INTERAZIONE RADIAZIONE 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?
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,
fotone
(ma non tale da strappare un elettrone)
si parla di eccitazione dell’atomo
Energia eV
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
L= 0
N=2
N=1
L= 1
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.
Parleremo di
• Processi em per X e gamma
• Processi em per particelle cariche
Trascureremo l’interazione nucleare e i neutroni
pesanti
(protoni e ioni)
leggere
(elettroni)
INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA
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.
N.FOTONI
1
LEGGE dell’attenuazione
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
N= N0 e-x
0.4
0.3
0.2
0.1
0
SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X
0
1
2
3
4
5
6
N = n° fotoni iniziale
0
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
N = n° fotoni iniziale
0
N = n° fotoni dopo spessore x
: coefficiente
di 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
Dipendono dall’energia
del fascio
3. Produzione di coppie
 = 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
fotone di
“FLUORESCENZA”
elettrone
ATOMO
ENERGIA
< 100 keV100keV
10 keV< ENERGIA<
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
FOTONE INCIDENTE
ELETTRONE COMPTON
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
FOTONE INCIDENTE
(1.02 MeV)
ELETTRONE (0.51 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?