Radiazioni ionizzanti

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Battista Arcuri
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1 Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 Radiazioni ionizzanti 11/3/2005

2 Struttura atomica Atomo Nucleo Protone m m m ev MeV GeV 3 3,0 0,

Atomo Dimensioni lineari di un atomo ~ 10 10 m (1 A) elettroni attorno al nucleo (raggio 10 15 m = 1 fm) A Z X 12 6 C Z = numero atomico

3 Atomo Dimensioni lineari di un atomo ~ m (1 A) elettroni attorno al nucleo (raggio m = 1 fm) A Z X 12 6 C Z = numero atomico (numero protoni/elettroni) A = peso atomico (numero protoni + neutroni) N = A Z = numero neutroni sono presenti in natura 92 elementi differenti!

4 Grammoatomo 92 elementi non scomponibili chimicamente Un grammoatomo (grammomolecola) contiene N A = atomi (molecole) Una molecola d acqua H 2 O pesa 18 g (16 g di O + 2 g di H) allo stato liquido occupa 18 cm 3 (ρ acqua = 1 g/cm 3 ) In questo modo si può ricavare volume molecola: 18 / = cm 3

5 Energia ionizzazione Per ionizzare un atomo (rimuovere uno o più elettroni) è necessario compiere un lavoro uguale (ma segno opposto) all energia di legame Energia misurata in elettronvolt, ev = J

6 Struttura atomica Regola di Bohr raggio ed energia dell atomo di idrogeno con M massa ridotta (1/M = 1/m e + 1/m p ) r n = (n 2 ε 0 h 2 )/ (Me 2 ) E n = (Me 4 ) / (8n 2 ε 02 h 2 ) Numero quantico principale n (stato energetico) n = 1, 2, 3,. K, L, M,. Momento angolare orbitale l (asimmetria orbite) l =1, 2, 3,. s, p, d,. Numero quantico intero m (orientazione spaziale) l < m < + l

7 Tabella degli elementi strati n l elettroni n elettroni totale K 1 0 s 2 2 L 2 0, 1 s, p 2, 6 8 M 3 0, 1, 2 s, p, d 2, 6, N 4 0, 1, 2, 3 s, p, d, f 2, 6, 10, Probabilità posizione degli orbitali s p d

8 Atomo di ferro Gli stati s (l = 0) hanno simmetria sferica Gli stati p (l = 1) e d (l = 2) hanno distribuzione a lobi Lo stato d (l = 2) risulta incompleto potendo contenere 10 elettroni 26 elettroni orbitali p - d 8 elettroni orbitali (s)

9 Modifica materia Gli atomi non amorfi ma in continuo movimento Esattamente come la natura stessa Vi è una naturale tendenza a emettere radiazioni

10 Radiazione termica Agitazione termica crea emissione elettromagnetica Legge di Stefan-Boltzmann I tot = σ T 4 σ = (8 π 5 k 4 ) / (60 h 3 c 2 ) = W / (m 2 K 4 ) Legge di Wien λ max T = costante L emissione di raggi X per effetto termico comporta temperature elevatissime

11 Transizioni La transizione tra due stati corrisponde l emissione (assorbimento) di un fotone di energia ν = (E 1 E 2 ) / h livelli sono distanziati: spettro discontinuo (righe) livelli numerosi e fitti: spettro continuo emissioni nello spettro dall infrarosso ai raggi X

12 Radioattività radiazione di particelle α radiazioni corpuscolari cariche (β ± ) oppure fotoni di alta energia (γ) α γ nuclei di elio positivi elettroni negativi fotoni privi di massa β campo magnetico

13 Stabilità I neutroni danno stabilità al nucleo A = N + Z garantita per N > Z anche per Z < 92 vi sono isotopi non stabili (radionuclidi)

14 Legge del decadimento radioattivo N(t) = N 0 e λt Periodo di dimezzamento t 1/2 N(t) = N 0 e t/τ tempo in cui gli N 0 atomi iniziali divengono N 0 /2 t 1/2 = τ Velocità di decadimento o attività radioattiva R R = N / t = N / τ = N / t 1/2 Se il periodo di dimezzamento è 10 min allora R = atomi/min Se gli atomi sono N = 1000 dopo 10 min N = 500

15 Assorbimento Particolare interesse rivestono le radiazione X/γ Piccola lunghezza d onda e quindi alta energia I(t) = I 0 e µx µ coefficiente di assorbimento o di attenuazione ( Z 4 )

16 Range Si chiama range il percorso medio nel materiale delle differenti particelle

17 Camere ad ionizzazione Rivelatori a scintillazione Rivelatori a stato solido Rivelatori Rivelatore Geiger-Müeller Emulsioni fotografiche (pellicole/lastre)

18 Rivelatore Geiger-Müeller Non può calcolare l energia depositata ma solo rivela il passaggio della particella (particelle)

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