Radiazioni elettromagnetiche Raggi X e raggi

Radiazioni corpuscolari Particelle , , protoni,

neutroni, ....

IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI

PARTICELLE O DI UNONDA ELETTROMAGNETICA E DESCRITTO

DAL TERMINE RADIAZIONE

RADIAZIONI

Lunghezza donda: =cT= c/f

c : velocit f : frequenza T=1/f : periodo Nel vuoto:

c = 3*108 m/s

Intensit: I = E/(St) [W/m2]

E lenergia che unonda trasporta attraverso una superficie S in un intervallo di tempo t

E

B

Bo

Eo c

RADIAZIONE ELETROMAGNETICA

Planck (1900) ed Einstein (1905) ipotizzano che lenergia di unonda elettromagnetica sia trasportata in pacchetti

detti quanti di luce o FOTONI.

Fotoni E=hf

Costante di Planck h= 6,610-34Js = 410-15 eVs

descrizioni equivalenti

Onda e.m. = c/f

QUANTI DI LUCE: I FOTONI

I FOTONI: sono particelle prive di massa (m=0); si propagano nel vuoto con velocit della luce c=3108 m/s hanno ciascuno energia E proporzionale alla frequenza f dellonda

elettromagnetica: E=hf

= 600 nm = 610-7 m f = c/ = 51014 Hz

E = hf = (6,61034 Js)(51014 Hz) = 3,31019 J =

3,31019J 1,6 1019 J

= 2 eV

(visibile : luce gialla)

Esempio

Lenergia trasportata dai fotoni risulta pari a

Intensit di unonda

elettromagnetica I=E/St

Flusso di fotoni che attraversano la superficie S nel

tempo t

1 eV

1 eV = 1,610-19 J

ONDE RADIO

MICRO ONDE

INFRA- -ROSSO

VISIBILE

ULTRA- -VIOLETTO

RAGGI X

RAGGI GAMMA

102 1 102 104 106 108 1010 1012 1014 (m)

f (Hz) 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022

(cm) (mm) (m) () (fermi) (nm)

f = c

MeV keV

E = hf

GeV

(eV) E 103 106 10

9 1

eV

SPETTRO ONDE ELETROMAGNETICHE

Gli elettroni di un atomo possono muoversi su un numero discreto di orbite quantizzate, dette orbitali atomici, ciascuna corrispondente a determinati livelli di energia.

Ogni orbitale atomico pu essere occupato da un numero massimo di elettroni, dipendente dal tipo di orbitale.

Unatomo stabile (livello fondamentale) se gli elettroni occupano gli orbitali corrispondenti ai livelli energetici pi bassi.

n = numero quantico principale

Eccitazione: passaggio dal livello fondamentale ad un livello eccitato tramite assorbimento di un fotone;

Diseccitazione: ritorno al livello fondamentale tramite emissione di uno o pi fotoni.

Le onde elettromagnetiche vengono sempre emesse ed assorbite dalla materia sotto forma di fotoni:

f = E/h (E = diff. di energia tra i livelli atomici) Nelle transizioni atomiche:

TRANSIZIONI ATOMICHE

I = T4 (watt/m2)

Imax = 0.2897

T (cm)

legge di Wien

legge di Stefan

109 108 107 106 105 104 103 102

10

1 10 102 103 104 105 106 1

10000K 6000K

4000K

1000K

spettro visibile (400-700 nm)

(nm)

I

nmmW2

Nei solidi, i livelli energetici sono molto ravvicinati Spettro continuo

Emissione termica Infrarosso Ultravioletto

RADIAZIONE TERMICA

RAGGI X I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche con frequenza compresa tra ~1017-1021 Hz

Sono prodotti nelle interazioni tra un fascio di elettroni liberi e gli atomi di un materiale.

Due processi di produzione:

SPETTRO DEI RAGGI X

I) Quando l'elettrone interagisce con il campo elettrico del nucleo di un atomo, subisce una brusca decelerazione e perde energia sotto forma di fotoni. Questo processo, chiamato

radiazione di frenamento (Bremsstrahlung),

determina lo spettro continuo dei raggi X.

RAGGI X CARATTERISTICI

SPETTRO DEI RAGGI X

II) Se l'interazione dell'elettrone incidente avviene con uno degli elettroni pi interni dell'atomo bersaglio, il processo di produzione dei raggi X prende il nome di "radiazione caratteristica". A seguito di questa interazione, entrambi gli elettroni sono diffusi fuori dall'atomo, cos che nell'orbitale rimane un posto libero o "lacuna". Successivamente uno degli elettroni pi esterni si sposta per colmare la lacuna. durante quest'ultimo processo che l'atomo emette radiazione X con un'energia che individua in maniera esatta il materiale di cui composto l'atomo bersaglio, da cui il nome "radiazione caratteristica".

Lenergia dei picchi caratteristici dipende dalle energie degli orbitali coinvolti nella transizione e quindi dal materiale attraversato dal fascio di elettroni

TUBO RADIOGENO Tubo entro il quale viene fatto il vuoto contenente: - Catodo (C) - Anodo (A) Tra C ed A viene creata una elevata differenza di potenziale (V ~ 10-1000 kV)

Anodo: piastra di metallo ad alto Z (di solito tungsteno)

Catodo: filamento metallico collegato ad un generatore di bassa tensione ed alta corrente. La corrente rende il filo incandescente (effetto Joule)

Energia cinetica media di agitazione termica degli elettroni diventa maggiore dellenergia con cui gli elettroni sono legati al metallo gli elettroni vengono emessi dal metallo (effetto termoionico)

Gli elettroni emessi vengono accelerati da V ed acquistano energia eV (10-1000 keV)

TUBO RADIOGENO Raggiunto lanodo gli elettroni interagiscono con:

I) i nuclei degli atomi che lo costituiscono produzione raggi X per Bremsstrahlung

II) gli elettroni degli atomi che lo costituiscono raggi X caratteristici La massima energia dei raggi X prodotti col processo (I) sar eV (elettrone perde tutta la sua energia cinetica emettendo un unico fotone)

SPETTRO DEI RAGGI X per un bersaglio di tungsteno bombardato con elettroni da 100 keV

eV

Per variare lenergia dei raggi X emessi si agisce su V tra catodo e anodo

Per variare lintensit dei raggi X emessi si varia la corrente che attraversa catodo

TUBO RADIOGENO

In radiologia sono necessari fasci collimati di raggi X:

- tubo schermato con piombo (buon assorbitore di raggi X) tranne una piccola zona (finestra)

- anodo inclinato rispetto alla direzione degli elettroni incidenti

V % Calore % Energia RX

60 kV 99.5 0.5 200 kV 99 1.0 4 MV 60. 40.

Lenergia del fascio di elettroni incidenti sul bersaglio in parte si converte in calore, in parte serve per produrre i raggi X

Lanodo si riscalda molto durante il processo di produzione dei raggi X

* occorre un sistema di raffreddamento

* il materiale di cui costituito lanodo deve avere un elevato punto di fusione e una buona conducibilit termica

x x

I(x) I(x+x)

X

0

25

50

75

100

intensit trasmessa

(%) I

x = 1/

Io e

spessore x

ASSORBIMENTO ESPONENZIALE I = Io e

x

coefficiente di attenuazione o di assorbimento

ASSORBIMENTO DEI RAGGI X

tubo a raggi X

struttura biologica

diaframmi schermo fluorescente

pellicola radiografica

fascio X trasmesso

fascio X incidente

osso

muscolo aria

pellicola radiografica

Immagine negativa

RADIOGRAFIA

Assorbimento differenziato dei raggi X

ossa (d = 1.8 g cm3 ) muscoli (d = 1.0 g cm3 ) grasso (d = 0.9 g cm3 ) polmoni (d = 0.3 g cm3 )

50 100 0.02 0.05

0.1 0.2 0.5

1 2

5

(keV)

(cm1)

E

TENSIONI UTILIZZATE : mammografia ~20 kV dentali ~70 kV torace ~90 kV CT ~120 kV

COEFFICIENTI DI ASSORBIMENTO Diversa opacit delle strutture biologiche ai raggi X (diverso coefficiente di assorbimento)

componenti inorganiche

elevato numero atomico

Elementi chimici presenti nellorganismo:

idrogeno

carbonio

azoto

ossigeno

componenti organiche

basso numero atomico

basso potere di assorbimento dei raggi X

fosforo

calcio

cloro

alto potere di assorbimento dei raggi X

ASSORBIMENTO DEI RAGGI X

LINTERAZIONE sar 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:

1. Effetto Fotoelettrico 2. Effetto Compton 3. Produzione di Coppie

Dipendono dallenergia dei fotoni

Generano elettroni liberi nel mezzo

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X )

Un fotone, urtando con un atomo, viene assorbito e TUTTA la sua energia ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite pi interne, che si libera dallatomo con una certa energia cinetica

La probabilit di interazione del fotone elevata per i materiali con alto numero atomico Z

ENERGIA < 100 keV

FOTONE

fotoelettrone

ATOMO

Leffetto fotoelettrico un effetto a soglia, potendosi verificare solo quando lenergia del fotone incidente superiore allenergia di legame dellelettrone

be EhE = Elegame

2. EFFETTO COMPTON ( per X ) 100 keV < ENERGIA < MeV

Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone di valenza dellatomo (essendo h>>EL, le- si pu considerare libero)

Lelettrone viene emesso dallatomo e il fotone diffonde

FOTONE INCIDENTE ELETTRONE EMESSO

FOTONE DIFFUSO DI ENERGIA MINORE RISPETTO AL FOTONE INCIDENTE

A differenza delleffetto fotoelettrico il fotone non cede tutta la sua energia in una sola interazione, ma rilascia solo una frazione della propria energia deviando rispetto alla direzione incidente.

Un fotone in prossimit del nucleo si trasforma in una coppia e+ e-

Al termine del suo percorso nel mezzo, il positrone si combina con un elettrone libero, dando origine a 2 FOTONI DI ANNICHILAZIONE

3. PRODUZIONE DI COPPIE ENERGIA > 1.022 MeV

Tale processo pu verificarsi solo: in presenza di un nucleo che assorba la quantit di moto del fotone per rinculo se il fotone possiede unenergia maggiore della somma delle masse delle due particelle prodotte (E 1.022 MeV)

Leccesso di energia del fotone incidente verr trasformato in energia cinetica di e+ ed e-

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 lenergia nel mezzo

COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO? IN GENERALE, COME SI COMPORTA LA RADIAZIONE CORPUSCOLARE IN UN MEZZO?

Fascio di FOTONI ELETTRONI

Mezzo materiale

Riassumendo ......

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

Per discutere linterazione della radiazione con la materia raggruppiamo le radiazioni nei seguenti tre gruppi:

Particelle cariche pesanti (, p, ioni) e leggere (e+, e-) Particelle neutre (n) Radiazione elettromagnetica (gi discussa: in generale produce e- )

INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

Quando una particella carica (e, p, , nuclei) attraversa la materia perde energia soprattutto negli urti con gli elettroni degli atomi del mezzo attraversato.

PARTICELLE CARICHE

Eccitazione Ionizzazione

Gli elettroni posso essere - condotti a livelli superiori (eccitazione) - strappati allatomo a cui appartengono (ionizzazione).

Energia di ionizzazione: la minima energia necessaria per

rimuovere un elettrone da un atomo

Wi

Wj Wi

PARTICELLA CARICA

Una particella carica di sufficiente energia lascia una traccia di atomi ionizzati lungo il suo percorso

E=Wi-Wj

PARTICELLE CARICHE LEGGERE

Se lenergia di una particella carica molto maggiore della sua energia di riposo (mc2), la particella perde energia anche per Bremsstrahlung Questo processo particolarmente importante per particelle di bassa massa (e)

Particelle cariche leggere perdono energia sia eccitando e ionizzando atomi, sia emettendo fotoni per Bremsstrahlung

Densit lineare di ionizzazione pi elevata per particelle pi pesanti rispetto agli elettroni

Particelle cariche pesanti hanno un percorso pi definito e, a parit di energia, pi breve rispetto a quello degli elettroni

Le interazioni vengono classificate secondo lenergia dei neutroni: freddi (E~meV); termici (E0.01 eV); epitermici (E100 keV); veloci (E~MeV)

INTERAZIONE DEI NEUTRONI CON LA MATERIA

Le interazioni dei neutroni sono fondamentalmente diverse da quelle dei fotoni e da quelle delle particelle cariche:

non hanno carica non interagiscono con gli elettroni degli atomi del mezzo

hanno elevata probabilit di raggiungere i nuclei atomici provocando reazioni nucleari

A basse energie favorita la cattura neutronica: n + AZX A+1ZX

pu essere seguita da decadimento o da fissione del nucleo nello stato finale (spesso con emissione di altri neutroni)

il nucleo nello stato finale pu essere radioattivo

INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA

LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN

E 12 eV E 12 eV

Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare latomo ionizzare latomo

IONIZZANTI NON IONIZZANTI (N.I.R.)

RADIAZIONI IONIZZANTI E NON

12.9 eV il risultato di una media pesata delle energie di ionizzazione degli elementi che costituiscono i tessuti umani

PERCHE E 12 eV??

RADIAZIONI IONIZZANTI

UNITA DI MISURA RADIOLOGICHE

Esposizione : definita solo per raggi X e di E < 3 MeV Unit di misura: roentgen 1R = 2.58 10-4 C/kg

Lesposizione a raggi X/ di 1R se la carica, prodotta per ionizzazione, in 1kg di aria secca 2.58 10-4 C

Dose equivalente: tiene conto dellentit del danno biologico prodotto da un particolare tipo di radiazione

Unit di misura: sievert e rem 1 Sv = 100 rem

Dose assorbita: energia ceduta da una radiazione ionizzante ad una massa unitaria

DA = Energia Assorbita / Massa

Unit di misura: gray e rad 1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 10-2 Gy

Gli effetti biologici della radiazione sono dovuti principalmente alla ionizzazione prodotta. Anche una lieve ionizzazione pu essere dannosa per le cellule viventi pi sensibili (pu perturbare il loro funzionamento o ucciderle).

EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVA

Tipo di radiazione EBR

Raggi X da 200 KeV 1 Raggi 1 Raggi 1

Neutroni lenti 4-5 Neutroni veloci 10

Protoni 10 Particelle 10-20

Lentit del danno biologico dipende non solo dallenergia assorbita, ma anche dalla densit degli ioni prodotti. Se sono vicini, come nella ionizzazione delle particelle , leffetto biologico maggiore.

Radiazione di riferimento

La stessa dose assorbita di differenti radiazioni pu produrre diversi livelli di danno biologico

Dose equivalente: Deq = DAEBR

EBR (efficacia biologica relativa)

La stessa dose equivalente assorbita in organi o tessuti diversi produce effetti/danni diversi!

A ogni organo/tessuto si assegna un fattore di peso w. La somma dei fattori di peso di tutti gli organi 1 (su tutto il corpo: dose efficace = dose equivalente)

Organi w

gonadi 0.20 midollo osseo 0.12 colon 0.12 polmone 0.12 stomaco 0.12 vescica 0.05 mammella 0.05 fegato 0.05 esofago 0.05 tiroide 0.05 cute 0.01 superfici ossee 0.01 altri tessuti (tot.) 0.05

totale 1.00

Dose efficace = dose equivalente pesata a seconda del diverso impatto sugli organi:

Deff = w Deq Si misura sempre in sievert

DOSE EFFICACE

Effetto GENETICO : viene trasmesso e pu manifestarsi nella progenie

Effetto NON STOCASTICO : esiste una dose soglia al di sotto (o deterministico) della quale non vi danno

Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo colpito dalla radiazione

Si distingue tra:

E tra:

Effetto STOCASTICO : non esiste una dose soglia

EFFETTI DELLE RADIAZIONI

DOSI EFFICACI ANNUE MEDIE

i