INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA

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1 INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA Radiazioni ionizzanti Interazione di particelle cariche: range perdita di energia per ionizzazione perdita di energia per radiazione Interazione di particelle neutre: neutroni fotoni: effetto fotoelettrico effetto Compton produzione di coppie attenuazione strato emivalente pag.1

2 Radiazioni ionizzanti Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato. Se l energia ceduta è sufficiente (radiazioni ionizzanti: E 100 ev), si verificano nel materiale effetti distruttivi (frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...). Radiazioni ionizzanti: - elettromagnetiche (m=0, E=hν) raggi X e γ - corpuscolari (m>0, E= ½ mv 2 ) particelle α, β ±, p, n,... Particelle cariche: ch α,, β ±, p ionizzazione diretta degli atomi del mezzo Particelle neutre: n, X, γ ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie pag.2

3 Interazione di particelle cariche Tutte le particelle cariche (e±, p, α, nuclei) interagiscono principalmente a causa delle interazioni coulombiane con gli elettroni del mezzo attraversato, perdendo rapidamente la loro energia cinetica. La perdita di energia della particella carica appare principalmente sotto forma di ionizzazione ed eccitazione del mezzo materiale attraversato. L energia cinetica ceduta dalla particella è praticamente tutta assorbita dal mezzo a una distanza caratteristica, che dipende dalle caratteristiche della particella incidente e del mezzo attraversato. pag.3

4 Range è definito solo per particelle cariche! Range = distanza media percorsa dalla radiazione incidente nella materia Indica la capacità di penetrare a fondo nella materia. E tanto più alto quanto maggiore è l energia (una particella si ferma quando esaurisce la propria energia). Per un fascio di particelle cariche di data energia, si verifica sperimentalmente che il numero N 0 di particelle trasmesse rimane pressoché costante fino a un certo spessore, dopo il quale crolla bruscamente. N 0 /2 Range medio <r> distanza percorsa dal 50% delle particelle <r> pag.4 x

5 Range ed energia di particelle diverse scala logaritmica (cm) 100 R(E) H2O Dipendenza del range dall energia in acqua (~ tessuto t biologico) i protoni elettroni 10 1 e p alfa (MeV) scala logaritmica E pag.5

6 de/dx Ionizzazione specifica / potere frenante / stopping power = perdita di energia per unità di percorso de/dx energia/lunghezza Misurata in ev/cm (spesso kev/μm o MeV/mm) Fenomeno n statistico: tistic perdita di energia diversa a ogni singolo urto Straggling = fluttuazioni energetiche Dividendo per la densità del mezzo ρ: (de/dx)/ρ misurata in MeV cm 2 /g Elettroni: Piccola massa grandi deviazioni traiettoria a zig-zag range molto variabile Particelle cariche pesanti: Grande massa piccole deviazioni traiettoria quasi rettilinea range quasi costante Per particelle cariche pesanti (p,α): (de/dx)/ρ (q 2 /v 2 ) (Z/A) dipende quasi solo (Z/A~0 0.5) dalla particella incidente (carica e velocità) (de/dx) α ~ 4 (de/dx) p pag.6

7 LET Trasferimento Lineare di Energia Rapporto tra l energia totale T trasferita alla materia lungo un cammino e la lunghezza R del cammino percorso LET = T/R (misurato in kev/μm, MeV/mm) E LET Alto LET alta densità di ionizzazione alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico Grande variabilità pag.7

8 Bremsstrahlung Le particelle cariche perdono energia, oltre che per ionizzazione, anche per irraggiamento i ( radiazione i di frenamento o bremsstrahlung) Questo processo è particolarmente importante per gli elettroni. Essi sentono forte repulsione coulombiana dagli elettroni atomici, possono perdere anche notevoli e - e - quantità di energia a ogni urto e venire fortemente deviati. Pertanto subiscono successive accelerazioni e decelerazioni, e come tutte le particelle cariche accelerate emettono radiazioni elettromagnetiche, sotto forma di fotoni di energia hν, sempre minore o al limite uguale all energia degli elettroni incidenti. γ pag.8

9 Interazione di particelle neutre Al contrario delle particelle cariche, neutroni e fotoni possono essere assorbiti completamente in un unica collisione (il neutrone da un nucleo, il fotone da un elettrone atomico o da un nucleo). Al contrario delle particelle cariche, non esistono distanze che fotoni o neutroni non possano attraversare. L assorbimento di neutroni e fotoni nella materia e quindi l attenuazione di un fascio - ha un comportamento probabilistico. Neutroni: Cattura neutronica Urti elastici Urti anelastici Fotoni: Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di coppie pag.9

10 Neutroni Classificazione delle interazioni secondo l energia dei neutroni: freddi (E~meV), termici (E 0.01 ev), epitermici (E 100 kev), veloci (E~MeV) Cattura neutronica: n + A ZX A+1 ZX Z Z spesso seguita da decadimento γ ( reazioni n.γ o di cattura radiativa) spesso con nucleo finale radioattivo più probabile a bassa energia (~ 1/E 2 ) I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi! Es. n+ 14 7N 14 6C 6 C + p MeV rilascio energia nel corpo umano n+ 10 5B 7 3Li + α MeV Boron Neutron Cancer Therapy Urti con nucleoni: cessione di energia a protoni eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi γ In tutti i processi l effetto è la ionizzazione secondaria pag.10

11 Fotoni Tre processi principali: Effetto fotoelettrico: Interazione con elettroni atomici interni Effetto Compton: Interazione con elettroni atomici esterni Produzione di coppie: Interazione con campo coulombiano del nucleo In dipendenza da: energia dei fotoni n.atomico del materiale pag.11

12 Effetto fotoelettrico pag.12

13 Effetto Compton pag.13

14 Produzione di coppie ANNICHILAZIONE! pag.14

15 Produzione di coppie Visualizzazione in camera a bolle (rivelatore di particelle cariche) di due esempi di produzione di coppie γ e + e - : 1) tripletto : nel campo di un elettrone atomico 2) coppia : nel campo di un protone pag.15

16 Annichilazione di antimateria e materia pag.16

17 Assorbimento/Attenuazione Un fascio di N 0 fotoni, attraversando uno spessore Δx di materiale, viene attenuato in quanto i singoli fotoni vengono assorbiti o deviati secondo i tre processi descritti. Il n o di fotoni che interagiscono nello spessore di materiale Δx (e che quindi vengono sottratti al fascio originario) è ΔN -N 0 Δx ΔN = - μ N 0 Δx N 0 Fascio primario Δx Fotoni diffusi Fascio attenuato N P Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità x è: N(x) = N 0 e - μx come nella legge del decadimento radioattivo! Attenuatore pag.17

18 Assorbimento esponenziale intensità trasmessa (%) I I o /e 25 0 X, γ I(x) I(x+Δx) Δx x x = 0 Non esistono spessori che fermano totalmente il fascio! 1/μ spessore x μ = coefficiente di attenuazione lineare del materiale (cm -1 ) 1/μ = spessore dopo il quale il fascio si riduce a I 0 /e = 37% I 0 Dipende dal materiale e dall energia del fascio μ/ρ = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm 2 /g) Dipende quasi soltanto dall energia del fascio pag.18

19 Spessore di dimezzamento 1/μ = spessore dopo il quale rimane il 37 % dell intensità del fascio (=1/e) Spessore di dimezzamento x 1/2 = spessore dopo il quale rimane il 50 % (emispessore, strato emivalente) dell intensità del fascio 0.50 n 0 n(t) x 1/2 <1/μ Relazione tra 1/μ e x 1/2 : n 0 n(x 1/2) = n 0 /2 = n 0 e -μx 1/2 e -μx 1/2 = 1/2 -μx 1/2 = ln ½ = -ln2 = n 0 x 1/2 = 0.693/μ 0 x 1/2 1/μ x come tempo di dimezzamento! pag.19

20 Assorbimento complessivo μ 1 kev 1 MeV 1 GeV E μ = μ fotoel + μ Compton rame + μ coppie (u.a.) μ fotoel. Cu (Z=29) μfotoel ρz 4 /E μ Compton μ coppie μ Compton μ totale fotoel ρ Z/E ρz 2 lne 1 1 μ 10 ev μ coppie 1 kev 1 MeV 1 GeV E pag.20

21 Assorbimento in diversi materiali μ/ρ = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm 2 /g) Quasi indipendente dal tipo di materiale Es. raggi X da 25 kev L intensità si riduce di un fattore 7 (~14%) in 30 m di ossigeno oppure 0.12 mm di rame oppure 32 μm di piombo μ/ρ (cm2/g) E(MeV) piombo Raggi X X½ X½ da in tessuto in piombo 10 kev cm cm 100 kev 4.05 cm cm 1 MeV 9.8 cm 0.89 cm acqua 0.1 calcio 0.01 pag.21

22 Dimostrazione pratica Sorgente radioattiva: 22 11Na (T 1/2 = 2.6 y) Decadimento: 90% β +, 10% cattura elettronica; entrambi seguiti da dec.γ 90%: 22 11Na 22 10Ne* + β + + ν Ne* 22 11Ne + γ (E γ =1274 kev) 10%: 22 11Na + e Ne* + ν Ne* 22 11Ne + γ (E γ =1274 kev) Sistema di scintillatori interfacciati a un calcolatore. Misura della frazione di γ incidenti e della loro energia. Esperienza realizzata da Paolo Vitulo grazie! Piombo: x 1/2 = 1 cm per γ da 1274 kev Spessore di piombo da 5 cm (= 5 x 1/2 ): riescono ad attraversarlo circa il 3 % dei γ emessi. pag.22

23 Penetrazione (range) Range R ( E) = Radiazioni i i α,β,γ distanza media... e nel corpo umano in diversi materiali... percorsa nella materia (impiego terapeutico) γ da 60 Co γ da elettroni protoni E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV cm cm pag.23

24 Schermi protettivi pag.24

25 Rilascio energia in tessuto biologico unità relative (cute=1) 4 protoni 200 MeV 3 γ 22 MeV picco di Bragg 2 protoni con modulaz. energia 1 elettroni 22 MeV 0 X 200 kev γ 1.3 MeV ( 60 Co) cm profondità di tessuto pag.25

26 Rilascio di energia nei tessuti biologici Se una particella carica pesante entra nella materia è rallentata prevalentemente da numerose collisioni con gli e - atomici del mezzo. La probabilità di tali collisioni aumenta con il diminuire dell energia della particella. Quindi i fasci di ioni i perdono grande parte della loro energia cinetica i iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso (picco di Bragg). La deposizione di dose nella parte iniziale è relativamente bassa. Rilascio i di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico pag.26