INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON
LA MATERIA
CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA
QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?
Forza di Coulomb tra il campo della particella carica e gli elettroni
orbitanti e i nuclei atomici.
• Le collisioni inelastiche con gli elettroni orbitanti risultano in eccitazione
e ionizzazione dei medesimi e nella perdita di energia della particella
carica (1)
• Le interazioni inelastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli
elettroni che hanno piccola massa  perdite radiative per
“bremstrahlung” (2)
• Le interazioni elastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli
elettroni che hanno piccola massa e ne provocano la diffusione laterale (3)
N.B.: Le particella cariche pesanti vanno incontro anche a interazioni
nucleari dando vita a radionuclidi.
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE
La particella carica perde poca energia in ogni
urto coulombiano; gli urti sono tantissimi.
Il valore medio dell’energia persa in un singolo
urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch
RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH
dE/dx ~ Z z2/v2 essendo Z il numero atomico del materiale,
z e v la carica e la velocità della particella:
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE
La particella carica perde poca energia in ogni
urto coulombiano; gli urti sono tantissimi.
Il valore medio dell’energia persa in un singolo
urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch
RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH
dE/dx ~ Z z2/v2 essendo Z il numero atomico del materiale,
z e v la carica e la velocità della particella:
• una particella più è carica e più è lenta più ionizza
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE
La particella carica perde poca energia in ogni
urto coulombiano; gli urti sono tantissimi.
Il valore medio dell’energia persa in un singolo
urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch
RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH
dE/dx ~ Z z2/v2 essendo Z il numero atomico del materiale,
z e v la carica e la velocità della particella:
• una particella più è carica e più è lenta più ionizza
• all’inizio la perdita di energia è costante
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE
La particella carica perde poca energia in ogni
urto coulombiano; gli urti sono tantissimi.
Il valore medio dell’energia persa in un singolo
urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch
RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH
dE/dx ~ Z z2/v2 essendo Z il numero atomico del materiale,
z e v la carica e la velocità della particella:
• una particella più è carica e più è lenta più ionizza
• all’inizio la perdita di energia è costante
• quando la particella rallenta a fine percorso la perdita di
energia ha un picco -> picco di Bragg
Perdita di energia in funzione della profondità di
penetrazione in acqua per una particella carica pesante
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE
La particella carica perde poca energia in ogni
urto coulombiano; gli urti sono tantissimi.
Il valore medio dell’energia persa in un singolo
urto è dato dalla formula di Bethe-Bloch
RIGUARDARE LA FORMULA DI BETHE BLOCH
dE/dx ~ Z z2/v2 essendo Z il numero atomico del materiale,
z e v la carica e la velocità della particella:
• una particella più è carica e più è lenta più ionizza
• all’inizio la perdita di energia è costante
• quando la particella rallenta a fine percorso la perdita di
energia ha un picco -> picco di Bragg
• a parità di energia cinetica gli elettroni, essendo meno
massivi, sono più veloci, quindi perdono meno energia
Curve dose-profondità per protoni ed elettroni
Curve dose-profondità per vari fasci di particelle cariche
con picco di Bragg modulato alla profondità di 10 cm.
CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA
QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?
Forza di Coulomb tra il campo della particella carica e gli elettroni
orbitanti e i nuclei atomici.
• Le collisioni inelastiche con gli elettroni orbitanti risultano in eccitazione
e ionizzazione dei medesimi e nella perdita di energia della particella
carica (1)
• Le interazioni inelastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli
elettroni che hanno piccola massa  perdite radiative per
“bremstrahlung” (2)
• Le interazioni elastiche con i nuclei atomici sono rilevanti per gli
elettroni che hanno piccola massa e ne provocano la diffusione laterale (3)
N.B.: Le particella cariche pesanti vanno incontro anche a interazioni
nucleari dando vita a radionuclidi.
(2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG
Il percorso degli elettroni viene continuamente deflesso
a causa della presenza del campo elettrico
creato dai protoni degli atomi del mezzo
Gli elettroni decelerano e dunque perdono energia
sotto forma di fotoni detti “di frenamento”
(N.B.: particelle cariche in moto accelerato emettono
onde elettromagnetiche)
Questo processo, puramente elettromagnetico, è
“Bremsstrahlung” (= frenamento)
(2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG
Spettro di energia
• Poichè un elettrone può avere una o più interazioni di bremsstrahlung
in un materiale e ognuna di esse può risultare in una perdita di energia
parziale o completa i risultanti fotoni di bremsstrahlung possono avere
un’energia fino all’energia iniziale dell’elettrone.
• Lo spettro di bremsstrahlung è quindi policromo.
• La probabilità di bremsstrahlung varia con Z2 del materiale.
• I fotoni risultanti di bremsstrahlung sono nelle frequenze dei raggi X
 produzione artificiale di raggi X
(2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG
Distribuzione angolare
La direzione di emissione dei fotoni di bremsstrahlung dipende
dall’energia dell’elettrone incidente
UNA PARENTESI: RAGGI X CARATTERISTICI
Elettroni che colpiscono una targhetta producono anche raggi X
caratteristici. Un elettrone con energia cinetica E0 può interagire con un
atomo del bersaglio rimuovendo un elettrone di un orbitale interno (K,L o
M) e lasciando l’atomo ionizzato. L’elettrone originale dopo la collisione avrà
energia E0- ΔE, dove ΔE e’ l’energia rilasciata all’elettrone legato, la parte
della quale che eccede l’energia di legame diventa energia cinetica
dell’elettrone espulso. Il buco creatosi nell’orbitale viene riempito da un
elettrone esterno, unitamente alla emissione di radiazione
elettromagnetica.
Al salire del numero atomico
del bersaglio la radiazione
emessa è di energia
sufficientemente alta da
appartenere allo spettro X.
I raggi X caratteristici
quindi, a differenza dei
fotoni di bremsstrahlung,
sono emessi a energie
discrete.
SPETTRO DI RAGGI X
Spettro continuo di
fotoni di frenamento
Fotoni di
bassa energia
eliminati
Raggi X caratteristici
PERDITA di ENERGIA COMPLESSIVA degli ELETTRONI
Energia < 1 MeV
IONIZZAZIONE diretta
Energia > 1 MeV
FRENAMENTO
 Z del materiale
 Z2 del materiale
Produzione di elettroni liberi
Produzione di raggi X
Energia persa
Energia persa
in prossimità elettrone
a distanze maggiori
(3) DIFFUSIONE LATERALE
L’angolo di diffusione varia approssimativamente con il quadrato del
numero atomico e con l’inverso del quadrato dell’energia cinetica.
Per questa ragione materiali di alto numero atomico sono
utilizzati per la realizzazione di sottili diffusori che diffondono
il fascio di elettroni che emerge dall’ acceleratore. I diffusori
sono molto sottili per minimizzare la contaminazione da raggi X
del fascio di elettroni.
DIVERSO PERCORSO DI
FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO
fotone
Percorso elettrone
1/10 mm
Percorso fotone
1/2 cm
elettrone
ACQUA
E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E’
TESSUTO VIVENTE?
Cosa succede ad un organismo biologico
quando viene colpito da una radiazione?
DANNO BIOLOGICO
FISICO
Danno CHIMICO
1. Danno
2.
Gli elettroni di ionizzazione
sono i RESPONSABILI
del DANNO BIOLOGICO
LE FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE
TRA RADIAZIONE E TESSUTI BIOLOGICI
FASE
TEMPO
EFFETTO
Fisica
10-13 secondi
ionizzazione-eccitazione
Fisico-chimica
10-9-10-6 secondi
formazione di radicali liberi
Biochimica
frazioni di secondi-settimane
inattivazione enzimi
e organuli cellulari
Biologica
giorni-mesi-anni
inattivazione, riparazione,
morte cellulare e tissutale
Clinica
giorni- mesi- anni
manifestazioni cliniche
a carico dell’organismo
FASE FISICA
L’interazione delle radiazioni con la struttura cellulare
che costituisce il tessuto biologico può causare danni
fisici diretti letali par la cellula: se la deposizione di
energia è elevata si possono avere infatti mutazioni
nella replicazione cellulare a causa della rottura delle
eliche del DNA. In questo caso la cellula non si
riproduce correttamente:
MORTE CELLULARE
Questo effetto è
POSITIVO: se si vuole distruggere un tessuto malato (tumore)
NEGATIVO: se si colpisce un tessuto sano
Come quantificare la deposizione di energia?
DOSE ovvero quantità e rateo di radiazione assorbita
Linear Energy Trasfer (LET)
TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA
ovvero qualità della radiazione
LA DOSE ASSORBITA
E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti
in un elemento volumetrico di massa dm
D= dE/dm
Si misura in Gray (Gy)
1 Gy= 1J/1Kg
Quando un fascio incide su un paziente,
la dose assorbita varia con la profondità
e dipende:
• dal tipo di radiazione,
• dalla sua energia,
• dal mezzo attraversato
Il
LET
“ linear energy transfer”
TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA
Rappresenta l’energia (in KeV) trasferita dalla radiazione
nell’unità di percorso (usualmente in m)
indica la capacità della radiazione di provocare ionizzazione,
ovvero la densita’ di elettroni secondari, i veri responsabili
del danno cellulare
Radiazione a ALTO LET
(>100 Kev/ m)
Radiazione ad BASSO LET
(<10 Kev/ m)
PROTONI E IONI
ELETTRONI
Massa maggiore
Massa minore
Velocità minore nel mezzo
> DENSITA’ di
IONIZZAZIONE
Velocità maggiore nel mezzo
< DENSITA’ di
IONIZZAZIONE
RADIAZIONI IONIZZANTI
Indirettamente ionizzanti
costituite da fotoni o neutroni
che trasferiscono energia
LE RADIAZIONI
agli elettroni degli atomi
IONIZZANTI
si suddividono in
Direttamente ionizzanti
costituite da
particelle elettricamente cariche,
come elettroni, protoni e ioni
SORGENTI
delle radiazioni ionizzanti
NATURALI
• Raggi cosmici
• Radionuclidi naturali
ARTIFICIALI
• Tubo a raggi X (diagnostica)
>> fotoni X
• Acceleratori (radioterapia)
>> elettroni, fotoni X, protoni, ioni
• Radionuclidi (medicina nucleare)
>> radionuclidi
RADIOTERAPIA
Con il termine RADIOTERAPIA si intende l’uso di
radiazioni ionizzanti altamente energetiche (fotoni X o
gamma, elettroni, protoni) nel trattamento dei tumori.
La radiazione incidente sui tessuti neoplastici distrugge
le cellule tumorali.
Irradiare la regione neoplastica
con una DOSE elevata
senza danneggiare irreparabilmente
gli organi sani adiacenti
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Fotoni di alta energia ( MeV) :
raggiungono regioni profonde
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Elettroni ( MeV) :
raggiungono
regioni poco profonde
e poi si
attenuano rapidamente
nel tessuto
Range di energie: 6-20 MeV
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte
della dose in profondità
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Le radiazioni sono generate da
1. Acceleratori lineari
2. Ciclotroni
3. Betatroni
4. Radionuclidi
In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf