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Radiazioni ionizzanti G. Pugliese Biofisica, a.a. 09-10 Le radiazioni ionizzanti sono, per definizione, radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente,

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Presentazione sul tema: "Radiazioni ionizzanti G. Pugliese Biofisica, a.a. 09-10 Le radiazioni ionizzanti sono, per definizione, radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente,"— Transcript della presentazione:

1 Radiazioni ionizzanti G. Pugliese Biofisica, a.a Le radiazioni ionizzanti sono, per definizione, radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole dei materiali attraversati. In pratica, nell'attraversare la materia, queste radiazioni riescono a strappare, in virtù della loro energia, un elettrone dall'orbita esterna di un atomo creando così una coppia di ioni. Per produrre una coppia di ioni in aria occorrono mediamente 34 eV (dipende dal materiale). Sono direttamente ionizzanti le particelle elettricamente cariche (elettroni, particelle beta, particelle alfa, etc.); Sono indirettamente ionizzanti i fotoni (raggi X, raggi gamma), i neutroni. Considerato che le energie di soglia dei processi di ionizzazione sono di alcuni eV, si comprende che le radiazioni elettromagnetiche in grado di produrre ionizzazione nella materia sono unicamente i raggi ultravioletti di alta frequenza, i raggi X e i raggi gamma. Le radiazioni ionizzanti sono, per definizione, radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole dei materiali attraversati. In pratica, nell'attraversare la materia, queste radiazioni riescono a strappare, in virtù della loro energia, un elettrone dall'orbita esterna di un atomo creando così una coppia di ioni. Per produrre una coppia di ioni in aria occorrono mediamente 34 eV (dipende dal materiale). Sono direttamente ionizzanti le particelle elettricamente cariche (elettroni, particelle beta, particelle alfa, etc.); Sono indirettamente ionizzanti i fotoni (raggi X, raggi gamma), i neutroni. Considerato che le energie di soglia dei processi di ionizzazione sono di alcuni eV, si comprende che le radiazioni elettromagnetiche in grado di produrre ionizzazione nella materia sono unicamente i raggi ultravioletti di alta frequenza, i raggi X e i raggi gamma.

2 Radiazione elettromagnetica G. Pugliese Biofisica, a.a

3 Interazione della radiazione con la materia G. Pugliese Biofisica, a.a Radiazione elettromagnetica (γ, X) Particelle cariche pesanti (α, p, deutoni, ioni pesanti...) Particelle cariche leggere (β -, β +, e -, e + ) Particelle neutre (n)

4 G. Pugliese Biofisica, a.a Interazione radiazione materia I fotoni nellattraversare un mezzo assorbente possono interagire sia con gli elettroni degli atomi sia con il nucleo atomico. I principali effetti osservati al passaggio della radiazione e.m. nella materia sono: 1.Effetto fotoelettrico 2. Scattering Thomson 3. Effetto Compton 4.Formazione di coppie I fotoni nellattraversare un mezzo assorbente possono interagire sia con gli elettroni degli atomi sia con il nucleo atomico. I principali effetti osservati al passaggio della radiazione e.m. nella materia sono: 1.Effetto fotoelettrico 2. Scattering Thomson 3. Effetto Compton 4.Formazione di coppie

5 Effetto fotoelettrico G. Pugliese Biofisica, a.a Fino ad energie di qualche keV il fenomeno dominante è leffetto fotoelettrico. Consiste nellurto tra un fotone ed un atomo, che determina assorbimento del fotone ed emissione di un elettrone. L'elettrone emesso per effetto fotoelettrico lascia una lacuna' nell'atomo emettitore; questa lacuna viene riempita dagli elettroni più esterni e la transizione viene accompagnata dall'emissione di raggi X caratteristici del materiale (fluorescenza) o espellere un elettrone Auger (una sorta di effetto fotoelettrico interno in cui la radiazione di fluorescenza viene assorbita dall atomo stesso con conseguente emissione di un elettrone Leffetto fotoelettrico è un effetto a soglia, potendosi verificare solo quando lenergia del fotone incidente è superiore allenergia di legame dellelettrone.

6 Effetto fotoelettrico G. Pugliese Biofisica, a.a L'energia cinetica con cui vengono emessi gli elettroni variava con la frequenza della radiazione incidente secondo la relazione: W 0 l'energia caratteristica associata ad ogni dato metallo e chiamata energia di legame Dove = 1 per lorbita k, 5 per la L e 13 per la M ed n è il numero quantico dellorbita Formula di Moseley:

7 Sezione durto x leffetto fotoelettrico G. Pugliese Biofisica, a.a hν << mc 2 e diverse dallenergia di legame e - Quando lenergia del fotone è circa uguale allenergia di legame dellelettrone: dipende da -8/3 per energie relativistiche e hν >> mc 2 x lorbita k

8 Sezione durto x leffetto fotoelettrico G. Pugliese Biofisica, a.a X le orbite più esterne (formula empirica): Leffetto fotoelettrico predomina alle basse energie (< 0.5MeV ) ed è tanto più importante quanto più alto è il numero atomico del materiale

9 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a Processo elastico e relativistico ed incoerente (gli e - si comportano come se fossero liberi ed indipendenti) il fotone viene diffuso in una direzione diversa da quella incidente Lelettrone viene messe in moto con una certa energia cinetica Secondo la teoria classica dellelettromagnetismo gli elettroni bersaglio, una volta eccitati dai fotoni proiettile, oscillano con la stessa frequenza della radiazione incidente emettendo quindi, qualunque sia la direzione di diffusione, radiazione ancora della stessa frequenza. Secondo la teoria quantistica invece avviene un fenomeno durto fra fotoni ed elettroni periferici, tramite il quale gli elettroni assorbono parte dellenergia dei fotoni che quindi risultano avere una frequenza minore dipendente dallangolo di scattering.

10 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a Per la conservazione della quantità di moto : ma Quindi Calcoliamo la perdita di energia del fotone incidente in funzione dellangolo di diffusione. Sia γ il fotone (di frequenza ν) incidente su un elettrone a riposo Sia γ il fotone diffuso (di frequenza ν) Sia e lelettrone dopo lurto Indichiamo θ langolo di diffusione

11 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a dove Quindi Per la conservazione dellenergia:

12 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a Combinando le 2 equazioni si ottiene: ricordando che si ottiene Sviluppando

13 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a dove c = h/m e c è la lunghezza donda di Compton dellelettrone.

14 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a Lenergia del fotone diffuso Per valori di h minori di circa MeV, tutte le curve convergono lungo la diagonale, indicando che h ' h per qualunque angolo di diffusione. Lelettrone, quindi, riceve una frazione trascurabile di energia nellinterazione

15 Scattering Compton G. Pugliese Biofisica, a.a Lenergia cinetica impressa allelettrone: Per θ=0° lenergia trasferita è nulla, e quindi lenergia del fotone è conservata. Per θ=180° il fotone è rimbalzato allindietro e lenergia trasferita è massima e vale :

16 Sezione durto Compton G. Pugliese Biofisica, a.a La sezione durto per lo scattering Compton è data dalla formula di Klein-Nishina, posto la costante: Per << 1 Per >> 1

17 Sezione durto Compton G. Pugliese Biofisica, a.a la sezione durto per effetto Compton relativa ad un atomo avente numero atomico Z è data da: Predomina ad energie tra circa 0.8 MeV e 4 MeV

18 Produzione di Coppie G. Pugliese Biofisica, a.a Quando lenergia del fotone diventa maggiore di 2m e = 1.02 MeV il processo dominate è la produzione di coppie. occorre che alla reazione partecipi un altro corpo, per poter soddisfare la conservazione del momento (il nucleo o elettrone). Processo a soglia: il processo può verificarsi solo se il fotone possiede unenergia maggiore della somma delle masse delle due particelle prodotte; ossia deve avere unenergia E γ MeV, nel caso avvenga nel campo del nucleo. 4me se avviene nel campo di un elettrone

19 Sezione durto produzione di coppia G. Pugliese Biofisica, a.a La sezione durto atomica del processo di creazione di coppie nel campo del nucleo La sezione durto atomica del processo di creazione di coppie nel campo di un e-

20 Riassiumiamo G. Pugliese Biofisica, a.a Per un tipo di radiazione elettromagnetica i processi di interazione dipendono dallenergia e dalle caratteristiche del materiale

21 Coefficiente di attenuazione (esempi) G. Pugliese Biofisica, a.a

22 Coefficiente di attenuazione (esempi) G. Pugliese Biofisica, a.a

23 Riassiumiamo: Sezioni durto G. Pugliese Biofisica, a.a PbAl f h < eVh < eV s eV < h < eV eV < h < eV PC h > eVh > eV Intervalli di energia per fotone in cui sono rilevanti i processi fotoelettrico, di scattering e di produzione di coppie, nel caso di sottili lamine di piombo e di alluminio In generale si può dire che, f, s, PC dipendono dal numero atomico degli atomi bersaglio. Più latomo è leggero, più si abbassa il punto al di sotto del quale domina leffetto fotoelettrico e diventa invece rilevante il livello di frequenze ove predomina la produzione di coppie. Ciò è dovuto al fatto che per gli atomi più leggeri diminuisce la probabilità di assorbimento: latomo subisce un urto consistente e dà luogo a fenomeni di trasmissione (scattering).

24 Riassiumiamo: Coeficienti di attenuazione G. Pugliese Biofisica, a.a Coefficienti di attenuazione ad energie del fascio incidente comprese fra 0.1 MeV e 1GeV per lamine di alluminio, stagno e piombo. Osserviamo come nellintervallo MeV, ove diventa consistente la produzione di coppie, il coefficiente di attenuazione sia il più basso e quindi risulti maggiore la lunghezza di attenuazione. Esempio: γ del 208 Tl (2.61 MeV). Nel piombo μ tot = cm -1 quindi λ = 2.1 cm

25 Coefficiente di attenuazione G. Pugliese Biofisica, a.a dove μ è detto coefficiente di attenuazione (o di assorbimento) e dipende sia dallenergia del fotone sia dalle caratteristiche del mezzo attraversato. I fotoni interagiscono con la materia in modo discontinuo e la loro intensità non viene mai ridotta a zero. La lunghezza di attenuazione λ è definita come: sezione durto σ che esprimeremo in cm 2 /atomi: rappresenta la probabilità che una data collisione tra due particelle avvenga. Essa ha le dimensioni di una superficie e viene misurata in barn (1 barn = cm 2 ). Rappresenta la lunghezza dopo la quale un fascio incidente su un materiale, risulta attenuato di un fattore 1 / e. rappresenta la probabilità per unità di percorso che un fotone ha di interagire con la sostanza nella quale si propaga.

26 Coefficiente di attenuazione (esempi) G. Pugliese Biofisica, a.a Andamento dei coefficienti di attenuazione lineare delle singole interazioni in funzione dell energia del fotone incidente. Il coefficiente di attenuazione totale μ tot, è la somma dei coefficienti dei tre processi considerati, e cioè:

27 Coefficiente di attenuazione massico G. Pugliese Biofisica, a.a coeff. di attenuazione massico È indipente dalla densità e stato fisico del mezzo. Se il mezzo considerato è una miscela di piu elementi il coefficiente di attenuazione masssico può essere valutato: Dove f i è la frazione in peso delliesimo elemento

28 Spessore emivalente SEV G. Pugliese Biofisica, a.a Unaltra importante caratteristica delle radiazioni ionizzanti è il cosiddetto SPESSORE emivalente SEV ossia lo spessore dopo il quale lintensità iniziale è ridotta al 50%:

29 SEM (esempi) G. Pugliese Biofisica, a.a Esempio dellacqua (SEM in condizione di buona geometria per fotoni monocromatici di varie energie): E(MeV)SEM (cm)

30 tessuti biologici :Tessuti molli G. Pugliese Biofisica, a.a Nel caso di tessuti biologici si possono individuare essenzialmente tre tipologie per le quali ciascun processo di interazione avrà maggiore o minore probabilità di avvenire.

31 tessuti biologici G. Pugliese Biofisica, a.a

32 G. Pugliese Biofisica, a.a Nel caso del piombo si ha leffetto maggiore ( = 0.4cm -1 ), con riduzione dellintensità del fascio di circa il 70%, prodotta da una lastra spessa 2.5 cm. Lo stesso risultato si avrebbe con lastre di alluminio di spessore 20cm


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