MECCANISMI DI INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI RADIAZIONE-MATERIA INTERAZIONE CON LE PARTICELLE CARICHE INTERAZIONE CON I FOTONI INTERAZIONE CON I NEUTRONI

INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA

Interazione radiazione-materia Le radiazioni propagandosi nello spazio possono incontrare materia vivente e non, con la quale interagiscono. I meccanismi di interazione sono diversi a seconda del tipo di radiazione, della sua energia e delle caratteristiche del materiale attraversato. Ne segue una diversa capacità di penetrazione dei vari tipi di radiazioni nei vari materiali.

Potere di penetrazione dei diversi tipi di radiazioni α carta alluminio (5 mm) piombo (25 mm) β γ

Assorbimento della radiazione

Interazione radiazione-materia La radiazione interagisce con la materia trasferendo ad essa energia attraverso ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato. A noi interessa il fenomeno della ionizzazione.

Interazione radiazione-materia La più importante caratteristica delle radiazioni ionizzanti consiste nel rilascio localizzato di una grande quantità di energia. Le radiazioni ionizzanti possono essere classificate in direttamente e indirettamente ionizzanti. DIRETTAMENTE IONIZZANTI: Particelle cariche (elettroni, protoni, particelle alfa, ioni più pesanti) INDIRETTAMENTE IONIZZANTI: raggi X, raggi gamma, neutroni, etc.

Tipi di radiazioni Ci sono quattro tipi fondamentali di radiazioni i cui processi d’interazione con la materia sono classificabili in base alle loro proprietà elettromagnetiche e alla loro massa Cariche Neutre  particelle pesanti protoni (p), muoni (μ), pioni (), … neutroni (n)  elettroni fotoni raggi X, raggi 

INTERAZIONE CON LE PARTICELLE CARICHE

Interazione con le particelle cariche  Il passaggio di particelle cariche attraverso la materia produce due tipi di interazioni: · Collisioni anaelastiche con gli elettroni degli atomi che compongono il materiale. · Scattering elastico con i nuclei. Gli effetti generati da queste interazioni sono: · Perdita di energia da parte della particella , nel caso in cui sia leggera si ottiene anche una deflessione della traiettoria. · Eccitazione o ionizzazione degli atomi che compongono il materiale.

Interazione con le particelle cariche Le particelle a sono cariche e pesanti , interagiscono con la materia prevalentemente tramite le collisioni anaelastiche, dovute alla forza di Coulomb tra la loro carica positiva e la carica degli elettroni presenti nelle shell atomiche. In ogni singola collisione perdono una piccola parte della propria energia cinetica, ma considerando la densità dei materiali e il numero enorme di collisioni che avvengono nell’unità di cammino percorso, la penetrazione delle particelle a è molto bassa. Anche le particelle beta e gli elettroni hanno una modesta capacità di penetrazione nella materia, ma i loro percorsi sono comunque assai maggiori di quelli delle particelle cariche pesanti.

Stopping Power Il cammino che compiono le particelle cariche è caratteristico per ogni singolo materiale. Definiamo stopping power “S” la quantità di energia persa, dalla particella all’interno di un materiale, lungo il corrispondente cammino percorso: S = - dE / dx L’andamento della perdita di energia di una particella carica leggera all’interno di un materiale è ben descritta dalla formula classica di Bohr: dE dx - = 4 Ne q2 e4 me v2 2 me v3 q e2  ln S = (  = (1 - 2 )-1/2 )

Interazione radiazioni - materia Particelle cariche: Range non costituiscono problema per irraggiamento esterno N spessore Range qualche cm aria Range alfa: un foglio di carta Sorgenti radioattive  m aria Range elettroni:  cm plastica  1 mm Piombo

INTERAZIONE CON I FOTONI

Interazioni dei  con la materia L’assorbimento delle radiazioni  (e X) nella materia avviene in modo sostanzialmente diverso da quello degli elettroni e delle particelle cariche, che rallentano gradualmente attraverso molte simultanee interazioni con gli atomi del mezzo, ed hanno percorsi ben definiti. I raggi , invece, non interagiscono sistematicamente, ma con meccanismi probabilistici che non ne riducono l’energia, ma li eliminano casualmente dal fascio di cui fanno parte. I processi fondamentali d’interazione dei  con la materia sono: effetto Compton effetto fotoelettrico produzione di coppie reazioni nucleari (trascurabili) 3

I tre effetti dei  con la materia L’effetto Compton : produce un parziale trasferimento dell’energia del fotone ad un elettrone del mezzo, mentre il fotone viene deviato di un certo angolo. Nell’effetto fotoelettrico e nella produzione di coppie il fotone scompare, e trasferisce tutta la propria energia rispettivamente ad un elettrone o a un elettrone e a un positrone. Effetto Compton Effetto fotoelettrico 5

I tre effetti dei  con la materia La produzione di coppie è un effetto a soglia (E >1022 keV), che è il valore in keV della massa dell’elettrone e del positrone che debbono essere “creati” Se nessuna di queste interazioni si verifica, la radiazione può passare attraverso il materiale. La ionizzazione prodotta viene detta secondaria, cioè si ha una limitata produzione diretta di elettroni (primari), che a loro volta cedono la propria energia al mezzo, producendo la maggior parte della ionizzazione. produzione di coppie e+e-

Effetto Fotoelettrico energia di legame dell’elettrone Assorbimento completo del fotone da parte di un elettrone atomico  espulsione elettrone di energia E = h - Eb  + A  e- + A+ energia di legame dell’elettrone emissione e-  creazione di uno ione con “vacanza” in una delle shell  riempimento della vacanza da parte di un e- libero e/o tramite riarrangiamento degli e- atomici  emissione di raggi X N.B. - processo dominante per E = h < 100 keV

Effetto Compton Cinematica : Diffusione del fotone da parte di e- quasi libero (i.e la cui energia di legame può essere trascurata)  + e-   + e- Cinematica : h’ = h 1 + ε (1 – cos θ) θ T h h’ ε = h mec2 1 + ε (1 – cos θ) 1 – cos θ ε2 T = mec2

μ vs. E (andamento qualitativo) Effetto Compton CASI PARTICOLARI θ = 0  ’ =  T = 0 θ =   h’ = h 1 + 2 ε T = h 2 ε (Compton Edge) E (MeV) μ (cm2 / g) 0.01 0.1 1.0 10.0 0.001 100.0 μ vs. E (andamento qualitativo) Pb N.B. - processo dominante per E = h ~ 1 MeV

Produzione di Coppie Creazione di coppia e+/e- per interazione del fotone nel campo coulombiano di un nucleo  + N  e+ + e- + N N.B. - reazione inversa (crossing) della bremmstrahlung e- + N   + e- + N - processo a soglia: E > 2me (~ 1 MeV) - processo dominante per E = h > 2 MeV

Interazione dei fotoni e numero atomico Z5 (fotoelettrico) Probabilità d’interazione  Z (Compton) Z2 (produzione di Coppie) Il numero di fotoni N(x), ancora presenti ad una certa profondità x in un materiale è data da: dove , detto coefficiente di attenuazione, è legato alla probabilità totale d’interazione nel materiale.  = 1/ = libero cammino medio 6

Fenomeni casuali Come nello studio dei decadimenti si definisce l’utile parametro “tempo di dimezzamento”(T1/2), che rappresenta il tempo dopo il quale una certa quantità di radionuclidi si dimezza, così nello studio dell’attenuazione dei raggi X e g si definisce il parametro “spessore emivalente” (HVL), che rappresenta lo spessore di un materiale capace di dimezzare l’intensità di un fascio di fotoni, cioè il loro numero. L’analogia tra i due fenomeni dipende esclusivamente dalla loro natura casuale La loro descrizione è assolutamente la stessa, a patto di scambiare il tempo con lo spazio.

Uno strano “caso” Piombo Calcestruzzo  = 1/ = libero cammino medio N  = coefficiente di attenuazione/assorbimento spessore N  = 1/ = libero cammino medio

INTERAZIONE CON I NEUTRONI

Interazione con i neutroni I neutroni, infine, perdono energia tramite le interazioni con i nuclei degli atomi dei materiali attraversati. In un ampio intervallo di energia, tra circa 10 keV e 10 MeV. Il principale meccanismo di interazione con la materia è la diffusione elastica con la messa in moto di nuclei di rinculo, principalmente i protoni dell'idrogeno. A energie molto basse, al di sotto di 0,5 eV, prevalgono invece le reazioni di cattura da parte dei nuclei, con emissione di raggi gamma e altre particelle. Trattandosi di radiazioni indirettamente ionizzanti, anche per i neutroni si può tentare di introdurre in linea di principio lo “spessore emivalente” (HVL), sebbene molto meno significativo che nel caso dei fotoni.

Vari meccanismi di interazione