DICCIONARIO MÉDICO
Fotón
El fotón es la partícula elemental que constituye el cuanto de la radiación electromagnética. Carece de masa en reposo y de carga eléctrica, viaja siempre a la velocidad de la luz y su energía es proporcional a la frecuencia de la onda asociada. En medicina, los fotones son la base física de técnicas de imagen como la gammagrafía, la SPECT, la PET y la radiografía, y el agente terapéutico de la radioterapia y los procedimientos con láser. Un fotón es la cantidad mínima (cuanto) de energía que puede transportar la radiación electromagnética. El término procede del griego φῶς, φωτός (phôs, phōtós), "luz", combinado con el sufijo -on que la física de partículas emplea para designar unidades subatómicas (como en electrón, protón o neutrón). Lo acuñó el fisicoquímico estadounidense Gilbert N. Lewis en una carta publicada en la revista Nature el 18 de diciembre de 1926. La teoría que Lewis defendía en aquel texto resultó errónea, pero la palabra se instaló con rapidez en la comunidad científica y reemplazó a la expresión "cuanto de luz" (Lichtquant) que Albert Einstein había utilizado desde 1905. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, el fotón es un bosón de espín 1, mediador de la fuerza electromagnética en el modelo estándar de la física de partículas. No posee masa en reposo, carece de carga eléctrica y se desplaza invariablemente a 299 792 458 m/s en el vacío. Su energía queda definida por la ecuación de Planck (E = hν), donde h es la constante de Planck y ν la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía del fotón: un fotón de rayos gamma transporta millones de veces más energía que uno de ondas de radio. La naturaleza del fotón incorpora dos comportamientos aparentemente contradictorios. Se propaga como una onda electromagnética (puede difractarse e interferir), pero interactúa con la materia como una partícula discreta (transfiere energía en paquetes indivisibles). Esta dualidad, formulada originalmente para explicar el efecto fotoeléctrico descrito por Einstein en 1905, tiene consecuencias directas en la práctica clínica. En radiodiagnóstico, el haz de rayos X es un flujo de fotones cuya atenuación diferencial al atravesar los tejidos genera la imagen. La absorción fotoeléctrica predomina a energías bajas y en tejidos densos (hueso, contraste yodado), mientras que la dispersión Compton domina a energías intermedias en tejidos blandos. El equilibrio entre ambos mecanismos determina el contraste de la imagen radiográfica. En medicina nuclear, cada radioisótopo del radiofármaco administrado emite fotones gamma de energía característica. La gammacámara registra esos fotones uno a uno para componer la imagen: el tecnecio-99m, el isótopo más utilizado en clínica, emite fotones de 140 keV. En la tomografía por emisión de positrones el proceso es distinto: la aniquilación de un positrón con un electrón genera simultáneamente dos fotones de 511 keV que viajan en direcciones opuestas, y la detección en coincidencia permite localizar con precisión el punto de emisión. La radioterapia externa convencional emplea haces de fotones de alta energía (habitualmente entre 6 y 18 MV) producidos por un acelerador lineal. Esos fotones depositan su energía en el tejido tumoral mediante los mismos mecanismos de absorción y dispersión que operan en la imagen, pero con intensidad y focalización suficientes para dañar el ADN de las células neoplásicas e impedir su proliferación. Los procedimientos con láser explotan una propiedad diferente. Un láser emite fotones de frecuencia, fase y dirección idénticas (luz coherente), lo que permite concentrar energía en volúmenes muy pequeños de tejido. Según la longitud de onda elegida, el efecto predominante puede ser fototérmico (coagulación, vaporización), fotoquímico (activación de un fotosensibilizante en la terapia fotodinámica) o fotomecánico (litotripsia láser). La fluorescencia también depende de fotones: un fluoróforo absorbe un fotón de una longitud de onda y reemite otro de longitud de onda mayor, principio que sustenta la angiografía fluoresceínica y la inmunofluorescencia. Del griego φῶς, φωτός (phôs, phōtós), "luz", con el sufijo -on que la física usa para partículas elementales. Lewis la propuso en 1926 y, pese a que su teoría sobre la naturaleza del fotón fue descartada en pocos años, el nombre se impuso con tal velocidad que en 1928 ya figuraba en el título de las actas de la célebre Conferencia Solvay (Électrons et Photons). Estrictamente, su masa invariante (masa en reposo) es cero. No existe un sistema de referencia en el que un fotón esté quieto: viaja siempre a la velocidad de la luz. Posee, sin embargo, momento lineal y energía, propiedades que la relatividad no restringe a las partículas con masa. Esa energía es la que permite al fotón arrancar electrones de un átomo, ionizar moléculas biológicas o estimular un detector de centelleo en una gammacámara. Ninguna diferencia intrínseca. Ambos son fotones idénticos en sus propiedades; lo que cambia es el origen. Se denomina "rayos X" a los fotones producidos por transiciones electrónicas o por frenado de electrones en un ánodo metálico (como ocurre en un tubo de rayos X), y "rayos gamma" a los generados por desintegración de un núcleo atómico. Un fotón de 140 keV emitido por un núcleo de tecnecio-99m y otro de 140 keV producido en un tubo de rayos X son, en la práctica, indistinguibles. Sí, aunque no siempre se nombre. Cada vez que un profesional solicita una radiografía, una gammagrafía, una PET o una sesión de fototerapia, el agente físico que genera la imagen o el efecto terapéutico es el fotón. El conocimiento de sus propiedades (energía, atenuación, interacción con la materia) permite elegir la técnica adecuada, interpretar los artefactos de imagen y optimizar la protección radiológica del paciente.Qué es un fotón
Dualidad onda-partícula y su relevancia en técnicas médicas
El fotón como agente terapéutico
Preguntas frecuentes
¿De dónde viene la palabra fotón?
¿Por qué se dice que el fotón no tiene masa?
¿Qué diferencia a un fotón de rayos X de uno de rayos gamma?
¿Tiene aplicación el concepto de fotón en la consulta clínica diaria?
Referencias
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Infografías realizadas con https://BioRender.com
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