Cenni di fisica moderna 1
fisica e salute la fisica delle radiazioni è molto utilizzata in campo medico esistono applicazioni delle radiazioni non ionizzanti nella terapia e nella diagnosi (laser per applicazioni chirurgiche, foto-chemioterapia, risonanza magnetica, ecografia ) le radiazioni ionizzanti hanno ampie applicazioni in medicina 2
fisica e salute Cosa sono le radiazioni ionizzanti? Cosa i radiofarmaci? Facciamo un salto indietro nella storia. 3
atomo, nucleo e particelle 4
atomo, nucleo e particelle 5
La tavola periodica degli elementi Elementi chimici: atomi con diverso Z Naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) Artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92) 6
Isotopi Stabilità dei nuclei: Nuclei leggeri (Z 20) N = Z Nuclei pesanti (Z > 20) N > Z 7
Forze in gioco Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d 10-15 m). Essi risentono delle forze di: In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi impedendo la formazione dei nuclei atomici!! MA nei nuclei atomici si manifesta un ulteriore forza di attrazione, capace di incollare tra loro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana: la forza nucleare forte 8
Forze in gioco FORZA NUCLEARE FORTE: E sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d 10-15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni 9
nuclei stabili e instabili - la forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale. - il rapporto tra p e n nel nucleo non dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne che per la repulsione elettrostatica tra i protoni. Invece in natura esistono solo: nuclei leggeri (Z 20) con N Z nuclei pesanti (Z > 20) con N > Z altri nuclei, se prodotti, sono instabili Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, e questa trasformazione si accompagna con l'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi (o radioisotopi o radionuclidi). 10
decadimenti radioattivi La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata disintegrazione o decadimento radioattivo. Il tempo medio che occorre aspettare per avere tale trasformazione può essere estremamente breve o estremamente lungo. Esso viene detto vita media del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni (per esempio, il potassio-40 ha una vita media di 1.8 miliardi di anni). Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni. 11
tipi di decadimenti radioattivi 12
attività radioattiva L unità di misura SI è il becquerel : 1 Bq = 1/s di uso più comune è il curie = attività di 1 g di radio (decadimento : 226 Ra 222 Rn, = 1602 anni) 1 Cu = 3.7 10 10 Bq 13
attività del corpo umano Il corpo umano è una sorgente radioattiva di attività pari a circa 8000 Bq così suddivisi: 4000 Bq ( 14 C) + 4000 Bq ( 40 K) + 238 U e 232 Th (trascurabili) 14
tempo di dimezzamento (I) il tempo di dimezzamento (fisico) è il tempo necessario affinché la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione spontanea. 15
tempo di dimezzamento (II) 16
Interazione di particelle nella materia 17
Interazione di particelle cariche nella materia Range = distanza media percorsa dalla radiazione incidente nella materia Per un fascio di particelle cariche di data energia, si verifica che il numero N 0 di particelle trasmesse rimane pressoché costante fino a un certo spessore, dopo il quale crolla bruscamente Elettroni: piccola massa traiettoria a zig zag range molto variabile Range medio <r> distanza percorsa dal 50% delle particelle Part. cariche pesanti: grande massa traiettoria quasi rettilinea range quasi costante Al contrario di quanto avviene per le particelle cariche, non esistono distanze che neutroni e fotoni non possano attraversare. 18 Si parla di assorbimento/attenuazione di fasci di neutroni o fotoni.
Interazione di particelle cariche nella materia 19
Interazione di particelle neutre nella materia Al contrario di quanto avviene per le particelle cariche, non esistono distanze che neutroni e fotoni non possano attraversare. Si parla di assorbimento/attenuazione di fasci di neutroni o fotoni. Assorbimento/attenuazione del fascio per: - cattura neutronica Spesso con nucleo finale radioattivo - urti elastici o anelastici con nucleoni - cessione di E a protoni - eccitazione dei nuclei con successiva emissione In tutti i processi l effetto è la ionizzazione secondaria! 20
Interazione di particelle neutre nella materia Al contrario di quanto avviene per le particelle cariche, non esistono distanze che neutroni e fotoni non possano attraversare. Si parla di assorbimento/attenuazione di fasci di neutroni o fotoni. μ = coefficiente di attenuazione lineare del materiale (cm -1 ) x 1/2 = spessore di dimezzamento (dopo il quale rimane il 50% del fascio) x 1/2 = 0.693/μ 21
Range di attraversamento della materia 22
Rilascio di energia Una particella carica pesante 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 i fasci di ioni perdono grande parte della loro E k iniziale in una zona relativamente piccola, al termine del loro percorso (picco di Bragg). La deposizione di dose nella parte iniziale è relativamente bassa. 23
Traccianti e radiofarmaci E possibile studiare fenomeni fisiopatologici utilizzando dei composti radioattivi che, una volta somministrati all'organismo umano sotto forma di semplici radionuclidi o di molecole radiomarcate, si comportano come traccianti di un particolare fenomeno biologico, permettendo, attraverso l'impiego di appositi rivelatori, di produrre immagini diagnostiche. L'immagine finale (scintigrafia) è quindi totalmente generata dalla radiazione emessa dal radionuclide che si è localizzato nell'organo bersaglio sfruttando un ben preciso meccanismo biologico. Si richiede la partecipazione attiva dell organismo! 24
Traccianti e radiofarmaci in ore 25
Imaging medico-nucleare 26
Radioterapia e adroterapia Radioterapia: sfrutta e - e raggi X Adroterapia: sfrutta adroni (es.protoni, ioni 12 C 6+ ) con gli adroni si riesce a penetrare alla profondità desiderata variando l energia ottenendo un rilascio conforme alle dimensioni del tumore e rilasciando una dose inferiore prima del picco (di Bragg) e nulla/piccola dopo il picco 27