Post on 02-May-2015
INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON
LA MATERIA
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.
CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA
QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?
(1) PERDITA DI ENERGIA “dE/dx” o POTERE FRENANTE(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(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(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(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.
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.
CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA
QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO?
(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”Bremsstrahlung” (= frenamento)
• 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
Spettro di energia
La direzione di emissione dei fotoni di bremsstrahlung dipende dall’energia dell’elettrone incidente
(2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG
Distribuzione angolare
UNA PARENTESI: RAGGI X CARATTERISTICIElettroni 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 XSpettro continuo difotoni di frenamento
Fotoni di bassa energia eliminati
Raggi X caratteristici
FRENAMENTOIONIZZAZIONE diretta
Produzione di raggi X
Energia < 1 MeV Energia > 1 MeV
Z del materiale
PERDITA di ENERGIA COMPLESSIVA degli ELETTRONI
Energia persa
in prossimità elettrone
Energia persa
a distanze maggiori
Z2 del materiale
Produzione di elettroni
liberi
(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 DIFOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO
fotone
ACQUA
elettrone
Percorso elettrone 1/10 mm
Percorso fotone 1/2 cm
E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E’ TESSUTO VIVENTE?
Cosa succede ad un organismo biologico
quando viene colpito da una radiazione?
1. Danno FISICO 2. Danno CHIMICO
Gli elettroni di ionizzazionesono i RESPONSABILIdel DANNO BIOLOGICO
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
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
FASE FISICA
Come quantificare la deposizione di energia?
ovvero qualità della radiazione
DOSE DOSE
Linear Energy Trasfer (LET)Linear Energy Trasfer (LET)TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIATRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA
ovvero quantità e rateo di radiazione assorbita
LA DOSE ASSORBITALA DOSE ASSORBITA
E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzantiin un elemento volumetrico di massa 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
D= dE/dm
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
Il Il LET LET “ linear energy transfer”“ linear energy transfer”
TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIATRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA
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 Velocità maggiore nel mezzo
> DENSITA’ di IONIZZAZIONE
< DENSITA’ di IONIZZAZIONE
LE RADIAZIONI
IONIZZANTIIONIZZANTI
si suddividono inDirettamente ionizzanti
costituite da
particelle elettricamente cariche,
come elettroni, protoni e ioni
Indirettamente ionizzanti
costituite da fotoni o neutroni
che trasferiscono energia
agli elettroni degli atomi
RADIAZIONI IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTI
SORGENTI delle radiazioni ionizzanti
NATURALINATURALI
• Raggi cosmiciRaggi cosmici• Radionuclidi naturaliRadionuclidi naturali
ARTIFICIALIARTIFICIALI
• Tubo a raggi X (diagnostica)Tubo a raggi X (diagnostica) >> >> fotoni Xfotoni X
• Acceleratori (radioterapia)Acceleratori (radioterapia) >> >> elettroni, fotoni X, protoni, ioni elettroni, fotoni X, protoni, ioni
• Radionuclidi (medicina Radionuclidi (medicina nucleare)nucleare) >>>> radionuclidiradionuclidi
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 irreparabilmentegli organi sani adiacenti
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde
Elettroni ( MeV) : raggiungonoregioni poco profonde e poi si attenuano rapidamentenel tessuto
Range di energie: 6-20 MeV
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità
Le radiazioni sono generate da 1. Acceleratori lineari2. Ciclotroni3. Betatroni4. Radionuclidi
In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA