Le onde. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 1

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1 Le onde Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 1

2 LE ONDE Fenomeni ondulatori Periodo e frequenza Lunghezza d onda e velocità Legge di propagazione Energia trasportata Onde meccaniche: il suono Onde elettromagnetiche Velocità della luce Spettro elettromagnetico Energia dell onda elettromagnetica Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 2

3 Fenomeni ondulatori Oscillazioni meccaniche mare suono corda che vibra Oscillazioni elettromagnetiche B molla E onda elettromagnetica Eo B o v λ x Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 3

4 Fenomeni Ondulatori Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 4

5 Onde trasversali e longitudinali trasversali vibrazione propagazione esempio : onda lungo una corda longitudinali vibrazione propagazione esempio : onda di percussione in un solido Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 5

6 Funzione d onda La velocità è il parametro fondamentale che descrive i fenomeni ondulatori. Il più generico fenomeno ondoso è descritto da una funzione a due variabili, x e t che rappresentano spostamento e tempo, in relazione tra loro come: f (x ± vt) dove f è una funzione qualsiasi. Si generalizza per onde in 3 dimensioni: f ( x ± v t) v: parametro costante che indica la velocità Il segno ± si riferisce a propagazione all indietro o in avanti Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 6

7 Velocità di propagazione velocità δ: densità Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 7

8 Esempio velocità Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 8

9 Periodo e frequenza ω = pulsazione, ν = frequenza = ω / 2 π Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 9

10 Parametri di un onda φ = fase = ampiezza al tempo t = 0 Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 10

11 Propagazione di un onda Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 11

12 Legge di propagazione delle onde Ogni onda si propaga con una propria velocità costante Lunghezza d onda λ = minima distanza dopo la quale il fenomeno riprende la stessa configurazione = distanza percorsa in un periodo (unità di misura: metro). Lunghezza d onda e frequenza sono inversamente proporzionali: il loro prodotto è la velocità Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 12

13 Oscillazioni smorzate e forzate Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 13

14 Intensità di un onda I = Intensità = energia trasportata nell'unità di tempo attraverso l unità di superficie unità di misura: joule watt E Δt S onda sferica: S=4πr 2 L energia è costante (cons.energia) s m 2 = m 2 S L intensità diminuisce con il quadrato della distanza r S 2r Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 14

15 Onde elettromagnetiche B B B o E o E o B o E E λ v x Onda elettromagnetica: vibrazione del campo elettrico e del campo magnetico in direzione perpendicolare a entrambi Una carica elettrica in moto emette o assorbe onde elettromagnetiche quando soggetta ad accelerazione T t Non serve materia: i campi si propagano anche nel vuoto! Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 15

16 Campi Elettrici e Magnetici statici Quando una carica elettrica NON accelera produce un campo ELETTRICO stazionario (quando è ferma) e un campo MAGNETICO stazionario (quando è in moto uniforme ). Quando le condizioni NON sono stazionarie si produce un solo campo, quello ELETTROMAGNETICO. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 16

17 Velocità della luce Le onde elettromagnetiche si propagano anche nel vuoto secondo la consueta legge: λν = v La loro velocità nel vuoto è sempre c = m/s (= km/s) E la velocità della luce ma anche di tutte le altre onde elettromagnetiche. E la massima velocità raggiungibile in natura. Nei mezzi materiali la velocità è c/n (<c). n: indice di rifrazione del mezzo Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 17

18 Onde elettromagnetiche Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 18

19 Spettro elettromagnetico (fermi) λ (m) (Å) (nm) (µm) 10 6 (mm)(cm) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) GeV λν = c MeV 10 6 RAGGI X kev 10 3 E = hν ULTRA- -VIOLETTO E (ev) INFRA- -ROSSO VISIBILE MICRO ONDE colori 10 8 ONDE RADIO Hz ν (Hz) λ (nm) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 19

20 Cellulari GSM e Forni a Microonde P=1 W su una superficie sferica di raggio r = 5 cm, cioè S = 4 π r 2 = 314 cm 2, cioè: 3mW / cm 2 Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 20

21 Sensibilità dell occhio umano Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 21

22 Ottica elettromagnetica Le onde luminose sono di natura elettromagnetica: esse costituiscono una piccola porzione dello spettro elettromagnetico di lunghezza compresa fra 400 e 700 nanometri, delimitato da infrarosso e ultravioletto. Nella trattazione ondulatoria dell'ottica la lunghezza d'onda della luce esprime la distanza fra due punti successivi nei quali la perturbazione ondosa assume nello stesso istante il medesimo valore. nello spettro elettromagnetico le lunghezze d'onda più alte (corrispondenti a frequenze inferiori a 30 Hz), superano i km Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 22

23 Riflessione Quando un raggio luminoso viene riflesso da una superficie piana, l angolo di incidenza è uguale all angolo di riflessione e i due angoli sono complanari i r Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 23

24 Rifrazione Quando i raggi luminosi passano da un mezzo ad un altro, l angolo di rifrazione (r) non è uguale all angolo di incidenza (i), ma vale: sen(i) / sen(r) = n 1 2 ove n 1 2 è l indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo. Vale anche sen(i) / sen(r) = n 1 2 = v 1 / v 2 i r Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 24

25 Dispersione della luce La luce bianca è composta di radiazioni di diversa lunghezza d onda le quali, attraversando un mezzo (prisma, goccia d acqua,...) sono rifratte ad angoli diversi. Il fenomeno è noto come dispersione della luce ed è caratterizzato da angoli di deviazioni piccoli per radiazioni di frequenza piccola (grande lunghezza d onda) e grande deviazione per radiazione di frequenza grande i aria rosso vetro violetto Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 25

26 θ Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 26

27 Arcobaleno Nell arco primario il raggio viene prima rifratto all interfaccia aria-acqua dipendentemente dalla sua lunghezza d onda, poi riflesso totalmente, e rifratto nuovamente prima di arrivare all osservatore. L angolo di deviazione (180 o -θ) dipende dalla lunghezza d onda e varia tra 138 o per la luce rossa (θ=42 o ) e 140 o per quella violetta (θ=40 o ) Quindi abbiamo il colore rosso all esterno e violetto all interno! Per l arcobaleno secondario invece ho due riflessioni totali e i colori risultano invertiti! Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 27

28 Sulla natura della luce Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 28

29 Natura corpuscolare della radiazione Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 29

30 Natura della radiazione elettromagnetica Il comportamento particellare domina quando la lunghezza d onda della radiazione è paragonabile alla grandezza caratteristica del fenomeno fisico (ad esempio a livello sub-atomico) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 30

31 Ottica quantistica: interazione dell energia con la materia Effetto fotoelettrico: Luce incidente lamina Anodo Vengono emessi elettroni che possono essere convogliati verso un anodo non fotosensibile l energia luminosa eccita gli elettroni in modo che guadagnino energia suff. per lasciare la superficie del fotocatodo. L energia degli elettroni può essere misurata invertendo la polarità dell anodo (tornano all anodo). Il potenziale per il quale la corrente si annulla dà una misura dell energia Il potenziale è indipendente dall intensità e varia solo con la frequenza -> energia trasportata da quanti E = h ν Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 31

32 Effetto Compton Prova della correttezza del concetto di fotone venne da Compton, che misurò la diffusione dei raggi X per opera di elettroni liberi. Secondo la teoria classica quando un onda elettromagnetica di frequenza ν 1 incide su un materiale questa emetterà onde elettromagnetiche con la stessa frequenza ν 1. Invece se si considera l urto tra fotone ed elettrone come un processo di diffusione, l elettrone rinculerebbe assorbendo energia ed il fotone diffuso avrebbe meno energia! Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 32

33 Effetto Compton λ 2 λ 1 = h / mc (1 cosθ) θ angolo di diffusione del fotone Quindi la variazione di lunghezza d onda è indipendente dalla lunghezza d onda iniziale ma dipende solo dalla massa dell elettrone h/mc (lunghezza d onda Compton) = m = 2.43 pm Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 33

34 Elettron-Volt L'unità di misura "ev" si legge elettron-volt ed è tipicamente usata per misurare le energie implicate nella fisica atomica. La definizione di ev è la seguente: 1 ev è l'energia acquistata da un elettrone che percorre una distanza di 1 metro in un campo elettrico generato da una differenza di potenziale di 1 Volt. 1 ev = J Energia del fascio di protoni di LHC: 13 TeV * 3000 bunches * protons=4*10 27 ev =650 MJoule (treno di 200 ton a 200 km/h = 400 MJoule) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 34

35 Quanto di energia elettromagnetica: fotone Campo Elettromagnetico: E, B teoria dei quanti quanti di energia elettromagnetica (fotoni) E = h ν costante di Planck h = J s λ = 600 nm (visibile : luce gialla) ν = s 1 E = h ν = J s s 1 = J = J = J ev 1 = 2 ev Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 35

36 Quanto di energia elettromagnetica: fotone Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 36

37 Energia dell onda elettromagnetica Le onde elettromagnetiche trasportano energia sotto forma di particelle di luce dette fotoni, emessi o assorbiti in transizioni atomiche o molecolari. L energia è proporzionale alla frequenza: E = hν con h = J s (costante di Planck). hc = 1240 ev nm Nella luce visibile l emissione o l assorbimento dei fotoni determina il colore dei corpi: bianco = emissione di tutte le frequenze visibili nero = assorbimento di tutte le frequenze visibili Luce gialla: λ = 600 nm à ν = c/λ = ( m/s)/( m) = Hz = Hz à E = hν = ( J s)( Hz) = J = 2 ev Es. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 37

38 Esercizi: Problema1: Si calcoli l energia dei fotoni della luce di lunghezza d onda 400 nm (violetto) e quella della luce di 700 nm. E min =1.8 ev, E max =3.1 ev Problema 2: Si trovi l energia di un fotone corrispondente alla radiazione elettromagnetica nella banda delle radioonde FM (frequency modulation: modulazione di frequenza) di lunghezza d onda 3 m ( ev) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 38

39 Differenze tra suono ed onde elettromagnetiche L energia sonora viene trasmessa da un punto ad un altro mediante vibrazioni delle molecole del mezzo interposto. Ciò implica che le onde sonore non possono propagarsi in vuoto, mentre le onde luminose si! Il suono consiste di un trasferimento di energia meccanica, mentre la luce di energia elettromagnetica le onde luminose sono vibrazioni trasversali, mentre quelle sonore in un gas sono vibrazioni longitudinali. la velocità del suono cresce passando dall aria all acqua, mentre per le onde luminose è vero l inverso. La velocità del suono in aria è circa 330 ms -1 mentre nell acqua è circa 1500 ms -1. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 39

40 Varie velocità del suono Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 40

41 Suono onda sonora : vibrazione meccanica percepibile dal senso dell'udito (orecchio) infrasuoni sensibilità orecchio umano 20 Hz < ν < Hz v = λ ν ultrasuoni v aria = 344 m s 1 v H2O = 1450 m s m < λ < 1.72 cm 72.5 m < λ < 7.25 cm Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 41

42 Caratteristiche fisiche delle onde sonore Altezza è determinata dalla frequenza maggiore è il numero di vibrazioni al secondo della sorgente sonora maggiore risulterà l altezza della nota (in musica il raddoppio della frequenza di una nota eleva la sua altezza di un ottava!) L intensità è una misura dell energia che investe l unità di area della superficie del ricevitore nell unità di tempo. L unità di misura è Wm -2. Il timbro corrisponde alla complessità della forma d onda prodotta dalla sorgente. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 42

43 Decibel Il livello di intensità di un onda sonora è definito dall equazione: B = log 10 I/I 0 Il livello di intensità è adimensionale e la sua unità di misura è il Bel (B). In pratica l unità di 0.1B, o decibel, è usata più frequentemente. La soglia dell udibile va da 0 db a 120dB. ove I 0 è un intensità di riferimento, di solito è la soglia dell udibilità in energia, pari a Wm -2 Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 43

44 Il suono Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 44

45 Suono (II) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 45

46 Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 46

47 LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA Spettro elettromagnetico Radiazioni termiche: microonde infrarossi Radiazioni ionizzanti: ultravioletti raggi X raggi gamma Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 47

48 Radiazioni termiche à Irraggiamento termico intensità I = Q Δt ΔS cal/(s m 2 ) oppure W/m 2 I(λ) visibile 4000 K LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA legge di Stefan I T 4 (W/m 2 ) 1/T (cm) legge di Wien λ max µm Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi K 2000 K λ Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 48

49 Microonde Frequenza: 300 MHz < ν < 300 GHz Energia: 10 6 ev < E=hν < 10 3 ev effetti : calore (tecnica della diatermia) à non ionizzanti Riscaldamento di regioni limitate e profonde in corpi ricchi di acqua. Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari. Esposizione limite per l uomo: I = 10 mw/cm 2 (1/10 della massima potenza radiante solare assorbita) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 49

50 intensità relativa 10 5 MEDICINA visibile vicino I.R. Sole Infrarossi 3000 K 1200 K 0.7 µm < λ < 20 µm vicino IR lontano IR (µm) effetto termico λ 0.7 µm Δx 10 cm λ > 1.4 µm Δx < 1 mm fotografia I.R. immagine termica (termografia) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 50 λ penetrazione emissione termica (Sole)

51 Radiazioni ionizzanti Ionizzare un atomo = togliergli uno o più elettroni rendendolo ione. Si distrugge così la struttura chimica del materiale. Per togliere (= allontanare) elettroni bisogna compiere un lavoro, cioè fornire energia. Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 ev (potenziale di ionizzazione atomo idrogeno) Di fatto si considerano ionizzanti le radiazioni con E>100 ev. All aumentare dell energia, gli elettroni estratti ricevono energia cinetica e possono ionizzare a catena altri atomi. Sono radiazioni ionizzanti: ultravioletti, raggi X, raggi gamma (solo UVC) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 51

52 Ultravioletti Produzione UV naturale: Sole artificiale: lampade UV Assorbimento UV in alta atmosfera: ozono (O 3 ) inclinazione raggi nubi - inquinamento materiali: vetro opaco acqua trasparente (penetrazione alcuni cm) Si distinguono in: UVA: λ = nm UVB: λ = nm UVC: λ = nm (ionizzanti) Effetti chimico-biologici: eccitazione atomi e molecole dissociazione legame C-C (4 ev) benefici... abbronzatura - sintesi vitamina D azione battericida... malefici eritemi - lesioni oculari tumori alla pelle Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 52

53 Radiazioni ad alta energia raggi X (KeV< E < 100 KeV, luce a livello dell atomo) produzione artificiale tubo a raggi X raggi γ (> 100 KeV, luce a livello del nucleo) produzione naturale emissione γ da decadimento nuclei instabili (radionuclidi) produzione artificiale acceleratori di particelle Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 53

54 Diffrazione a raggi X L informazione che può essere ottenuta dall esame di un materiale dipende da quanto è fine la sonda utilizzata. La lunghezza d onda dei raggi X si trova nella regione attorno a 0.1 nm (cioè attorno all energia di 12.4 KeV) Le analisi con i raggi X sono limitate a strutture che si ripetono con regolarità in quanto è tramite l interferenza costruttiva di raggi X diffusi da molte strutture identiche che si può ottenere una nitida figura di diffrazione. (unità di riflessione per i raggi X i piani degli atomi) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 54

55 Descrizione di una semplice macchina a raggi X Tutte le macchine a raggi X hanno in comune tre parti: 1. un generatore di raggi X 2. un monocromatore per selezionare la radiazione di una certa banda di lunghezza d onda 3. dispositivo fotografico per registrare le figure di diffrazione Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 55

56 Descrizione di una semplice macchina a raggi X Ø Nel generatore di raggi X gli elettroni vengono accelerati mediante campi elettrici elevati e vanno a colpire un bersaglio metallico (di solito Cu, rame) con velocità elevata. Si produce così uno spettro continuo dovuto al frenamento degli elettroni più alcune righe specifiche per l emissione di elettroni dalle orbite più interne Ø Il monocromatore è costituito da un cristallo in modo che i raggi incidenti e il cristallo formino angoli costanti lungo tutto il cristallo. Scegliendo opportunamente tale angolo si focalizzano sulla pellicola raggi X focalizzati Ø I raggi X entrano nella camera contenente il campione che diffrange la radiazione e la pellicola che ne registra la figura. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 56

57 Raggi X: generatore TUBO A RAGGI X raggi X generatore di corrente catodo K F filamento vuoto trasformatore + anodo A diodo generatore di alta tensione rete Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 57

58 Raggi X: assorbimento intensità trasmessa (%) I X, γ I(x) I(x+Δx) I o e ASSORBIMENTO ESPONENZIALE Δx I = I o e µ x x 25 0 x = 1/µ spessore x coefficiente di attenuazione o di assorbimento Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 58

59 Immagine radiologica diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento) µ (cm 1 ) radioscopia radiografia xeroradiografia radiografia digitale (con e senza mezzo di contrasto) 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 ) E (kev) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 59

60 Radiografia tubo a raggi X struttura biologica pellicola radiografica diaframmi schermo fluorescente immagine negativa sviluppo della pellicola radiografia digitale fascio X incidente muscolo aria osso fascio X trasmesso pellicola radiografica Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 60

61 Parametri per la radiografia contrasto radiologico parametri : potenziale elettrico intensità di corrente tempo di esposizione ΔV i Δt 45 kv 130 kv 3 ma 50 ma (1/60)" (1/120) (cioè sui 10 millesecondi) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 61

62 Raggi gamma: impiego diagnostico radiodiagnostica radioisotopi radiofarmaci diffusione nell'organismo decadimento radioattivo rivelazione radiazione immagine conteggio dosimetrico Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 62

63 Raggi gamma: impiego terapeutico cobaltoterapia 60 Co γ (1.3 MeV) fasci di elettroni (acceleratori di particelle) fasci gamma (acceleratori di particelle) adroterapia (acceleratori di particelle) protoni neutroni (BNCT) ioni pesanti Boron Neutron Capture Therapy Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 63

64 Spettro elettromagnetico: produzione Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 64

65 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : produzione λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI INFRA- X ULTRA- -ROSSO -VIOLETTO tubo raggi X VISIBILE MICRO ONDE radiazione termica 10 8 ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) transizioni nucleari circuiti oscillanti e acceleratori transizioni atomiche laser Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 65

66 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO VISIBILE diagnostica (RX, CT) INFRA- -ROSSO terapia MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) diagnostica (RM) diagnostica (PET, SPET) diagnostica (IR e visibile) terapia Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 66

67 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : rivelazione λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO VISIBILE INFRA- -ROSSO emulsione fotografica (+ schermi) rivelatori di ionizzazione stato solido, NaI occhio umano sistemi CCD MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) induzione elm antenna Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 67

68 Ultrasuoni Onde sonore con frequenza > 2x10 4 Hz -> ultrasuoni Si possono ottenere ultrasuoni con frequenze fino al GHz λ=0.3 µm in aria e λ= 1.5 µm in acqua Si comportano come raggi sonori che si propagano in linea retta. Per applicazioni mediche si usano intensità da 10-4 a 10 W/cm 2 e frequenza massima cira 1 MHz L intensità si attenua con legge esponenziale I = I 0 exp(-α x) Dove α: coefficiente di assorbimento che varia da materiale a materiale ed è proporzionale alla frequenza. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 68

69 Ultrasuoni Il principio della diagnostica a ultrasuoni (pipistrelli): un breve impulso di ultrasuoni viene emesso da un trasduttore e con un certo tempo di ritardo si ottiene un eco al ricevitore Le deformazioni indotte da campi elettrici ad alta frequenza generano onde sonore ad alte frequenza(trasduttore). Attraverso il processo inverso, lo stesso materiale produce un campo elettrico per deformazione -> nelle applicazione mediche il trasduttore è dello stesso materiale del ricevitore Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 69

70 Ecografia Tecnica basata sulla riflessione da parte di interfacce tra mezzi diversi attraversati da ultrasuoni. Frequenze tipiche 1-15 MHz Vengono emessi brevi impulsi della durata ciascuno di 1-5 µs circa 200 volte al secondo. Caratteristiche: Il tessuto osseo assorbe 10 volte di più dei tessuti molli che a loro volta assorbono 10 volte più dei fluidi corporei (sangue, urina..) la vescica piena si comporta da finestra acustica per l esame delle strutture vicine. La velocità del suono nell aria è minore che nei tessuti. Allora i problemi di interferenza vengono minimizzati usando gel tra trasduttore e pelle (conduttore del suono) le ecografie dei polmoni e apparato digerente non sono facilmente eseguibili esattamente per le perdite di energia ultrasonora. Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 70

71 Parametri dell ecografia Risoluzione assiale o longitudinale: è la capacità di distinguere due oggetti lungo la direzione di propagazione dell onda Non possono essere risolti oggetti con dimensioni inferiori alla lunghezza d onda: per frequenze di 1-15 MHz varia come mm Anche la lunghezza dell impulso limita la risoluzione assiale: impulsi di lunga durata impediscono di rivelare interfacce molto vicine. Risoluzione laterale: capacità di distinguere oggetti giacenti su una linea ortogonale alla direzione di propagazione. Dipende dalle dimensioni trasverse del fascio: dipende dalla focalizzazione, dal trasduttore. Attenuazione Divergenza: il fascio non può essere considerato come formato da raggi paralleli oltre una certa distanza x max Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 71

72 Magnetismo Magnetismo: di grande importanza nei moderni strumenti per indagare un ampio spettro di fenomeni biologici e medici (risonanza magnetica) Una barra magnetizzata si comporta come fosse asimmetrica: due polarità Nord-Sud Quando i poli uguali vengono avvicinati si ha repulsione (attrazione se diversi) Attorno alla calamita si produce un campo magnetico che modifica in qualche modo lo spazio attorno, e interagirà con un altro magnete allorché questo è messo in presenza dell altro, risultandone una forza attrattiva o repulsiva Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 72

73 Correnti elettriche e Campi Magnetici I campi magnetici vengono anche prodotti dal passaggio di correnti attraverso conduttori Se due correnti fluiscono in senso concorde su due fili vicini esiste una forza attrattiva tra due fili: AMPERE è l intensità di corrente che, passando in due conduttori indefinitivamente lunghi e paralleli posti alla distanza di 1 m, nel vuoto, generano la forza di Nm -1 COULOMB: carica trasportata dalla corrente di un ampere al secondo Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 73

74 Campi Magnetici La forza che un campo magnetico genera su un filo conduttore percorso da corrente F = I L x B ove B campo magnetico L lunghezza del filo I intensità di corrente Quando un filo conduttore percorso da corrente è avvolto in modo da formare un elica (solenoide) si produce un intenso campo magnetico lungo l asse del solenoide B 0 = µ 0 N I/ l permeabilità magnetica del vuoto µ o = 4 π 10-7 T A -1 m -1 N numero di spire I corrente l tratto di solenoide Se all interno del solenoide inseriamo un altro materiale ferromagnetico il campo aumenta B = µb 0 ( µ per il ferro vale 5000) Luca Stanco Fisica 20015/16 Corso di Laurea in Igiene Dentale Lezione 6 74