INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

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1 M. Marengo INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA Servizio di Fisica Sanitaria Ospedale Policlinico S.Orsola - Malpighi, Bologna [email protected] Si definiscono radiazioni ionizzanti tutte le radiazioni che sono in grado di ionizzare la materia. Le radiazioni ionizzanti interagiscono con la materia in ragione: della loro energia cinetica della loro carica elettrica della loro massa L intensità di interazione dipende molto anche dalle caratteristiche del mezzo assorbente. Le radiazioni nell interazione cedono parte della loro energia al mezzo, producendo eccitazione e ionizzazione 1

2 Si ha eccitazione quando l energia ceduta dalle radiazioni nelle interazioni è inferiore a quella necessaria per strappare un elettrone dagli atomi / molecole del mezzo. Se l energia impartita al mezzo nell evento di interazione è invece superiore al lavoro di estrazione, gli elettroni coinvolti vengono ad avere energia sufficiente a vincere l attrazione del nucleo e se ne allontanano, cominciando a loro volta ad interagire con le cariche del materiale. Si crea quindi una coppia di ioni, e per questo si parla di radiazioni ionizzanti. ione positivo + e - Le radiazioni nell attraversare la materia producono quindi eccitazione e ionizzazione. Le quantità di energia cedute nell uno e nell altro tipo di fenomeno sono all incirca equivalenti. Ovvero, gli eventi di eccitazione sono molto più numerosi di quelli di ionizzazione, ma comportano ciascuno cessioni di energia di livello modesto, mentre gli eventi di ionizzazione, più ridotti come numero, portano alla cessione al mezzo di valori di energia più elevata. Nei processi di eccitazione, l energia ceduta è tale da portare atomi o molecole dal livello fondamentale ad un livello (appunto) eccitato; l ordine di grandezza delle differenze di energia fra livello fondamentale ed eccitati sta fra gli ev e le centinaia di ev. Per la ionizzazione sono richieste energie dell ordine dei kev poche decine di kev. 2

3 Eccitazione Livelli energetici eccitati Riguardo alle modalità di interazione, le radiazioni ionizzanti possono essere catalogate in due grandi raggruppamenti: direttamente ionizzanti: comprendono diversi tipi di particelle cariche elettricamente; indirettamente ionizzanti: comprendono diversi tipi di particelle prive di carica che, interagendo in modo discontinuo con la materia, possono comunque mettere in moto particelle cariche secondarie. 3

4 RADIAZIONI DIRETTAMENTE IONIZZANTI Nell attraversare la materia, le particelle cariche interagiscono con il mezzo con continuità, eccitando e ionizzando. Per le sole particelle beta di energia elevata sono importanti anche le perdite di energia per irraggiamento. Per descrivere quantitativamente le interazioni delle particelle cariche con la materia si introduce il potere frenante lineare de dx ovvero la cessione di energia in funzione dell unità di percorso. 4

5 Interazioni delle particelle alfa Le particelle alfa interagiscono intensamente con la materia, causa la loro doppia carica positiva. La perdita di energia per unità di percorso è data dalla equazione di Bethe de dx 2 2 4π z e n Z 2mev = 2 ln m v I e 2 dove: m e è la massa dell elettrone (circa g, pari a MeV) v è la velocità della particella incidente z è il numero di cariche portate dalla particella incidente n e Z sono rispettivamente il numero di atomi per cm 3 ed il numero atomico del mezzo assorbente I è il potenziale medio di ionizzazione del materiale Percorso delle particlelle alfa nella materia range 5

6 1.200 Range delle particelle alfa in aria ( 241 Am, E max = 5.49 MeV) Numero relativo di particelle range estrapolato Spessore (cm) Interazioni delle particelle beta Nel caso di velocità non relativistiche delle particelle (v/c < 0.5), la perdita di energia nell unità di percorso a seguito delle collisioni è data dalla equazione di Bethe e Bloch de dx 4 4π e n Z 116. me v = 2 ln m v 2I e 2 dove: m e è la massa dell elettrone (circa g, pari a MeV) v è la velocità della particella incidente z è il numero di cariche portate dalla particella incidente n e Z sono rispettivamente il numero di atomi per cm 3 ed il numero atomico del mezzo assorbente I è il potenziale medio di ionizzazione del materiale 6

7 Percorso delle particlelle beta nella materia e - Curva di trasmissione delle radiazioni beta ( 11 C E max = 0.97 MeV ) Intensità (valore relativo) range estrapolato spessore (g/cm 2 ) 7

8 e + hν = 511 kev e - hν = 511 kev Annichilazione di positrone ed elettrone ampolla in vetro area dell anodo colpita dagli elettroni che dissipa calore macchia focale rotazione elettroni accelerati filamento o catodo griglia focalizzante raggi X anodo rotante Tubo a raggi X ad anodo rotante 8

9 Spettro di un tubo a raggi X (anodo di tungsteno) Unità relative Energia (kev) RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTI 9

10 Le radiazioni indirettamente ionizzanti comprendono principalmente: i fotoni (X, γ) i neutroni (che non saranno trattati in questi appunti) I fotoni X, γ interagiscono con al materia secondo tre effetti: effetto fotoeletterico effetto Compton produzione di coppie 10

11 hν e - e - Effetto fotoelettrico L effetto fotoelettrico è un effetto a soglia: affinchè i fotoni possano ionizzare un atomo devono avere energia almeno superiore al lavoro di estrazione necessario per strappare un elettrone dall atomo. Nel caso dei fotoni X, γ, le energie dei fotoni sono di solito molto superiori a tale lavoro. L effetto fotoelettrico predomina alle basse energie dei fotoni (< 100 kev). La probabilità di effetto fotoelettrico cresce fortemente con il numero atomico Z del materiale assorbente (Z 4-5 ). 11

12 hν 0 hν θ φ e - Effetto Compton Poiché nell effetto Compton l energia del fotone non è completamente assorbita e si ha un fotone diffuso, esso non è un effetto di rimozione dei fotoni da un fascio incidente. L effetto Compton predomina alle energie intermedie dei fotoni (200 kev 3 MeV). La probabilità di effetto fotoelettrico cresce con il numero atomico Z e con la densità del materiale assorbente (Z/ρ). 12

13 Produzione di coppie e annichilazione hν > 1.02 MeV e - hν 1 = 511 kev e - e + hν 1 = 511 kev La produzione di coppie è un effetto a soglia: affinché si possa verificare i fotoni devono avere una energia almeno uguale alla massa di riposo delle due particelle (elettrone e positrone) da produrre, cioè = 1.02 MeV. La produzione di coppie è quindi possibile per energia > 1.02 MeV; diventa significativamente probabile per energie elevate dei fotoni (> 3 MeV). 13

14 Attenuazione di un fascio di radiazioni in un mezzo assorbente A A S T B A S T A - componente assorbita T - componente trasmessa S - componente diffusa ( scatterata ) B - componente retro diffusa ( backscatter ) Legge di assorbimento dei fotoni Valida per un fascio di fotoni monocromatico sottile e collimato di = I µ dx I = I 0 e µ x Coefficiente di attenuazione lineare µ = τ + σ + π Coefficiente di attenuazione massicoµ/ρ I = I 0 e µ ( x ρ ) ρ 14

15 Coefficienti di attenuazione di massa 1000 Coeff. mu (cm2/gr) H2O NaI(Tl) Pb Energia (MeV) Attenuazione di un fascio di fotoni (scala semilogaritmica) Intensità relativa (%) Profondità (cm) 15

16 radiazioni a basso LET cellule tessuto radiazioni a alto LET 16