interazioni delle radiazioni con la materia · la interazione di queste radiazioni con la materia...

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INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI CON LA

MATERIA

Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione

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NOTAZIONE CHIMICA

Tutti gli elementi sono caratterizzati dal numero di protoni

L’Idrogeno (simbolo H) ha 1 protone

Il Carbonio (simbolo C) ha 6 protoni

Tavola periodica degli Elementi

A = Numero di Massa: indica il numero protoni + neutroni

Z = Numero Atomico: indica il numero dei protoni

Simbolo chimicoXAZDott.Alessandra Bernardini – [email protected]

Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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GLI ISOTOPI

C126

Numero protoni + neutroniIL CARBONIONumero protoni

•Il Carbonio 12 nel suo nucleo ha 6 protoni e 12 - 6 = 6 neutroni•Esistono altri atomi di Carbonio che hanno un diverso numero di neutroni (isotopi)

C116 C14

6C136

Dott.Alessandra Bernardini – [email protected] di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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GLI ISOTOPI RADIOATTIVI

• Alcuni isotopi dei vari elementi possono essere radioattivi altri no.

• Continuando l’esempio del Carbonio: il Carbonio 12 e 13 sono stabili, mentre il carbonio 11 e 14 sono radioattivi.

C126C11

6 C136 C14

6


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MISCELA DI ISOTOPI

• Gli elementi presenti in natura sono costituiti da miscele di isotopi presenti in diversa percentuale.

• Ecco alcuni esempi di composizione isotopica di elementi naturali:

Potassio (K): 93,22% 39K + 0,01% 40K + 6,77% 41K

Uranio (U): 0,005% 234U + 0,720% 235U + 99,275% 238U

Gli isotopi in giallo sono radioattiviPoiché nel corpo umano è presente una quantità di Potassio compresa fra i 110 g e i 140 g e lo 0.01% di questo è radioattivo, allora nel nostro corpo è presente una quantità di Potassio radioattivo compreso fra i 11 mg e i 14 mg. Che corrisponde ad una attività compresa fra 2.8 kBq e 3.6 kBq.


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Radiazioni ionizzanti

Le sorgenti radioattive emettono radiazioni di elevata energia che possono produrre la scissione delle molecole e la ionizzazione degli atomi. Per questo motivo sono dette radiazioni ionizzantiradiazioni ionizzanti

Radiazione

Radiazioni emesse durante i decadimenti radioattivi:•Particelle α e β•Radiazioni γ

Radiazioni emesse da altre sorgenti:•Raggi X •Raggi ultravioletti

Le radiazioni ionizzanti possono produrre danni agli organismi viventi.


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Particelle alfa (α)

• Nei nuclei molto grandi, i protoni della periferia sentono meno la forza attrattiva (forza forte) che tiene incollati i nucleoni (protoni e neutroni) fra loro, possono quindi essere espulsi dal nucleo.

• Non viene mai espulso un protone da solo, ma un pacchetto di nucleoni costituito da 2 protoni e 2 neutroni, chiamato particella alfa (α). La particella αha carica 2+


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Particelle beta (β)• Le particelle beta sono elettroni proprio come quelli che

orbitano attorno al nucleo.• Vengono chiamate particelle β per indicare che hanno una

origine diversa, infatti, vengono prodotte dal nucleo durante il decadimento.

• Le particelle beta possono avere carica 1-oppure 1+ a seconda che si tratti di elettroni o di positroni (identici agli elettroni ma con carica positiva)


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Potere frenante (Stopping Power)

• Una particella carica (e-, β−, β+, α, p+ …) che attraversa la materia interagisce con gli elettroni degli atomi producendo ionizzazioni.

• Occorrono mediamente 30 eV per produrre una ionizzazione e la particella perde una corrispondente frazione di energia

• Un parametro importante è il Potere Frenante (StoppingPower) che varia fortemente per le varie particelle e varia con il materiale e la energia della particella

In Acqua, si ha : per e e β S = 2 Mev/cm per le particelle α S = 1700 MeV/cmx

ES∆∆

=


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Una cellula attraversata da α o β

• Calcoliamo lo Stopping Power in eV/µmparticelle beta (β)

S = 200 eV/µm

particelle alfa (α)

S = 170.000 eV/µm

•Una particella β che attraversa una cellula di diametro di 1 µmrilascia 200 eV, producendo circa 6-7 ionizzazioni; la probabilità di danno cellulare è molto bassa.

•Una particella α che attraversa la stessa cellula rilascia 170.000 eV, producendo circa 60.000 ionizzazioni; la probabilità di danno cellulare è altissima!

1 µm 1 µm


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Particelle α e β nel tessuto molle

Particelle β emesse dal Fosforo 32:

Emax = 1.7 MeV

∆xtessuto = = cm = 0.85 cm = 8500 µmEmax

Sβ

1.72

Particelle α tipicamente hanno una energia pari a:

E = 5 MeV

∆xtessuto= = cm = 0.003 cm = 30 µmESα

51700


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Strato germinativo della cute

Strato germinativo della cute è posto a circa 70µm di profondità.

70 µm 30 µm

βP32α

8500 µm


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Particelle α e β in aria

-- --- -- -- -- -- --

--Il potere frenante dipende dal numero di elettroni incontrati dalla particella ionizzante nel suo percorso.

-++

Il numero di elettroni è proporzionale alla densità, quindi le particelle α e β compiono percorsi maggiori in aria piuttosto che in acqua (o nel tessuto).

L’aria ha una densità pari a 1.3 kg/m3 mentre l’acqua ha una densità di circa 1000 kg/m3, quindi il percorso in aria è 1000/1.3 volte maggiore (770 volte) rispetto al percorso in acqua.


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Percorso delle particelle α e β in aria e in acqua

Aria7 metri

2.5 cm

Acqua (tessuto molle)0.85 cm

0.003 cm

Una particella β emessa dal P32 percorre in aria una distanza pari a circa 700 cm

Una particella α da 5 MeV percorre in aria una distanza di circa 2.5 cm

Una particella β emessa dal P32 percorre in acqua una distanza pari a circa 0.85 cm

Una particella α da 5 MeV percorre in acqua una distanza di circa 0.003 cm Dott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Radiazioni indirettamente ionizzanti

Le particelle cariche come le particelle α e β sono radiazioni direttamente ionizzanti.

I raggi X, γ e neutroni sono radiazioni indirettamenteionizzanti, in quanto producono ionizzazione solo dopo aver ceduto la loro energia ad una particella carica (un elettrone o un protone o un nucleo).

La interazione di queste radiazioni con la materia segue leggi probabilistiche

Può capitare che un fotone X o γ attraversi spessori elevati di materiali senza interagire.


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Radiazioni direttamente e indirettamente ionizzanti

∆x

Eβ E=Eβ-S ∆x Una particella β che attraversa uno spessore ∆x di materiale perde tutta oppure parte della sua energia

X , γ Una fotone X o γ che attraversa un materiale può passare indenne oppure interagire mettendo in moto un elettrone


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Radiazione gamma (γ)

• I raggi γ non sono altro che radiazioni elettromagnetiche (e.m.) proprio come la luce visibile, le onde radio o le microonde.

• La radiazione e.m. è un’onda che trasporta solo energia ma non materia.

• Le onde e.m. viaggiano in brevi treni di impulsi (piccoli pacchetti) chiamati: fotoni che simbolicamente vengono rappresentati in questo modo e sono prodotti nei decadimenti radioattivi.

β

γ α

γ


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Spettro elettromagnetico

• Le radiazioni luminose hanno energie comprese tra 1,5 e 3 eV• I raggi ultravioletti tra 3 e 20 eV• I raggi X usati per le radiografie tra 20.000 e 100.000 ev (20 e 100 keV)• I raggi gamma emessi dal Cesio 137 esattamente 661.645 eV (~662 keV)

• 1 keV = 1000 eVDott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Interazione dei fotoni

• I fotoni possono interagire con la materia in modi diversi a seconda dell’energia che trasportano:

Fotoni a bassa energia effetto fotoelettricoFotoni ad media energia interazione ComptonFotoni ad alta energia produzione di coppie

• Bassa energia < 500 keV

• 500 keV < media energia < 1 MeV

• Alta energia > 1,022 MeVDott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Effetto fotoelettrico• Un fotone di bassa energia può

collidere con un elettrone orbitale ed espellerlo dall’atomo. Il fotone viene totalmente assorbito;

• L’elettrone viene espulso con una energia uguale all’energia del fotone meno l’energia di legame dell’elettrone all’atomo.

• Vengono espulsi gli elettroni degli orbitali più interni;

• Gli elettroni degli orbitali superiori scendono a ricoprire la vacanza e nello spostamento vengono emessi raggi x

+

NUCLEO

ELETTRONE

FOTONE

ATOMO Dott.Alessandra Bernardini – [email protected] di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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Interazione Compton• Avviene per fotoni di energia media

(500 keV < e< 1 MeV);

• consiste nella collisione di un fotone con un elettrone debolmente legato; (come gli elettroni degli orbitali

più esterni);

Dalla collisione emerge:

- un nuovo fotone con energia inferiore e traiettoria diversa da quella originale;

- l’elettrone con energia pari all’energia persa dal fotone incidente;

ELETTRONE

ATOMO

+

NUCLEO

FOTONE


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Produzione di coppie• Consiste nella creazione di una

coppia elettrone – positrone(particella del tutto simile

all’elettrone ma di carica +)

• E’ un effetto a soglia, pertanto siverifica solo per fotoni con energiesuperiori a 1,022 MeV (massadell’elettrone = 0,511 MeV);

• Si verifica nelle vicinanze di unnucleo a causa dell’interazionedel fotone con il campo elettricocreato dal nucleo;ATOMO

+

NUCLEO

FOTONE


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Probabilità di interazione

• La probabilità che i fotoni (raggi γ ο raggi X) interagiscano con la materia in un modo piuttosto che in un altro dipende:

1 – dalla energia del fotone2 – dal numero atomico Z degli atomi della materia

attraversata.

effetto fotoelettrico: è prevalente alle basse energie e per valori di Z elevati;

interazione Compton: è prevalente alle energie medie ed èquasi indipendente da Z;

produzione di coppie: è prevalente alle alte energie e per valori di Z elevati;

Z è il numero di protoni contenuti nel nucleo, e caratterizza l’elemento.Dott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Attenuazione del fascio

• Le interazioni dei fotoni (X e γ) con la materia sono fenomeni probabilistici;

• Non posso dire se il singolo fotone sarà assorbito, ma posso conoscere la frazione di fotoni che attraverserà lo schermo;


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Quanti sono i fotoni che subiscono interazione?

• Il numero ∆N di fotoni che interagisce dipende da:

Numero di fotoni incidenti N0Coefficiente di attenuazione µ Spessore del materiale ∆x

• Di conseguenza : ∆N = - N0 µ ∆x( il segno – indica che i fotoni ∆N risultano mancanti rispetto al numero

iniziale)

• Tutte le leggi con un meccanismo di funzionamento probabilistico portano ad una equazione esponenziale

N(x) = N0 e-µx

…molto simile alla legge sul decadimento radioattivoDott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Coefficienti di attenuazioneIl coefficiente di interazione rappresenta la frazione di radiazione gamma che interagisce per unità di spessore attraversato

µf = coefficiente di assorbimento fotoelettrico.

µc = coefficiente di interazione compton.

µpp= coeffic. di interazione per la produzione di coppie.

3

4

EZ

F ≅µEZ

C ≅µ ( )022,12 −×≅ EZPPµ

Fotoelettrico Compton Produzione di coppieDott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Fotoni emergenti e fotoni assorbiti

0

10002000

3000

4000

50006000

7000

80009000

10000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Fotoni emergenti

N(x) = N0 e-µx

0100 02 00 03 00 04 00 0500 06 00 0700 08 00 09 00 0

10 00 0

0 20 40 6 0 8 0 100

Fotoni assorbiti

Nabs(x) = N0 (1- e-µx )


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Schermature per fotoni

• Perché per schermare la radiazione γ e i raggi X (fotoni) si usa il piombo?

• Il Piombo (Pb) ha numero atomico elevato Z = 82;

• Per fotoni di bassa energia (E < 500 keV) l’effetto predominante è quello di assorbimento fotoelettrico in cui il fotone viene assorbito totalmente;

• L’effetto fotoelettrico ha una probabilità maggiore di avvenire per materiali con un alto numero Z, quindi il piombo è un materiale adatto a schermare fotoni di energie non troppo elevate;


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Schermature per fotoni

• Per energie maggiori l’effetto predominante diventa l’interazione Compton, per il quale il valore di Z non influenza in modo incisivo l’assorbimento;

• se gli spessori in gioco diventano troppo elevati, il piombo può creare problemi di tipo strutturale;

• si preferisce quindi usare materiali più adatti dal punto di vista costruttivo e strutturale come il calcestruzzo, con Z inferiore al Piombo ma con spessori più elevati si ottiene lo stesso risultato di schermatura;


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I neutroni

• Sono uno dei tipi di particelle che costituiscono il nucleo, insieme ai protoni

• Non ci sono sorgenti radioattive che emettono neutroni;

• Solo il Californio 252 (emettitore alfa) subisce fissione spontanea (processo nel quale il nucleo si dimezza in due metà quasi uguali) e vengono emessi neutroni di varie energie;

• PROTONI• NEUTRONI

I protoni hanno carica elettrica positiva +

I neutroni sono privi di carica elettrica


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Produzione di neutroni

• La sorgente più prolifica di neutroni è il reattore nucleare – la separazione del nucleo dell’Uranio o del Plutonio in un reattore nucleare è accompagnato dall’emissione di numerosi neutroni.

• Altre sorgenti di neutroni dipendono da reazioni nucleari:

( ) nCHeBe +→+ 126

42

94

Berillio 9 Particella α Carbonio 12

Neutrone


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Produzione di neutroni

( ) nCHeBe +→+ 126

42

94

Berillio 9 PARTICELLA α(Nucleo di Elio)

Carbonio 12

Neutrone

Berillio 9 Americio 241

L’Am 241 decade emettendo particelle α che bombardando il Be 9 stimolano la produzione di neutroni.


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Classificazione dei neutroni

• Neutroni termici 0,025 eV

• Neutroni epitermici 0,025 ÷ 1 eV

• Neutroni lenti 1 ÷ 100 eV

• Neutroni intermedi 0,1 ÷ 10 keV

• Neutroni veloci 0,01 ÷ 10 MeV

termici

0,025 eV 1 eV 100 eV 10.000 eV 10.000.000 eV

epitermici lenti veloci alta energiaintermediDott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Interazione dei neutroni

• Al momento della loro nascita tutti i neutroni sono veloci;

• Perdono la loro energia collidendo con i nuclei della materia che incontrano nel loro cammino;

Collisione anelastica:

L’energia cinetica delle particelle non si conserva, il nucleo rimane in uno stato eccitato e restituisce l’energia di eccitazione con l’emissione di un fotone.

Collisione elastica:

L’energia di movimento (cinetica) delle particelle si conserva, il nucleo non rimane eccitato dopo la collisione.


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Collisioni

• Collisioni elastiche: avvengono tra neutroni e nuclei leggeri(tipicamente nuclei di idrogeno). Il neutrone può perdere anche tutta la sua energia in una sola collisione. Le collisionielastiche sono molto efficaci nel rallentare i neutroni veloci.

• Collisioni anelastiche: avvengono tra neutroni veloci e nuclei pesanti. L’energia ceduta dal neutrone al nucleo viene riemessa da questo sotto forma di radiazione elettromagnetica (fotoni), e quindi perduta.

Nucleo di Idrogeno (costituito da un unico protone)

Nucleo pesante (costituito da molti nucleoni)


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Schermature per neutroni

• I neutroni sono particelle molto penetranti, in quanto essendo prive di carica possono attraversare grandi spessori di materiale ad alto numero atomico (es. Piombo);

SORGENTE α

Be

PIOMBO RIVELATORE

Fascio di particelle α Fascio di neutroni Fascio di neutroni

• La probabilità per i neutroni di interagire con la materia dipende dalla energia e quindi dalla loro velocità.

• I neutroni termici hanno una più alta probabilità di interazione;• Per schermare i neutroni bisogna prima rallentarli;


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Schermature per neutroni

• I neutroni vengono rallentati facendoli passare attraverso materiali con un alto contenuto di Idrogeno (es. Acqua→ H2o oppure la grafite o la paraffina);

• In seguito possono essere assorbiti da altri materiali, in seguito a reazioni nucleari:

α+→+ LiBn 73

105

Boro (B)n Nucleo instabile

Litio (Li)

α

HHn 21

11 →+

n Idrogeno Idrogeno (Deuterio)Dott.Alessandra Bernardini – [email protected]


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Elettroni

• Perdono energia prevalentemente per ionizzazione del mezzo che attraversano (detto mezzo assorbente);

• Il potere assorbente del mezzo attraversato dipende dal numero di elettroni per unità di superficie e in misura molto minore dal numero atomico Z;

• I materiali utilizzati per schermare la radiazione beta (elettroni) sono quasi sempre fatti con materiali a basso numero atomico. Perché?

-- --- -- ---


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Radiazione di frenamento• Gli elettroni hanno anche un altro modo di perdere energia,

per frenamento (bremsstrahlung);

ATOMO

+

NUCLEO

FOTONE

-

ELETTRONE • L’elettrone arriva vicino al nucleo, viene ‘rallentato’ e deviato dal suo campo elettrico;

• L’energia perduta per frenamento viene emessa come radiazione elettromagnetica (fotoni);

• Questo fenomento viene esaltato per elettroni di energia elevata e per materiali con alto numero atomico Z;

Ecco perché per schermare la radiazione beta (β) si preferisce utilizzare materiali con basso Z, per evitare che vengano prodotti fotoni;


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Schermi per elettroni

• Per schermare gli elettroni si scelgono quindi materiali con basso Z come il plexiglas (numero atomico medio circa 7) per evitare che venga prodotta radiazione di frenamento.

• Per schermare gli elettroni provenienti dai decadimenti beta bastano 1 cm – 1,5 cm di plexiglas

• Una sorgente di Stronzio 90 (Sr90) può essere schermata con 1 cm di plexiglass, se si utilizzasse piombo circa il 7% degli elettroni incidenti sulla schermatura produrrebbero radiazione elettromagnetica, in quanto l’elettrone emesso nel decadimento dello Sr90 è molto energetico (2,27 mev)


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Potere di penetrazione

PARTICELLE BETA (β)

PARTICELLE ALFA (α)

RAGGI GAMMA (γ)

SORGENTE RADIOATTIVA

CARTA

CEMENTO

PLEXIGLAS•La radiazione piùpenetrante è quella gamma e la radiazione neutronica;

•la meno penetrante è la radiazione alfa;

•La radiazione beta puòessere molto penetrante a seconda dell’energia trasportata dagli elettroni;


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Irraggiamento esterno• Le radiazioni più pericolose per irraggiamento esterno sono le radiazioni radiazioni

gammagamma, perché possono attraversare diversi spessori di materia prima di essere fermate;

• la radiazione alfaradiazione alfa è la meno pericolosa per irraggiamento esterno perchéviene fermata in pochi cm d’aria e comunque non riesce a oltrepassare lo strato superficiale della pelle;

• la radiazione betaradiazione beta può raggiungere lo strato più profondo della pelle per energie superiori ai 70 keV, per energie inferiori può essere fermata in pochi mm di materia.

• la radiazione neutronicaradiazione neutronica è molto pericolosa perché è molto penetrante, viene schermata con acqua o altri materiali ad alto contenuto di idrogeno. Se non viene schermata crea ionizzazioni interagendo con i nuclei di idrogeno dell’acqua contenuta nel corpo;


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Irraggiamento interno

• Quando la sorgente si trova all’interno del corpo umano (esempio si respira aria contaminata) la radiazione piùpericolosa è la radiazione alfaradiazione alfa, perché perde tutta la sua energia in un breve percorso.


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