INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione 1

NOTAZIONE CHIMICA Tutti gli elementi sono caratterizzati dal numero di protoni L Idrogeno (simbolo H) ha 1 protone Tavola periodica degli Elementi Il Carbonio (simbolo C) ha 6 protoni A = Numero di Massa: indica il numero protoni + neutroni Z = Numero Atomico: indica il numero dei protoni A Z X Simbolo chimico 2

GLI ISOTOPI IL CARBONIO Numero protoni + neutroni Numero protoni 12 C 6 Il Carbonio 12 nel suo nucleo ha 6 protoni e 12-6 = 6 neutroni Esistono altri atomi di Carbonio che hanno un diverso numero di neutroni (isotopi) 11 C 13 C 14 C 6 6 6 3

GLI ISOTOPI RADIOATTIVI Alcuni isotopi dei vari elementi possono essere radioattivi altri no. Continuando l esempio del Carbonio: il Carbonio 12 e 13 sono stabili, mentre il carbonio 11 e 14 sono radioattivi. 11 C 12 C 13 C 14 C 6 6 6 6 4

MISCELA DI ISOTOPI Gli elementi presenti in natura sono costituiti da miscele di isotopi presenti in diversa percentuale. Ecco alcuni esempi di composizione isotopica di elementi naturali: Potassio (K): 93,22% 39 K + 0,01% 40 K + 6,77% 41 K Uranio (U): 0,005% 234 U + 0,720% 235 U + 99,275% 238 U Gli isotopi in giallo sono radioattivi Poiché nel corpo umano è presente una quantità di Potassio compresa fra i 110 g e i 140 g e lo 0.01% di questo è radioattivo, allora nel nostro corpo è presente una quantità di Potassio radioattivo compreso fra i 11 mg e i 14 mg. Che corrisponde ad una attività compresa fra 2.8 kbq e 3.6 kbq. 5

Radiazioni ionizzanti Le sorgenti radioattive emettono radiazioni di elevata energia che possono produrre la scissione delle molecole e la ionizzazione degli atomi. Per questo motivo sono dette radiazioni ionizzanti Radiazione Radiazioni emesse durante i decadimenti radioattivi: Particelle α e β Radiazioni γ Radiazioni emesse da altre sorgenti: Raggi X Raggi ultravioletti Le radiazioni ionizzanti possono produrre danni agli organismi viventi. 6

Particelle alfa (α) Nei nuclei molto grandi, i protoni della periferia sentono meno la forza attrattiva (forza forte) che tiene incollati i nucleoni (protoni e neutroni) fra loro, possono quindi essere espulsi dal nucleo. Non viene mai espulso un protone da solo, ma un pacchetto di nucleoni costituito da 2 protoni e 2 neutroni, chiamato particella alfa (α). La particella α ha carica 2+ 7

Particelle beta (β) Le particelle beta sono elettroni proprio come quelli che orbitano attorno al nucleo. Vengono chiamate particelle β per indicare che hanno una origine diversa, infatti, vengono prodotte dal nucleo durante il decadimento. Le particelle beta possono avere carica 1- oppure 1+ a seconda che si tratti di elettroni o di positroni (identici agli elettroni ma con carica positiva) 8

Potere frenante (Stopping Power) Una particella carica (e -, β, β +, α, p + ) che attraversa la materia interagisce con gli elettroni degli atomi producendo ionizzazioni. Occorrono mediamente 30 ev per produrre una ionizzazione e la particella perde una corrispondente frazione di energia Un parametro importante è il Potere Frenante (Stopping Power) che varia fortemente per le varie particelle e varia con il materiale e la energia della particella S = E x In Acqua, si ha : per e e β per le particelle α S = 2 Mev/cm S = 1700 MeV/cm 9

Una cellula attraversata da α o β Calcoliamo lo Stopping Power in ev/µm particelle beta (β) particelle alfa (α) S = 200 ev/µm S = 170.000 ev/µm 1 µm 1 µm Una particella β che attraversa una cellula di diametro di 1 µm rilascia 200 ev, producendo circa 6-7 ionizzazioni; la probabilità di danno cellulare è molto bassa. Una particella α che attraversa la stessa cellula rilascia 170.000 ev, producendo circa 60.000 ionizzazioni; la probabilità di danno cellulare è altissima! 10

Particelle α e β nel tessuto molle Particelle β emesse dal Fosforo 32: E max = 1.7 MeV E max 1.7 x tessuto = = cm = 0.85 cm = 8500 µm S β 2 Particelle α tipicamente hanno una energia pari a: E = 5 MeV E 5 x tessuto = = cm = 0.003 cm = 30 µm S α 1700 11

Strato germinativo della cute Strato germinativo della cute è posto a circa 70µm di profondità. α β P32 70 µm 30 µm 8500 µm 12

Particelle α e β in aria Il potere frenante dipende dal numero di elettroni incontrati dalla particella ionizzante nel suo percorso. - + + - - - - - - - - - - - -- - - - Il numero di elettroni è proporzionale alla densità, quindi le particelle α e β compiono percorsi maggiori in aria piuttosto che in acqua (o nel tessuto). L aria ha una densità pari a 1.3 kg/m 3 mentre l acqua ha una densità di circa 1000 kg/m 3, quindi il percorso in aria è 1000/1.3 volte maggiore (770 volte) rispetto al percorso in acqua. 13

Percorso delle particelle α e β in aria e in acqua Aria 7 metri Una particella β emessa dal P32 percorre in aria una distanza pari a circa 700 cm 2.5 cm Una particella α da 5 MeV percorre in aria una distanza di circa 2.5 cm Acqua (tessuto molle) 0.85 cm Una particella β emessa dal P32 percorre in acqua una distanza pari a circa 0.85 cm 0.003 cm Una particella α da 5 MeV percorre in acqua una distanza di circa 0.003 cm 14

Radiazioni indirettamente ionizzanti Le particelle cariche come le particelle α e β sono radiazioni direttamente ionizzanti. I raggi X, γ e neutroni sono radiazioni indirettamente ionizzanti, in quanto producono ionizzazione solo dopo aver ceduto la loro energia ad una particella carica (un elettrone o un protone o un nucleo). La interazione di queste radiazioni con la materia segue leggi probabilistiche Può capitare che un fotone X o γ attraversi spessori elevati di materiali senza interagire. 15

Radiazioni direttamente e indirettamente ionizzanti Eβ E=Eβ-S x Una particella β che attraversa uno spessore x di materiale perde tutta oppure parte della sua energia x X, γ Una fotone X o γ che attraversa un materiale può passare indenne oppure interagire mettendo in moto un elettrone 16

Radiazione gamma (γ) I raggi γ non sono altro che radiazioni elettromagnetiche (e.m.) proprio come la luce visibile, le onde radio o le microonde. La radiazione e.m. è un onda che trasporta solo energia ma non materia. Le onde e.m. viaggiano in brevi treni di impulsi (piccoli pacchetti) chiamati: fotoni che simbolicamente vengono rappresentati in questo modo e sono prodotti nei decadimenti radioattivi. β γ γ α 17

Spettro elettromagnetico Le radiazioni luminose hanno energie comprese tra 1,5 e 3 ev I raggi ultravioletti tra 3 e 20 ev I raggi X usati per le radiografie tra 20.000 e 100.000 ev (20 e 100 kev) I raggi gamma emessi dal Cesio 137 esattamente 661.645 ev (~662 kev) 1 kev = 1000 ev 18

Interazione dei fotoni I fotoni possono interagire con la materia in modi diversi a seconda dell energia che trasportano: Fotoni a bassa energia Fotoni ad media energia Fotoni ad alta energia effetto fotoelettrico interazione Compton produzione di coppie Bassa energia < 500 kev 500 kev < media energia < 1 MeV Alta energia > 1,022 MeV 19

Effetto fotoelettrico Un fotone di bassa energia può collidere con un elettrone orbitale ed espellerlo dall atomo. Il fotone viene totalmente assorbito; ELETTRONE FOTONE + NUCLEO L elettrone viene espulso con una energia uguale all energia del fotone meno l energia di legame dell elettrone all atomo. Vengono espulsi gli elettroni degli orbitali più interni; Gli elettroni degli orbitali superiori scendono a ricoprire la vacanza e nello spostamento vengono emessi raggi x ATOMO 20

ELETTRONE FOTONE + Interazione Compton Avviene per fotoni di energia media (500 kev < e< 1 MeV); consiste nella collisione di un fotone con un elettrone debolmente legato; (come gli elettroni degli orbitali più esterni); Dalla collisione emerge: - un nuovo fotone con energia inferiore e traiettoria diversa da quella originale; -l elettrone con energia pari all energia persa dal fotone incidente; NUCLEO ATOMO 21

Produzione di coppie Consiste nella creazione di una coppia elettrone positrone (particella del tutto simile all elettrone ma di carica +) FOTONE + E un effetto a soglia, pertanto si verifica solo per fotoni con energie superiori a 1,022 MeV (massa dell elettrone = 0,511 MeV); ATOMO NUCLEO Si verifica nelle vicinanze di un nucleo a causa dell interazione del fotone con il campo elettrico creato dal nucleo; 22

Probabilità di interazione La probabilità che i fotoni (raggi γ ο raggi X) interagiscano con la materia in un modo piuttosto che in un altro dipende: 1 dalla energia del fotone 2 dal numero atomico Z degli atomi della materia attraversata. effetto fotoelettrico: è prevalente alle basse energie e per valori di Z elevati; interazione Compton: è prevalente alle energie medie ed è quasi indipendente da Z; produzione di coppie: è prevalente alle alte energie e per valori di Z elevati; Z è il numero di protoni contenuti nel nucleo, e caratterizza l elemento. 23

Attenuazione del fascio Le interazioni dei fotoni (X e γ) con la materia sono fenomeni probabilistici; Non posso dire se il singolo fotone sarà assorbito, ma posso conoscere la frazione di fotoni che attraverserà lo schermo; 24

Quanti sono i fotoni che subiscono interazione? Il numero N di fotoni che interagisce dipende da: Numero di fotoni incidenti N 0 Coefficiente di attenuazione µ Spessore del materiale x Di conseguenza : N = - N 0 µ x ( il segno indica che i fotoni N risultano mancanti rispetto al numero iniziale) Tutte le leggi con un meccanismo di funzionamento probabilistico portano ad una equazione esponenziale N(x) = N 0 e -µx molto simile alla legge sul decadimento radioattivo 25

Coefficienti di attenuazione Il coefficiente di interazione rappresenta la frazione di radiazione gamma che interagisce per unità di spessore attraversato µ f = coefficiente di assorbimento fotoelettrico. µ c = coefficiente di interazione compton. µ pp = coeffic. di interazione per la produzione di coppie. Z Z 4 µ F 3 C E E µ 2 Z ( E 1,022) µ PP Fotoelettrico Compton Produzione di coppie 26

Fotoni emergenti e fotoni assorbiti 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fotoni emergenti N(x) = N 0 e -µx 10 0 0 0 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 10 0 0 0 0 20 40 60 80 100 Fotoni assorbiti N abs (x) = N 0 (1- e -µx ) 27

Schermature per fotoni Perché per schermare la radiazione γ e i raggi X (fotoni) si usa il piombo? Il Piombo (Pb) ha numero atomico elevato Z = 82; Per fotoni di bassa energia (E < 500 kev) l effetto predominante è quello di assorbimento fotoelettrico in cui il fotone viene assorbito totalmente; L effetto fotoelettrico ha una probabilità maggiore di avvenire per materiali con un alto numero Z, quindi il piombo è un materiale adatto a schermare fotoni di energie non troppo elevate; 28

Schermature per fotoni Per energie maggiori l effetto predominante diventa l interazione Compton, per il quale il valore di Z non influenza in modo incisivo l assorbimento; se gli spessori in gioco diventano troppo elevati, il piombo può creare problemi di tipo strutturale; si preferisce quindi usare materiali più adatti dal punto di vista costruttivo e strutturale come il calcestruzzo, con Z inferiore al Piombo ma con spessori più elevati si ottiene lo stesso risultato di schermatura; 29

I neutroni Sono uno dei tipi di particelle che costituiscono il nucleo, insieme ai protoni I protoni hanno carica elettrica positiva + I neutroni sono privi di carica elettrica PROTONI NEUTRONI Non ci sono sorgenti radioattive che emettono neutroni; Solo il Californio 252 (emettitore alfa) subisce fissione spontanea (processo nel quale il nucleo si dimezza in due metà quasi uguali) e vengono emessi neutroni di varie energie; 30

Produzione di neutroni La sorgente più prolifica di neutroni è il reattore nucleare la separazione del nucleo dell Uranio o del Plutonio in un reattore nucleare è accompagnato dall emissione di numerosi neutroni. Altre sorgenti di neutroni dipendono da reazioni nucleari: 9 4 4 2 ( 12 ) C n Be + He + Berillio 9 Particella α Carbonio 12 6 Neutrone 31

Produzione di neutroni Berillio 9 9 4 4 2 ( 12 ) C n Be + He + PARTICELLA α (Nucleo di Elio) 6 Carbonio 12 Neutrone L Am 241 decade emettendo particelle α che bombardando il Be 9 stimolano la produzione di neutroni. Berillio 9 Americio 241 32

Classificazione dei neutroni Neutroni termici 0,025 ev Neutroni epitermici 0,025 1 ev Neutroni lenti 1 100 ev Neutroni intermedi 0,1 10 kev Neutroni veloci 0,01 10 MeV 0,025 ev 1 ev 100 ev 10.000 ev 10.000.000 ev epitermici lenti intermedi veloci alta energia termici 33

Interazione dei neutroni Al momento della loro nascita tutti i neutroni sono veloci; Perdono la loro energia collidendo con i nuclei della materia che incontrano nel loro cammino; Collisione elastica: L energia di movimento (cinetica) delle particelle si conserva, il nucleo non rimane eccitato dopo la collisione. Collisione anelastica: L energia cinetica delle particelle non si conserva, il nucleo rimane in uno stato eccitato e restituisce l energia di eccitazione con l emissione di un fotone. 34

Collisioni Collisioni elastiche: avvengono tra neutroni e nuclei leggeri (tipicamente nuclei di idrogeno). Il neutrone può perdere anche tutta la sua energia in una sola collisione. Le collisioni elastiche sono molto efficaci nel rallentare i neutroni veloci. Nucleo di Idrogeno (costituito da un unico protone) Collisioni anelastiche: avvengono tra neutroni veloci e nuclei pesanti. L energia ceduta dal neutrone al nucleo viene riemessa da questo sotto forma di radiazione elettromagnetica (fotoni), e quindi perduta. Nucleo pesante (costituito da molti nucleoni) 35

Schermature per neutroni I neutroni sono particelle molto penetranti, in quanto essendo prive di carica possono attraversare grandi spessori di materiale ad alto numero atomico (es. Piombo); Be SORGENTE α PIOMBO RIVELATORE Fascio di particelle α Fascio di neutroni Fascio di neutroni La probabilità per i neutroni di interagire con la materia dipende dalla energia e quindi dalla loro velocità. I neutroni termici hanno una più alta probabilità di interazione; Per schermare i neutroni bisogna prima rallentarli; 36

Schermature per neutroni I neutroni vengono rallentati facendoli passare attraverso materiali con un alto contenuto di Idrogeno (es. Acqua H 2 o oppure la grafite o la paraffina); In seguito possono essere assorbiti da altri materiali, in seguito a reazioni nucleari: Litio (Li) 10 5 7 3 n+ B Li 1 n+ H 1 2 1 H +α n Boro (B) Nucleo instabile α n Idrogeno Idrogeno (Deuterio) 37

Elettroni Perdono energia prevalentemente per ionizzazione del mezzo che attraversano (detto mezzo assorbente); Il potere assorbente del mezzo attraversato dipende dal numero di elettroni per unità di superficie e in misura molto minore dal numero atomico Z; - - - -- - - - I materiali utilizzati per schermare la radiazione beta (elettroni) sono quasi sempre fatti con materiali a basso numero atomico. Perché? 38

Radiazione di frenamento Gli elettroni hanno anche un altro modo di perdere energia, per frenamento (bremsstrahlung); - + ATOMO FOTONE ELETTRONE L elettrone arriva vicino al nucleo, viene rallentato e deviato dal suo campo elettrico; NUCLEO L energia perduta per frenamento viene emessa come radiazione elettromagnetica (fotoni); Questo fenomento viene esaltato per elettroni di energia elevata e per materiali con alto numero atomico Z; Ecco perché per schermare la radiazione beta (β) si preferisce utilizzare materiali con basso Z, per evitare che vengano prodotti fotoni; 39

Schermi per elettroni Per schermare gli elettroni si scelgono quindi materiali con basso Z come il plexiglas (numero atomico medio circa 7) per evitare che venga prodotta radiazione di frenamento. Per schermare gli elettroni provenienti dai decadimenti beta bastano 1 cm 1,5 cm di plexiglas Una sorgente di Stronzio 90 (Sr90) può essere schermata con 1 cm di plexiglass, se si utilizzasse piombo circa il 7% degli elettroni incidenti sulla schermatura produrrebbero radiazione elettromagnetica, in quanto l elettrone emesso nel decadimento dello Sr90 è molto energetico (2,27 mev) 40

Potere di penetrazione CEMENTO PLEXIGLAS CARTA La radiazione più penetrante è quella gamma e la radiazione neutronica; RAGGI GAMMA (γ) la meno penetrante èla radiazione alfa; PARTICELLE BETA (β) PARTICELLE ALFA (α) SORGENTE RADIOATTIVA La radiazione beta può essere molto penetrante a seconda dell energia trasportata dagli elettroni; 41

Irraggiamento esterno Le radiazioni più pericolose per irraggiamento esterno sono le radiazioni gamma, perché possono attraversare diversi spessori di materia prima di essere fermate; la radiazione alfa èla meno pericolosa per irraggiamento esterno perché viene fermata in pochi cm d aria e comunque non riesce a oltrepassare lo strato superficiale della pelle; la radiazione beta può raggiungere lo strato più profondo della pelle per energie superiori ai 70 kev, per energie inferiori può essere fermata in pochi mm di materia. la radiazione neutronica è molto pericolosa perché è molto penetrante, viene schermata con acqua o altri materiali ad alto contenuto di idrogeno. Se non viene schermata crea ionizzazioni interagendo con i nuclei di idrogeno dell acqua contenuta nel corpo; 42

Irraggiamento interno Quando la sorgente si trova all interno del corpo umano (esempio si respira aria contaminata) la radiazione più pericolosa èla radiazione alfa, perché perde tutta la sua energia in un breve percorso. 43