Medicina Nucleare Interazioni con la Materia

1. Radiazioni Flusso di Energia Particelle Radiazioni Elettromagnetiche Cariche Non Cariche Medicina Nucleare Interazioni con la Materia

2. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia L’energia cinetica delle particelle può variare da pochi eV a BeV Similmente può variare l’energia delle radiazioni elettromagnetiche L’interazione avviene attraverso il trasferimento di energia

3. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Ionizzazione Specifica: coppie di ioni prodotte per unità di distanza percorsa LET: energia rilasciata per unità di distanza percorsa Range: la distanza percorsa fino ad aver rilasciato sufficiente energia cinetica da non avere più interazioni Questi fattori dipendono dal tipo e dall’energia delle radiazioni e dalle caratteristiche della materia

4. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia • Particelle Cariche • Dovute alle forze di Coulomb piuttosto che a contatto fisico diretto • Ionizzazione • Eccitazione Atomica (e- orbitale) • Eccitazione Molecolare (vibrazione di molecole) • Collisioni Molecolari (atomi o parti di atomi rimossi) • Bremstrahlung (radiazioni di frenamento)

5. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Particelle Cariche Pesanti (protoni, deuteroni, a, atomi ionizzati) viaggiano in linea retta, hanno alto LET e ionizzazione specifica e basso range Leggere (elettroni e positroni) percorso tortuoso, basso LET e ionizzazione specifico e alto range Spesso le interazioni di raggi X e g risultano in produzione di e- liberi

6. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Fotoni I raggi X e g sono radiazioni elettromagnetiche che trasportano energia nello spazio Alcune delle loro interazioni sono spiegabili con le teorie della propagazione dell’onda. Altre assumendo che consistano di pacchetti discreti di energia, con caratteristiche simil-particelle, per la bassa lunghezza d’onda e l’alta frequenza

7. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Fotoni Se un fotone ha almeno 15 keV di energia è capace di ionizzare e si parla di radiazioni ionizzanti I raggi X, g e alcuni UV sono radiazioni ionizzanti

8. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia • Fotoni Attenuazione • Quando un fascio di fotoni si riduce di intensità attraversando un materiale si parla di ATTENUAZIONE • Completamente assorbito • Deflesso

9. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia • Fotoni Attenuazione • Scattering Coerente • Assorbimento Fotoelettrico • Scattering Compton • Produzione di Coppie • Fotodisintegrazione

10. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Equazione di Attenuazione Quando un fotone attraversa un mezzo c’è una probabilità associata con uno dei 5 processi In genere, questa probabilità è funzione dell’energia del fotone, lo spessore e le caratteristiche del mezzo

11. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Equazione di Attenuazione DI0 = I0 - I La frazione di fotoni assorbita (DI0/I0) è direttamente proporzionale allo spessore del mezzo (Dx) DI0/I0 = -m Dx m : coefficiente di attenuazione lineare (1/d) I = I0 e-mx

12. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Equazione di Attenuazione m è la somma di W Scattering Coerente t Assorbimento fotoelettrico s Scattering Compton k Produzione di Coppie p Fotodisintegrazione e dipende dall’energia del fotone e dalle caratteristiche del mezzo

13. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Equazione di Attenuazione Per semplificare è stato introdotto il concetto di strato emivalente (HVL: half-value layer), definito come lo spessore del mezzo che dimezza il numero di fotoni trasmessi mHVL = 0.693

14. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Scattering Coerente (o Classico o di Raleygh) Non viene trasferita energia al’atomo e si ha solo cambio di direzione Avviene solo per energie < 50 keV

15. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Assorbimento Fotoelettrico Tutta l’energia del fotone incidente è trasferita ad un e- interno Questo (fotoelettrone) è espulso con Ec = Eg - BE L’assorbimento fotoelettrico avviene solo se l’energia del fotone è superiore all’energia di legame dell’elettrone

16. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Assorbimento Fotoelettrico Il posto vuoto lasciato dal fotoelettrone è occupato da un e- esterno, de-eccitazione con emissione di energia sotto forma di X caratteristico o di e- Augér. L’assorbimento fotoelettrico produce una coppia di ioni e radiazione caratteristica Il fotoelettrone ha energia sufficiente a ionizzare altri atomi

17. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Assorbimento Fotoelettrico E’ una interazione a bassa energia, la cui probabilità decresce rapidamente all’aumentare dell’energia La probabilità dipende fortemente dallo Z del messo (proporzionale a Z4)

18. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Scattering Compton Un fotone interagisce con un e- debolmente legato. L’e- è espulso con un angolo q rispetto alla direzione del fotone incidente, ed il fotone stesso è deviato di un angolo F L’energia ceduta al fotone dipende dall’angolo di deflessione del fotone.

19. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Scattering Compton Eg = Eg’ + Ee Eg’ = Eg / (1+(Eg/511)(1-cosF)) 511 = massa a riposo di e- in keV F varia da 0° (no interazione) a 180° (backscatter) Sia F che q decrescono al crescere dell’energia del fotone incidente

20. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Scattering Compton Anche in questo caso il prodotto finale è una coppia di ioni La probabilità di Scattering Compton è decresce lentamente al crescere dell’energia del fotone incidente ed è direttamente proporzionale al numero atomico (Z) del mezzo

21. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Produzione di Coppie E’ una interazione a soglia in cui il fotone incidente interagisce principalmente con il forte campo elettrico del nucleo L’energia è convertita in massa sotto forma di e- + e+ Poiché la massa a riposo di un e- è 0.511 MeV, il fotone deve avere energia pari ad almeno 1.022 MeV. L’energia in eccesso è trasferita come energia cinetica

22. Medicina Nucleare Interazioni con la Materia Fotodisintegrazione Quando un fotone ha energia molto alta (7 MeV) ha energia sufficiente a produrre una reazione fotonucleare con espulsione di un nucleone. La probabilità di questo evento è molto bassa