*f) acerca de los cuantos dio una explicación acertada.

Un fotón incidente, con energía suficiente para “arrancar” un electrón de su órbita, generando una vacancia.  Esta energía, conocida en un comienzo como Función de Trabajo, corresponde a la energía de ligazón del electrón. Si el fotón incidente tiene mayor energía que la función de trabajo, la diferencia es transferida al electrón como energía cinética.

Traduciéndolo a la fórmula E = h*f ; si el fotón incidente tiene una frecuencia (f) tal que al ser multiplicado por la constante de Planck (h = 6,62607*10^-34 J ó 4,135667*10^-15 eV) supera la energía de ligadura del electrón blanco (E), el electrón será arrancado de la capa.

Esta vacancia es ocupada por un electrón de una capa más externa.  Al producirse un salto cuántico para ocupar la vacancia, se libera un fotón con energía ΔE

Algunas características del efecto fotoeléctrico:

• E electrón = E fotón – E Ligadura

•  No se produce a energías menores que la función de trabajo.

• Afecta principalmente a electrones internos del átomo.

• Su probabilidad depende fuertemente de la densidad del material.

• Su probabilidad de ocurrencia es proporcional a: τ ∞ Z³ / E³, es decir, es proporcional al cubo del Z de material blanco y el inversamente proporcional al cubo de la energía del fotón incidente.

En el caso de los tejidos biológicos, el número atómico de un tejido o material se obtiene ponderando los Z de los distintos átomos presentes.

La importancia para nosotros del efecto fotoeléctrico es que debemos intentar que la mayor parte de los fotones del haz de rayos X lo experimente para obtener radiografías de alto contraste de tejidos. Para ello tenemos que comprender la proporcionalidad entre el material al que impacta (Zef de hueso lo favorece) y la energía del haz (haces con kVp bajos lo favorecen).

Cuando ocurre así, las estructuras quedan fielmente representadas en la película radiográfica, ya que se atenúa el haz sólo en las zonas donde los tejidos son densos y con un alto Zef, con baja proporción de velo de la película.