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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
