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INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA.

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Presentazione sul tema: "INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA."— Transcript della presentazione:

1 INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA

2 Forza di Coulomb tra il campo della particella carica e gli elettroni orbitanti e i nuclei atomici. Le collisioni inelastiche con gli elettroni orbitanti risultano in eccitazione e ionizzazione dei medesimi e nella perdita di energia della particella carica (1) Le interazioni inelastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli elettroni che hanno piccola massa perdite radiative per bremstrahlung (2) Le interazioni elastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli elettroni che hanno piccola massa e ne provocano la diffusione laterale (3) N.B.: Le particella cariche pesanti vanno incontro anche a interazioni nucleari dando vita a radionuclidi. CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?

3 (1) PERDITA DI ENERGIA dE/dx o POTERE FRENANTE La particella carica perde poca energia in ogni urto coulombiano; gli urti sono tantissimi. Il valore medio dellenergia persa in un singolo urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH dE/dx ~ Z z 2 /v 2 essendo Z il numero atomico del materiale, z e v la carica e la velocità della particella:

4 (1) PERDITA DI ENERGIA dE/dx o POTERE FRENANTE La particella carica perde poca energia in ogni urto coulombiano; gli urti sono tantissimi. Il valore medio dellenergia persa in un singolo urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH dE/dx ~ Z z 2 /v 2 essendo Z il numero atomico del materiale, z e v la carica e la velocità della particella: una particella più è carica e più è lenta più ionizza

5 (1) PERDITA DI ENERGIA dE/dx o POTERE FRENANTE La particella carica perde poca energia in ogni urto coulombiano; gli urti sono tantissimi. Il valore medio dellenergia persa in un singolo urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH dE/dx ~ Z z 2 /v 2 essendo Z il numero atomico del materiale, z e v la carica e la velocità della particella: una particella più è carica e più è lenta più ionizza allinizio la perdita di energia è costante

6 (1) PERDITA DI ENERGIA dE/dx o POTERE FRENANTE La particella carica perde poca energia in ogni urto coulombiano; gli urti sono tantissimi. Il valore medio dellenergia persa in un singolo urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH dE/dx ~ Z z 2 /v 2 essendo Z il numero atomico del materiale, z e v la carica e la velocità della particella: una particella più è carica e più è lenta più ionizza allinizio la perdita di energia è costante quando la particella rallenta a fine percorso la perdita di energia ha un picco -> picco di Bragg

7 Perdita di energia in funzione della profondità di penetrazione in acqua per una particella carica pesante

8 (1) PERDITA DI ENERGIA dE/dx o POTERE FRENANTE La particella carica perde poca energia in ogni urto coulombiano; gli urti sono tantissimi. Il valore medio dellenergia persa in un singolo urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH dE/dx ~ Z z 2 /v 2 essendo Z il numero atomico del materiale, z e v la carica e la velocità della particella: una particella più è carica e più è lenta più ionizza allinizio la perdita di energia è costante quando la particella rallenta a fine percorso la perdita di energia ha un picco -> picco di Bragg a parità di energia cinetica gli elettroni, essendo meno massivi, sono più veloci, quindi perdono meno energia

9 Curve dose-profondità per protoni ed elettroni

10 Curve dose-profondità per vari fasci di particelle cariche con picco di Bragg modulato alla profondità di 10 cm.

11 Forza di Coulomb tra il campo della particella carica e gli elettroni orbitanti e i nuclei atomici. Le collisioni inelastiche con gli elettroni orbitanti risultano in eccitazione e ionizzazione dei medesimi e nella perdita di energia della particella carica (1) Le interazioni inelastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli elettroni che hanno piccola massa perdite radiative per bremstrahlung (2) Le interazioni elastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli elettroni che hanno piccola massa e ne provocano la diffusione laterale (3) N.B.: Le particella cariche pesanti vanno incontro anche a interazioni nucleari dando vita a radionuclidi. CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?

12 (2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG Il percorso degli elettroni viene continuamente deflesso a causa della presenza del campo elettrico creato dai protoni degli atomi del mezzo Gli elettroni decelerano e dunque perdono energia sotto forma di fotoni detti di frenamento (N.B.: particelle cariche in moto accelerato emettono onde elettromagnetiche) Questo processo, puramente elettromagnetico, è Bremsstrahlung Bremsstrahlung (= frenamento)

13 Poichè un elettrone può avere una o più interazioni di bremsstrahlung in un materiale e ognuna di esse può risultare in una perdita di energia parziale o completa i risultanti fotoni di bremsstrahlung possono avere unenergia fino allenergia iniziale dellelettrone. Lo spettro di bremsstrahlung è quindi policromo. La probabilità di bremsstrahlung varia con Z 2 del materiale. I fotoni risultanti di bremsstrahlung sono nelle frequenze dei raggi X produzione artificiale di raggi X (2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG Spettro di energia

14 La direzione di emissione dei fotoni di bremsstrahlung dipende dallenergia dellelettrone incidente (2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG Distribuzione angolare

15 UNA PARENTESI: RAGGI X CARATTERISTICI Elettroni che colpiscono una targhetta producono anche raggi X caratteristici. Un elettrone con energia cinetica E 0 può interagire con un atomo del bersaglio rimuovendo un elettrone di un orbitale interno (K,L o M) e lasciando latomo ionizzato. Lelettrone originale dopo la collisione avrà energia E 0 - ΔE, dove ΔE e lenergia rilasciata allelettrone legato, la parte della quale che eccede lenergia di legame diventa energia cinetica dellelettrone espulso. Il buco creatosi nellorbitale viene riempito da un elettrone esterno, unitamente alla emissione di radiazione elettromagnetica. Al salire del numero atomico del bersaglio la radiazione emessa è di energia sufficientemente alta da appartenere allo spettro X. I raggi X caratteristici quindi, a differenza dei fotoni di bremsstrahlung, sono emessi a energie discrete.

16 SPETTRO DI RAGGI X Spettro continuo di fotoni di frenamento Fotoni di bassa energia eliminati Raggi X caratteristici

17 FRENAMENTO IONIZZAZIONE diretta Produzione di raggi X Energia < 1 MeVEnergia > 1 MeV Z del materiale PERDITA di ENERGIA COMPLESSIVA degli ELETTRONI Energia persa in prossimità elettrone Energia persa a distanze maggiori Z 2 del materiale Produzione di elettroni liberi

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19 (3) DIFFUSIONE LATERALE Langolo di diffusione varia approssimativamente con il quadrato del numero atomico e con linverso del quadrato dellenergia cinetica. Per questa ragione materiali di alto numero atomico sono utilizzati per la realizzazione di sottili diffusori che diffondono il fascio di elettroni che emerge dall acceleratore. I diffusori sono molto sottili per minimizzare la contaminazione da raggi X del fascio di elettroni.

20 DIVERSO PERCORSO DI FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO fotone ACQUA elettrone Percorso elettrone 1/10 mm Percorso fotone 1/2 cm

21 E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E TESSUTO VIVENTE?

22 Cosa succede ad un organismo biologico quando viene colpito da una radiazione? 1.Danno FISICO 2.Danno CHIMICO Gli elettroni di ionizzazione sono i RESPONSABILI del DANNO BIOLOGICO DANNO BIOLOGICO

23 LE FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE TRA RADIAZIONE E TESSUTI BIOLOGICI FASE TEMPO EFFETTO Fisica secondi ionizzazione-eccitazione Fisico-chimica secondi formazione di radicali liberi Biochimica frazioni di secondi-settimane inattivazione enzimi e organuli cellulari Biologica giorni-mesi-anni inattivazione, riparazione, morte cellulare e tissutale Clinica giorni- mesi- anni manifestazioni cliniche a carico dellorganismo

24 Linterazione delle radiazioni con la struttura cellulare che costituisce il tessuto biologico può causare danni fisici diretti letali par la cellula: se la deposizione di energia è elevata si possono avere infatti mutazioni nella replicazione cellulare a causa della rottura delle eliche del DNA. In questo caso la cellula non si riproduce correttamente: MORTE CELLULARE Questo effetto è POSITIVO: se si vuole distruggere un tessuto malato (tumore) NEGATIVO: se si colpisce un tessuto sano FASE FISICA

25 Come quantificare la deposizione di energia? ovvero qualità della radiazione DOSE Linear Energy Trasfer (LET) TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA ovvero quantità e rateo di radiazione assorbita

26 LA DOSE ASSORBITA E lenergia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti in un elemento volumetrico di massa dm Si misura in Gray (Gy) 1 Gy= 1J/1Kg Quando un fascio incide su un paziente, la dose assorbita varia con la profondità e dipende: dal tipo di radiazione, dalla sua energia, dal mezzo attraversato D= dE/dm

27 Rappresenta lenergia (in KeV) trasferita dalla radiazione nellunità di percorso (usualmente in m) indica la capacità della radiazione di provocare ionizzazione, ovvero la densita di elettroni secondari, i veri responsabili del danno cellulare Il LET linear energy transfer TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA

28 Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ m) Radiazione ad BASSO LET (<10 Kev/ m) PROTONI E IONIELETTRONI Massa maggiore Massa minore Velocità minore nel mezzoVelocità maggiore nel mezzo > DENSITA di IONIZZAZIONE < DENSITA di IONIZZAZIONE

29 LE RADIAZIONI IONIZZANTI si suddividono in Direttamente ionizzanti costituite da particelle elettricamente cariche, come elettroni, protoni e ioni Indirettamente ionizzanti costituite da fotoni o neutroni che trasferiscono energia agli elettroni degli atomi RADIAZIONI IONIZZANTI

30 SORGENTI delle radiazioni ionizzanti NATURALI Raggi cosmici Raggi cosmici Radionuclidi naturali Radionuclidi naturali ARTIFICIALI Tubo a raggi X (diagnostica) Tubo a raggi X (diagnostica) >> fotoni X >> fotoni X Acceleratori (radioterapia) Acceleratori (radioterapia) >> elettroni, fotoni X, protoni, ioni >> elettroni, fotoni X, protoni, ioni Radionuclidi (medicina nucleare) Radionuclidi (medicina nucleare) >> radionuclidi >> radionuclidi

31 RADIOTERAPIA

32 Con il termine RADIOTERAPIA si intende luso di radiazioni ionizzanti altamente energetiche (fotoni X o gamma, elettroni, protoni) nel trattamento dei tumori. La radiazione incidente sui tessuti neoplastici distrugge le cellule tumorali. Irradiare la regione neoplastica con una DOSE elevata senza danneggiare irreparabilmente gli organi sani adiacenti

33 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde

34 Elettroni ( MeV) : raggiungono regioni poco profonde e poi si attenuano rapidamente nel tessuto Range di energie: 6-20 MeV RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA

35 Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità

36 Le radiazioni sono generate da 1.Acceleratori lineari 2.Ciclotroni 3.Betatroni 4.Radionuclidi In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA


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