INTERAZIONE RADIAZIONE 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

INTERAZIONE della

RADIAZIONE con la MATERIA

Che cosa si intende per radiazione?

Provoca in generale:

• Eccitazione• Ionizzazione• Frammentazione nuclei• Rottura legami molecolari• …

INTERAZIONE della

RADIAZIONE con la MATERIA

Ciascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z

(e dunque della sua configurazione elettronica)

possiede una determinata energia di ionizzazioneenergia di ionizzazione:

la minima energia necessaria per rimuovere

un elettrone da un atomo

Energia di ionizzazione

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.

+- +-

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

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

Energia eV

N=1

N=2

L= 0 L= 1

fotone

Fenomeno dell’ ECCITAZIONE

Per le particelle cariche e per i fotoni l’interazioneprincipale 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

pesanti (protoni e

ioni) leggere(elettroni) Trascureremo l’interazione nucleare e i neutroni

Parleremo di

INTERAZIONE della

RADIAZIONE con la MATERIA

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

COSA SUCCEDE QUANDO UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ?

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X

N.FOTONI

N= N0 e-x

N0 = n° fotoni iniziale

N = n° fotoni dopo spessore x

: coefficientedi attenuazione lineare

Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando

un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia.

LEGGE dell’attenuazione

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

: coefficientedi attenuazione lineare

HVL=0.693/

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:

1. Effetto fotoelettrico

2. Effetto Compton

3. Produzione di coppie

Dipendono dall’energia del fascio

= fot + Compton + coppie

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: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico

10 keV< ENERGIA< 100keV

FOTONE fotone di “FLUORESCENZA”

elettrone

ATOMO

DI INTERESSE IN RADIODIAGNOSTICA

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico

ENERGIA < 100 keV

La probabilità di emissione del fotoelettrone è direttamente proporzionale al cubo del numero atomico e inversamente proporzionale al cubo dell’energia

fot ~ Z3/E3

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto fotoelettricoEffetto fotoelettrico

DI INTERESSE IN RADIODIAGNOSTICA

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”.

FOTONE INCIDENTE ELETTRONE COMPTON

FOTONE DIFFUSO

100 keV < ENERGIA< MeV

Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone dell’atomo (elettrone Compton).

L’elettrone è emesso dall’atomo e il fotone diffonde

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Effetto ComptonEffetto Compton

Compton ~ 1/E

Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia

sono prodotti un ELETTRONEELETTRONE e un POSITRONEPOSITRONE (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”FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Produzione di coppieProduzione di coppie

FOTONE INCIDENTE (1.02 MeV)

ELETTRONE

POSITRONE (0.51 MeV)

ELETTRONE (0.51 MeV)

FOTONI

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA: Produzione di coppieProduzione di coppie

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

COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?

Fascio di FOTONI ELETTRONI

Mezzo materiale