INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA

RADIAZIONE con la MATERIA INTERAZIONE della RADIAZIONE con la MATERIA Dipende da: tipo di radiazione energia delle radiazioni materiale irraggiato In particolare per X e gamma dipende dalla frequenza per p, n, beta, alpha dipende dalla carica e energia

Che cosa si intende per radiazione?

RADIAZIONE con la MATERIA INTERAZIONE della RADIAZIONE con la MATERIA Provoca in generale: Eccitazione Ionizzazione Frammentazione nuclei Rottura legami molecolari …

Energia di ionizzazione Ciascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z (e dunque della sua configurazione elettronica) possiede una determinata energia di ionizzazione: la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo

+ - + - Fenomeno della IONIZZAZIONE diretta Quando una particella, interagendo con un atomo, è in grado di spezzare il legame tra un elettrone e il nucleo dell’atomo e creare una coppia di ioni, uno negativo, l’elettrone libero, e uno positivo, l’atomo privo di elettrone, si parla di ionizzazione diretta. + - + -

Fenomeno dell’ ECCITAZIONE Quando la radiazione cede all’atomo energia sufficiente soltanto per passare dallo stato fondamentale ad un livello energetico superiore, (ma non tale da strappare un elettrone) si parla di eccitazione dell’atomo fotone Energia eV L= 0 L= 1 In seguito a tale processo,l’atomo tende poi a tornare allo stato fondamentale e la differenza di energia tra il livello fondamentale e quello di eccitazione viene riemessa N=2 N=1

RADIAZIONE con la MATERIA INTERAZIONE della RADIAZIONE con la MATERIA Per le particelle cariche e per i fotoni l’interazione principale con la materia è di tipo elettromagnetico Per gli adroni (cioè le particelle fatte di quarks come il protone, il neutrone e gli ioni pesanti di conseguenza) ad alte energie diventa significativa l’interazione nucleare. Processi em per X e gamma Processi em per particelle cariche Parleremo di pesanti (protoni e ioni) leggere (elettroni) Trascureremo l’interazione nucleare e i neutroni

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ? COSA SUCCEDE QUANDO UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ? Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia. SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X N.FOTONI LEGGE dell’attenuazione N= N0 e-x N0 = n° fotoni iniziale N = n° fotoni dopo spessore x : coefficiente di attenuazione lineare

HALF VALUE LAYER Definito come lo spessore di assorbitore richiesto per attenuare l’intensità del fascio a metà del suo valore originale N= N0 e-x N0 = n° fotoni iniziale N = n° fotoni dopo spessore x : coefficiente di attenuazione lineare HVL=0.693/ 

 = fot + Compton + coppie L’ interazione sarà diversa a seconda di: ENERGIA NATURA DEL MEZZO ( numero atomico, spessore) 3 SONO i PRINCIPALI “FENOMENI” di INTERAZIONE di un fascio di fotoni con un mezzo materiale: Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di coppie Dipendono dall’energia del fascio  = fot + Compton + coppie

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettrico Un fotone, urtando un atomo, viene assorbito dall’ atomo e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si “libera” dall’atomo con una certa energia cinetica (fotoelettrone). La “lacuna” che si è creata viene riempita da un elettrone delle orbite più esterne, che salta ad un livello di energia inferiore e l’energia in eccesso viene emessa sotto forma di fotone detto di “fluorescenza”.

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettrico fotone di “FLUORESCENZA” FOTONE elettrone ATOMO ENERGIA < 100 keV 10 keV< ENERGIA< 100keV DI INTERESSE IN RADIODIAGNOSTICA

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettrico Un fotone, urtando un atomo, viene assorbito dall’ atomo e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si “libera” dall’atomo con una certa energia cinetica (fotoelettrone). La “lacuna” che si è creata viene riempita da un elettrone delle orbite più esterne, che salta ad un livello di energia inferiore e l’energia in eccesso viene emessa sotto forma di fotone detto di “fluorescenza”. La probabilità di emissione del fotoelettrone è direttamente proporzionale al cubo del numero atomico e inversamente proporzionale al cubo dell’energia fot ~ Z3/E3 DI INTERESSE IN RADIODIAGNOSTICA

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto Compton Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone dell’atomo (elettrone Compton). L’elettrone è emesso dall’atomo e il fotone diffonde ELETTRONE COMPTON FOTONE INCIDENTE FOTONE DIFFUSO 100 keV < ENERGIA<  MeV Compton ~ 1/E

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Produzione di coppie Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia sono prodotti un ELETTRONE e un POSITRONE (elettrone con carica positiva) Al termine del suo percorso nel mezzo, il positrone si combina con un elettrone “libero”, dando origine a 2 FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Produzione di coppie ELETTRONE (0.51 MeV) FOTONE INCIDENTE (1.02 MeV) POSITRONE (0.51 MeV) FOTONI ELETTRONE

In prossimita’ di 1 MeV il coefficiente di assorbimento massico e’ quasi indipendente da Z: in diagnostica e’ necessario differenziare i tessuti biologici a seconda del valore di Z e pertanto sono impiegabili energie dei fotoni X fino ad alcune centinaia di KeV.

DAI 3 processi di interazione si producono quindi ELETTRONI liberi Queste particelle cariche ( carica e- = 1.6 * 10-19 C), dotate di una certa energia assorbita dal fascio di fotoni incidenti, cedono a loro volta l’energia nel mezzo Mezzo materiale Fascio di FOTONI ELETTRONI COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?