RADIAZIONI IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI PARTICELLE O DI UN ONDA ELETTROMAGNETICA E DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONE

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1 RADIAZIONI IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI PARTICELLE O DI UN ONDA ELETTROMAGNETICA E DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONE Radiazioni elettromagnetiche Ø Raggi X e raggi γ Radiazioni corpuscolari Ø Particelle α, β, protoni, neutroni,...

2 RADIAZIONE ELETROMAGNETICA B B o E o E λ c Lunghezza d onda: λ=ct= c/f c : velocità f : frequenza T=1/f : periodo Nel vuoto: c = 3*10 8 m/s Intensità: I = E/(S Δt) [W/m 2 ] E è l energia che un onda trasporta attraverso una superficie S in un intervallo di tempo Δt

3 QUANTI DI LUCE: I FOTONI Planck (1900) ed Einstein (1905) ipotizzano che l energia di un onda elettromagnetica sia trasportata in pacchetti detti quanti di luce o FOTONI. I FOTONI: sono particelle prive di massa (m=0); si propagano nel vuoto con velocità della luce c= m/s hanno ciascuno energia E proporzionale alla frequenza f dell onda elettromagnetica: E=h f λ Costante di Planck h= 6, J s = ev s Onda e.m. λ = c/f descrizioni equivalenti Fotoni E=h f

4 Esempio λ = 600 nm = m f = c/λ = Hz (visibile : luce gialla) L energia trasportata dai fotoni risulta pari a E = h f = (6, J s) ( Hz) = 3, J = = 3, ev J 2 ev 1, J 1 ev = 1, J Intensità di un onda elettromagnetica I=E/S Δt Flusso di fotoni che attraversano la superficie S nel tempo Δt

5 (fermi) SPETTRO ONDE ELETROMAGNETICHE (Å) (nm) (µm) (mm)(cm) λ(m) RAGGI GAMMA RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO INFRA- -ROSSO MICRO ONDE ONDE RADIO f (Hz) VISIBILE GeV MeV kev ev (ev) E λf = c E = hf

6 TRANSIZIONI ATOMICHE Gli elettroni di un atomo possono muoversi su un numero discreto di orbite quantizzate, dette orbitali atomici, ciascuna corrispondente a determinati livelli di energia. n = numero quantico principale Ogni orbitale atomico può essere occupato da un numero massimo di elettroni, dipendente dal tipo di orbitale. Un atomo è stabile (livello fondamentale) se gli elettroni occupano gli orbitali corrispondenti ai livelli energetici più bassi. Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse ed assorbite dalla materia sotto forma di fotoni: Eccitazione: passaggio dal livello fondamentale ad un livello eccitato tramite assorbimento di un fotone; Diseccitazione: ritorno al livello fondamentale tramite emissione di uno o più fotoni. Nelle transizioni atomiche: f = ΔE/h (ΔE = diff. di energia tra i livelli atomici)

7 RADIAZIONE TERMICA W 2 m nm Nei solidi, i livelli energetici sono molto ravvicinati I K 6000 K spettro visibile ( nm) 4000 K 1000 K λ (nm) Spettro continuo Emissione termica Infrarosso Ultravioletto legge di Stefan I = σ T 4 (watt/m 2 ) legge di Wien λ Imax = T (cm)

8 RAGGI X I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche con frequenza compresa tra ~ Hz Sono prodotti nelle interazioni tra un fascio di elettroni liberi e gli atomi di un materiale. Due processi di produzione: I) Quando l'elettrone interagisce con il campo elettrico del nucleo di un atomo, subisce una brusca decelerazione e perde energia sotto forma di fotoni. Questo processo, chiamato radiazione di frenamento ( Bremsstrahlung ), Determina lo spettro continuo dei raggi X. SPETTRO DEI RAGGI X

9 RAGGI X CARATTERISTICI II) Se l'interazione dell'elettrone incidente avviene con uno degli elettroni più interni dell'atomo bersaglio, il processo di produzione dei raggi X prende il nome di "radiazione caratteristica". A seguito di questa interazione, entrambi gli elettroni sono diffusi fuori dall'atomo, così che nell'orbitale rimane un posto libero o "lacuna". Successivamente uno degli elettroni più esterni si sposta per colmare la lacuna. È durante quest'ultimo processo che l'atomo emette radiazione X con un'energia che individua in maniera esatta il materiale di cui è composto l'atomo bersaglio, da cui il nome "radiazione caratteristica". SPETTRO DEI RAGGI X L energia dei picchi caratteristici dipende dalle energie degli orbitali coinvolti nella transizione e quindi dal materiale attraversato dal fascio di elettroni

10 TUBO RADIOGENO Tubo entro il quale viene fatto il vuoto contenente: - Catodo (C) - Anodo (A) Tra C ed A viene creata una elevata differenza di potenziale (ΔV ~ kv) Anodo: piastra di metallo ad alto Z (di solito tungsteno) Catodo: filamento metallico collegato ad un generatore di bassa tensione ed alta corrente. La corrente rende il filo incandescente (effetto Joule) Energia cinetica media di agitazione termica degli elettroni diventa maggiore dell energia con cui gli elettroni sono legati al metallo à gli elettroni vengono emessi dal metallo (effetto termoionico) Gli elettroni emessi vengono accelerati da ΔV ed acquistano energia e ΔV ( kev)

11 TUBO RADIOGENO Raggiunto l anodo gli elettroni interagiscono con: I) I nuclei degli atomi che lo costituiscono à produzione raggi X per Bremsstrahlung II) gli elettroni degli atomi che lo costituiscono à raggi X caratteristici La massima energia dei raggi X prodotti col processo (I) sarà e ΔV (elettrone perde tutta la sua energia cinetica emettendo un unico fotone) SPETTRO DEI RAGGI X per un bersaglio di tungsteno bombardato con elettroni da 100 kev eδv Per variare l energia dei raggi X emessi si agisce su ΔV tra catodo e anodo Per variare l intensità dei raggi X emessi si varia la corrente che attraversa catodo

12 TUBO RADIOGENO L energia del fascio di elettroni incidenti sul bersaglio in parte si converte in calore, in parte serve per produrre i raggi X ΔV % Calore % Energia RX 60 kv kv MV In radiologia sono necessari fasci collimati di raggi X: - tubo schermato con piombo (buon assorbitore di raggi X) tranne una piccola zona ( finestra ) - anodo inclinato rispetto alla direzione degli elettroni incidenti L anodo si riscalda molto durante il processo di produzione dei raggi X * occorre un sistema di raffreddamento * il materiale di cui è costituito il catodo deve avere un elevato punto di fusione e una buona conducibilità termica

13 ASSORBIMENTO DEI RAGGI X I o e intensità trasmessa (%) I X ASSORBIMENTO ESPONENZIALE x = 1/µ spessore x I(x) I(x+Δx) Δx I = I o e µ x x coefficiente di attenuazione o di assorbimento

14 RADIOGRAFIA tubo a raggi X struttura biologica fascio X incidente muscolo aria osso fascio X trasmesso pellicola radiografica diaframmi schermo fluorescente Assorbimento differenziato dei raggi X Immagine negativa pellicola radiografica

15 COEFFICIENTI DI ASSORBIMENTO Diversa opacità delle strutture biologiche ai raggi X (diverso coefficiente di assorbimento) µ (cm 1 ) ossa (d = 1.8 g cm 3 ) muscoli (d = 1.0 g cm 3 ) grasso (d = 0.9 g cm 3 ) polmoni (d = 0.3 g cm 3 ) (kev) TENSIONI UTILIZZATE : mammografia ~20 kv dentali ~70 kv torace ~90 kv CT ~120 kv E

16 ASSORBIMENTO DEI RAGGI X Elementi chimici presenti nell organismo: idrogeno carbonio azoto ossigeno fosforo calcio cloro componenti organiche componenti inorganiche basso numero atomico basso potere di assorbimento dei raggi X elevato numero atomico alto potere di assorbimento dei raggi X

17 L INTERAZIONE sarà diversa a seconda di: ENERGIA INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA NATURA DEL MEZZO ( numero atomico, spessore) 3 SONO i PRINCIPALI FENOMENI di INTERAZIONE di un fascio di fotoni con un mezzo materiale: 1. Effetto Fotoelettrico 2. Effetto Compton 3. Produzione di Coppie Dipendono dall energia dei fotoni Generano elettroni liberi nel mezzo

18 1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V., X ) ENERGIA < 100 kev Un fotone, urtando con un atomo, viene assorbito e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si libera dall atomo con una certa energia cinetica E = hν E legame e E b FOTONE ATOMO fotoelettrone L effetto fotoelettrico è un effetto a soglia, potendosi verificare solo quando l energia del fotone incidente è superiore all energia di legame dell elettrone La probabilità di interazione del fotone è elevata per i materiali con alto numero atomico Z

19 2. EFFETTO COMPTON ( per X ) 100 kev < ENERGIA < MeV Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone di valenza dell atomo (essendo hν>>e L, l e - si può considerare libero) L elettrone viene emesso dall atomo e il fotone diffonde FOTONE INCIDENTE ELETTRONE EMESSO FOTONE DIFFUSO A differenza dell effetto fotoelettrico il fotone non cede tutta la sua energia in una sola interazione, ma rilascia solo una frazione della propria energia deviando rispetto alla direzione incidente.

20 3. PRODUZIONE DI COPPIE ( per γ ) ENERGIA > MeV Un fotone in prossimità del nucleo si trasforma in una coppia e+ e- Tale processo può verificarsi solo: in presenza di un nucleo che assorba la quantità di moto del fotone per rinculo se il fotone possiede un energia maggiore della somma delle masse delle due particelle prodotte (Eγ MeV) L eccesso di energia del fotone incidente verrà trasformato in energia cinetica di e + ed e - Al termine del suo percorso nel mezzo, il positrone si combina con un elettrone libero, dando origine a 2 FOTONI DI ANNICHILAZIONE

21 Riassumendo... INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA DAI 3 processi di interazione si producono quindi ELETTRONI liberi Queste particelle cariche ( carica -e = -1.6 * C), dotate di una certa energia assorbita dal fascio di fotoni incidenti, cedono a loro volta l energia nel mezzo Mezzo materiale Fascio di FOTONI ELETTRONI COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO? IN GENERALE, COME SI COMPORTA LA RADIAZIONE CORPUSCOLARE IN UN MEZZO?

22 INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA Per discutere l interazione della radiazione con la materia raggruppiamo le radiazioni nei seguenti tre gruppi: Particelle cariche pesanti (α, p, ioni) e leggere (e+, e-) Particelle neutre (n) Radiazione elettromagnetica (già discussa: in generale produce e- )

23 PARTICELLE CARICHE Quando una particella carica (e ±, p, α, nuclei) attraversa la materia perde energia soprattutto negli urti con gli elettroni degli atomi del mezzo attraversato. Gli elettroni posso essere - condotti a livelli superiori (eccitazione) - strappati all atomo a cui appartengono (ionizzazione). Eccitazione PARTICELLA CARICA Ionizzazione W j E=W i -W j W i W i Energia di ionizzazione: la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo Una particella carica lascia una traccia di atomi ionizzati lungo il suo percorso

24 PARTICELLE CARICHE LEGGERE Se l energia di una particella carica è molto maggiore della sua energia di riposo (mc 2 ), la particella perde energia anche per Bremsstrahlung Questo processo è particolarmente importante per particelle di bassa massa (e ± ) Particelle cariche leggere perdono energia sia eccitando e ionizzando atomi, sia emettendo fotoni per Bremsstrahlung Densità lineare di ionizzazione più elevata per particelle più pesanti rispetto agli elettroni Particelle cariche pesanti hanno un percorso più definito e, a parità di energia, più breve rispetto a quello degli elettroni

25 INTERAZIONE DEI NEUTRONI CON LA MATERIA Le interazioni dei neutroni sono fondamentalmente diverse da quelle dei fotoni e da quelle delle particelle cariche: non hanno carica à non interagiscono con gli elettroni degli atomi del mezzo hanno elevata probabilità di raggiungere i nuclei atomici provocando reazioni nucleari Le interazioni vengono classificate secondo l energia dei neutroni: freddi (E~meV); termici (E 0.01 ev); epitermici (E 100 kev); veloci (E~MeV) A basse energie è favorita la cattura neutronica: n + A ZX à A+1 ZX può essere seguita da decadimento γ o da fissione del nucleo nello stato finale (spesso con emissione di altri neutroni) il nucleo nello stato finale può essere radioattivo

26 INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

27 RADIAZIONI IONIZZANTI E NON LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN NON IONIZZANTI (N.I.R.) E 12 ev IONIZZANTI E 12 ev Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare l atomo ionizzare l atomo

28 RADIAZIONI IONIZZANTI PERCHE E 12 ev?? 12.9 ev è il risultato di una media pesata delle energie di ionizzazione degli elementi che costituiscono i tessuti umani

29 UNITA DI MISURA RADIOLOGICHE Gli effetti biologici della radiazione sono dovuti principalmente alla ionizzazione prodotta. Anche una lieve ionizzazione può essere dannosa per le cellule viventi più sensibili (può perturbare il loro funzionamento o ucciderle). Esposizione : definita solo per raggi X e γ di E < 3MeV Unità di misura: roetgen à 1R = C/kg L esposizione a raggi X/γ è di 1 R se la carica, prodotta per ionizzazione, in 1kg di aria secca è C Dose assorbita: energia ceduta da una radiazione ionizzante ad una massa unitaria Unità di misura: 1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 10-2 Gy D A = Energia/Massa Dose equivalente: tiene conto dell entità del danno biologico prodotto da un particolare tipo di radiazione Unità di misura: Sievert e rem à 1 Sv = 100 rem

30 EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVA L entità del danno biologico dipende non solo dall energia assorbita, ma anche dalla densità degli ioni prodotti. Se sono vicini come nella ionizzazione delle particelle a, l effetto biologico è maggiore. La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre diversi livelli di danno biologico Dose equivalente: D eq = D A EBR EBR (efficacia biologica relativa) Tipo di radiazione EBR Raggi X da 200 KeV 1 Raggi γ 1 Raggi β 1 Neutroni lenti 4-5 Neutroni veloci 10 Protoni 10 Particelle α Radiazione di riferimento

31 DOSE EFFICACE La stessa dose equivalente assorbita in organi o tessuti diversi produce effetti/danni diversi! Dose efficace = dose equivalente pesata a seconda del diverso impatto sugli organi: D eff = w D eq A ogni organo/tessuto si assegna un fattore di peso w. La somma dei fattori di peso di tutti gli organi è 1 (su tutto il corpo: dose efficace = dose equivalente) Organi w gonadi 0.20 midollo osseo 0.12 colon 0.12 polmone 0.12 stomaco 0.12 vescica 0.05 mammella 0.05 fegato 0.05 esofago 0.05 tiroide 0.05 cute 0.01 superfici ossee 0.01 altri tessuti (tot.) 0.05 totale 1.00

32 EFFETTI DELLE RADIAZIONI Si distingue tra: Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo colpito dalla radiazione Effetto GENETICO : viene trasmesso e può manifestarsi nella progenie E tra: Effetto NON STOCASTICO : esiste una dose soglia al di sotto (o deterministico) della quale non vi è danno Effetto STOCASTICO : non esiste una dose soglia

33 DOSI EFFICACI ANNUE MEDIE i