Post on 15-Feb-2019
Direzione di provenienza del suono
suono
0.25 m
ITD = 0.25340
~ 7 x 10-4 sec = 0.7 msec
ITD ( acronimo dall’inglese Interaural Time Difference)
Il sistema percettivo è capace di cogliere ITD dell’ordine di 0.1 nsec
Orecchio medio
S2FS
S1
Ft
a b
Leva 1^ tipo ba = 1.3
staffa
staffa
timpano
timpano
112
12
22tS
11t
p22pSS3.1p
SpF3.1F
SpF
==
==
=
3.2 mm2
55 mm2
Fattore di amplificazione 22 in pressione !!!!!!
Onde Meccaniche : SUONO
Moto circolare
ω : velocità angolare
ω
ω = 2πν
][1 HzfrequenzaΤ
=ν
tempo
pM
pm
Tpressione
suono
p = pM sen ωt sinusoidale
ONDE LONGITUDINALI DI PRESSIONE
PM Pm λ
csλ: lunghezza d’onda [m]
cs : velocità di propagazione [m/sec]
sctempospazio
==Τλ
sc==Τλ λν
pres
sion
e
PM
Pm
Cs : velocità del suono
340 m/sec 1 Kg/m3 aria1500 ” 1000 “ acqua1570 ” 1060 “ sangue5000 ” 2700 “ alluminio5150 ” 8000 “ ferro
0 ” 0 “ vuoto ! !
Cs ρ
Spettro di frequenze
Onde Sonore (di Pressione)
INFRASUONI ULTRASUONISUONI
20.000 HzO
20 KHz
20 Hz
ν
Onde cerebraliEEG 1 – 18 Hz
Cuore˜ 1 Hz
EcografiaEco-doppler
1 MHz – 10 Mhz
Sensibilitàmax orecchio
1500 – 2000 Hz
I0 [ Watt ] = Joule /sec
1) Intensità della sorgente
2) Intensità dell’ onda ( nello spazio)
SI0
R
I0
SI0
4 π R2
Wattm2
==I
diagnostica : I ~ 1 ÷ 10 mW/cm2
(ULTRASUONI)
Intensità dell’onda piana sonora
I = PM
2
2 ρ cs
[W/m2]Intensità sonora
PM : ampiezza max sonora tollerabile dall’orecchio umano 28 Pa ! ! !
PM2
(28 Pa) 2=IM = = 1.1 Watt/ m2
2 ρ cs 2 x 1 Kg/m3 x 340 m/sec
IM
PM ~ 28 Pa IM ~ 1 W/m2
IM : intensità max che puo’ sopportare l’orecchio o Soglia del dolore
Imin : intensità minima o Soglia del silenzio o di udibilità
Imin = 10-12 W/m2
10-12 W/m2 1 W/m2
Soglia doloreSoglia udibilità
Sensibilità dell’orecchio (fisiologica)
Sdolore
sens
ibili
tàfi
siol
ogic
a
∆S = ∆I NO !!
∆S = ∆II
Scala logaritmica SI
Imin IM
Intensità fisica
La sensibilità fisiologica non è proporzionale all’intensità fisica ! !
Intensità sonora in dB
IS = dB = 10 lg10 Imin
Soglia di udibilità1) I = Imin dB = 10 lg10 1 = 0 dB
0 dB 120 dB
Sensibilità acustica
1) I = IM dB = 10 lg10 1 W/m2
10 -12 W/m2
= 10 lg10 1012 = 10 x 12 = 120 dB
Soglia del dolore
Sussurro 20 dB
Conversazione 50 dB
Traffico 70 dB
Tromba 75 dB
Tamburo 90 dB
Grande orchestra 95 – 100 dB
Jet 100 – 110 dB
Livello di riferimento per un suono continuo : 45 dB
inquinamento acustico
Elementi caratteristici del suono
Intensità : ( dB)
Altezza : frequenza ν0 dell’ armonica fondamentale ( v0 cs /L )
νn = n ν0 (n numero intero)Timbro : insieme delle armoniche superiori
i) Intensità dB o W/m2
ii) Frequenza ν [Hz] ; Sc1=λν
Τ=ν
Τπ
=ωΤπ
=2t2senpp Miii) Onde di pressione
pressione
tempo
T
TIMBRO
Il suono è una variazione periodica nel tempo della pressione
tempo
p
Τ
Il rumore è una variazione non periodica nel tempo ( caotica ) della pressione
Suono Teorema di Fourier
p (t) = Σi funzioni sinusoidali
La Coclea è un dispositivo che analizzail suono in termini delle componentisinusoidali Cervello
Come può avvenire tutto questo ?
Corda Vibrante
onda progressiva PP
onda regressiva RR
onda stazionaria
L = λ1
frequenza : S11 C=λυ
Hz68050
3401 ==
.υ
L
P
R
nodo ( punto in cui la corda è in quiete)
LCS
1 =υ
esempio : L = 0.5 m
λ22P
R
nodo
L
22
2 23
2L λ=
λ+λ= L
32
2 =λ
LC
23 S
2 =υS
2
S2
cc=
λ=υ
L32S22 c=λυ
Hz102068023
2 =×=υEsempio : L= 0.5m
3λ
L
Lc2 S
3 =υ
333 2L λλλ =+=2L
3 =λ
Lc2c S
3
S3 ==
λυS33 c=λυ
Hz136050
34023 =×=.
υEsempio : L= 0.5m
In generale :
21
1360 Hz1020 Hz680 Hz
LC
23 S
2 =υ LC2 S
3 =υL
CS1 =υ
23
……
LC
2n S
……
con n = 2, 3, 4, ….
frequenza di una corda vibrante
Ed n=1 ???
LC
2n S
n =ν?
Per n=1P
LR
0
S0
cλ
υ =L22
L 00 == λλ
S00 c=λυ
L2cS
0 =ν 340 Hz OK !
Lc
2n S
0 =ν con n = 1 , 2, 3, 4, ….
n= 1 armonica fondamentale !!
Ecografia (immagini)
T Rx
ostacolo ! ! I Segnale sondaI0
Segnale ecograficoI1
t0t
t1
t1-t0 = 2xcs
Nota Cs determino x
t1-t0 x profondità
Effetto Doppler
λ0 = Cs
ν0 Velocità dell’onda
S
λ0 Cs = 340 m/secν0
Velocità sorgente
S S’
λ νu
ν − ν0
ν0u
λ = Cs Ambulanza 30 m /sec ν
Ecografia Doppler (ULTRASUONI)riflessione sulle componenti particolate del sangue (globuli rossi e bianchi)
R
T
ν
ν0
uν0 : 1 - 10 MHz
u = 0.3 m/sec (aorta)ν − ν0 velocità u
Q = S uportatacs = 1570 m/sec (sangue)
S : sezione vaso
Sorgenti di ultrasuoni
•Cristalli piezoelettrici•Cristalli magnetorestrittivi
CampoElettricoalternato
Cristallopiezoelettrico
Oscillazione meccanica(ultrasuono) con ν=νE
Trasduttore
elettrodi
• Quarzo• Tormalina Impulso elettrico Vibrazione Ultrasuono
Vaso sanguigno
Fig 2
Muovo la sonda lungo la direzione y (superficie)
Tante figure 2 raggruppate in una sola
Intensità in scala di grigi Intensità
ELETTRICITA’Carica elettrica
E’ una proprietà fondamentale della materia:determina la stabilità degli atomi ed i legami molecolari
Atomo H
MKS Coulomb [C]
e = 1.6 x 10-19 C
e-
+p+ + +
e-
e-
Molecola H2
protone + elettrone
Forza elettrica( di Coulomb)
R+
Q1
Q2
-
F_
-F_
221
0 RQQ
41Fεπ
=
Nel vuoto
costante dielettrica del vuoto
2
212
mNC108.8 −×=ε0
Nella materia
R
C'C ε
FF =
εR : COSTANTE DIELETTRICA RELATIVA
εR > 1εR = 1 nei gas
εR nella materia (dielettrici)
Gas (Aria) εR = 1.00054Osso εR = 3Vetro εR = 5Ceramica εR = 7Acqua εR = 80 FC’ è 80 volte più piccola di FC
++_
_Na+
Na+Cl-
Cl-
sale ( Na Cl )
Na+ + Cl-⇒Na Cl
( H2O)L⇒ solvente
universale per i legami
ionici
ioni
Lavoro o energia elettrica
Le = Fe· x = q (VB – VA )
q : carica elettricaB
q VB : potenziale del punto BA VA : potenziale del punto A
VA = 0
Le = q (VB – VA ) = q (VB– 0 ) = q VB = q V
V : tensione elettrica del punto BLe = q V
P I L A
Energia chimica → Energia elettrica
2e-
2e-+++++
+ ++ ++- --- --- -- -- --
--Zn Zn2+
Zn Cue- e-
2 H+ SO4-
- +i
H2
Zn(s) → Zn++(aq) + 2e-Elettrodo di Zn :
2 H+ + 2e- → H2Elettrodo di Cu :
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
i
2e-
2e-
Zn Zn2+
-Zn Cu
e- e-
Cu++ SO--4
+
Zn++ SO--4
Cu2+ Cu
Zn(s) Zn++(aq) + 2e-
Cu(s) Cu++(aq) + 2e-
Zn + Cu2+ Cu + Zn2+
Potenziale di estrazione
+ + + + - - - - Cu UE= 4.4 VoltZn UE= 3,2 Volt
∆V = VCu – VZn = 4.4 -3.2 = 1.2 Volt
Setto poroso
impedisce il mescolamentopermeabile agli ioni
Pila e Generatore elettrico
i
[ ][ ] [ ]
[ ][ ]
[ ]AmpsecC
tqI
VoltCJ
qLV
===
===
corrente elettrica
V = 1.5 VoltE’ COSTANTE ! !
Cu Zn
H2SO4
V =1.5 V
luce
Pile in serie e in parallelo
Pile in serie Pile in parallelo
+
IT = I1 + I2VT = V1 + V2
V1
V2
I2I1
- V1 = V2 = VT
I1 = I2 = IT
Capacità di carica della pila:
1 mAhV
1 mAh = 10-3 Ah = 3600 x 10-3 A sec=
= 3.6 Coulomb
“La capacità di carica della pila è la carica totale che la pila può erogare (a tensione costante)”
1 mAh = 3.6 C
Pile commerciali ~ 100 ÷ 800 mAh
CONDENSATOREq++++++
------
+ - 1 q = C V
[ ][ ] [ ]Farad===VC
VqCC : capacità
dSC 0ε=2
mF12
0 108.8 −×=ε
S : area armatuad : distanza fra le armature
Vetro εR = 5Acqua εR = 80dielettrico+
+++
----
----
++++ d
SC 0 Rεε= C aumenta di un fattore εRFC diminuisce di un fattore εR
Polarizzazione nei dieletrici
Defibrillatore cardiacoBatteria B a bassa tensione
Circuito elettronico TRASFORMATORE(aumenta via via la d.d.p. del condensatore)
Potenza = energia trasferita nell’unità di tempo BASSA !!
t CARICA ~ 1 min
t SCARICA ~ 5 msScarica del condensatore
Corrente fra gli elettrodi attraverso il corpo
Defibrillatore cardiacoFibrillazione:
contrazioni scorrelate
Reset:contrazione contemporaneadi tutte le fibre muscolari
Mandare al cuore un’enorme corrente (20 A) per un tempo brevissimo (5 ms)
V = 3000 Vcon R = 50 Ω, C = 100 µF τ = RC = 5 ms
da 200 joule fino a 360 joule !
Elettricità nella materia
Gas
Plastici, ceramici (DIELETTRICI)Isolanti
CARICHEPositive e Negative
CARICHENegative
Soluzioni
Metalli Conduttori
Corrente elettricaCONDUTTORE (trasporto di elettroni)
--
-- -
iVA
+ VB-
Salto di potenziale CORRENTE
i = corrente =Qt sec
Coulomb =⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡A⎢
⎣⎡
Ampere
⎢⎣⎡
1 Ampere flusso di 1 C in 1 sec
d.d.p. COST in direzione CORRENTE CONTINUA
d.d.p. VARIA in direzione nel tempo CORRENTE ALTERNATA
Il rapporto tra la d.d.p. e la corrente che circola è costante
VA
VB
e i
i
i
( VA – VB )i = R
V
I
R
1 mA 2 mA
3 V
1,5 V
1,5 V3 V
V = R i 1^ Legge di Ohm
R = resistenza elettrica = Volt
Ampere = [ Ω ]
V
I
R1
R2
I1 I2
V = cost
R
SlR = ρ
lS
2^ Legge di Ohm
[ ] [ ]mmm
lSR 2
Ω=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Ω=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=ρρ = resistività
ElettrodinamicaLe cariche elettriche sono libere di muoversi nel vuoto, nelle soluzioni e nei metalli.i
V2° Legge di Ohm
sρR l
=
1° Legge di Ohm
V =R IR
ρ = resistività elettrica
ceramica zolfo (solidi)SiCAg
10210-5 1015 Ω m101310-8
acqua distillata
soluzioni(liquidi)
Potenza elettrica totale
[ ]WattIVt
VqtLP e ===
Cellulare 1-3 W
Lampada 10-100 W
Frigorifero 1 kW
Lavatrice 2kW
P = V I importante
Consumo elettrico energia assorbita
P = Pu + Pd
Effetto Joule(Dissipazione in un conduttore)
i
CALORE
VA
( VA – VB )
VB
Ri =
Pd = i ( VA – VB ) = i i R = i2 R
Energia dissipata = Pd t = i2 R t = (calore Q)
Energia elettrica CALORE
Analogia: Idrodinamica/ Elettrodinamica
Pressione p Tensione V
Portata Q Corrente I
Resist. Idro. R* Res. Elettrica R
Potenza totale P = Q p Potenza totale P = VI
Potenza dissipata Pd= R* Q2 Potenza dissipata P = RI2
La soglia di percezione della corrente è circa 0,5 mA in c.a. (f = 50÷60 Hz)2 mA in c.c.
sotto i 50 V circa non si corrono rischi, ma al di sopra è ininfluente la tensione,gli effetti dipendono solo dall'intensità di corrente e dal tempo di applicazione
resistenza corporea un valore medio di 800 ohm
Rendimento
RendimentoVRIV
VIRIVI
PP
LLη
2
s
u
s
u −=
−===
M
Imotore elettrico LU = numero di giri x energia spesa in ogni giro
V
Macchina elettrica η ~ 75 ÷ 95 %
ηTOT = η1 . η2 . η3. … . ηnRendimento di una macchina complessa
Pt
e- e-
H+
Cl -
-+
2 Cl- → Cl2 + 2e-
Energia elettrica → Energia chimicaELETTROLISI
H2
Pt
Cl2
2 H+ + 2e- → H2I = Corrente ionica
Corrente elettrica nelle soluzioni
K =[H+] [Cl-]
[H Cl]
Grado di dissociazione
= n° molecole dissociate
n° molecole disciolte
VR
ρσ 1
=sρR l
= σ : conducibilità elettrica
[ ] [ ]−+−+ += ClµHµσ ClH
mobilità ionica
Misure elettriche
[ ] [ ]−+−+ += ClµHµσ ClH
−+ oneione iµµ ~>
Cloruro di sodio
−+ ≈ ClN µ23µ a 93 % composizione tessuti
La conducibilità nei tessuti dipende dal contenuto di sale
Leggi di Faraday (1833)
1) Le masse di sostanze che si liberano (depositano) agli elettrodi sono direttamente proporzionali alla carica elettrica totale che passa attraverso la soluzione
Massa Carica elettrica
M = k Q = k I t
2) A parità di carica elettrica che passa attraverso una soluzione, le masse di sostanze che si liberano (depositano) agli elettrodi sono direttamente proporzionali ai rispettivi equivalenti chimici (rapporto fra masse atomiche e valenza)
Massa M
Z
Cu2+SO42-Na+Cl-
Cu2+ : ½ moleNa+ : 1 mole
Nelle soluzioni i portatori di carica sono gli ioni che giunti agli elettrodi si
neutralizzano
Al variare dell’elettrolita e degli elettrodi processi differenti
(Deposizione elettrolitica)
Soluzione acquosa di CuSO4 - elettrodi inerti
O2 gassoso + Cu depositato sull’elettrodo
Soluzione acquosa di CuSO4 - elettrodi rame
L’anodo si assottiglia ed il catodo si ingrossa
(Purificazione)
Elettricità cellulare
Potenziale di membrana- 60 mV
conduttori
Canali membrana (ionici)0 – 40 canali/µm2
+ + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - -
+++
+ + + + + + +
---
- - -- - - --
-----
Cl
Na+K+
pompa
Canali ionici
membrana
nucleo
Liquido intra ed extra cellulare
Membrana dielettrico
V
nanostrutture molecolari
Impulso nervoso
Impulso + 90 mV
+ 30 mV
- 60 mV
Velocità ~ 100 m/sec
1 2 msec
tempo
V stimolo
neurone
1 m
++ ++ + ++assone
- - - - - - -
Na+
Cl-
Na+
Cl- canali ionici Na+
Cl-
Inversione di polarità
Stimolo
(biochim.metab.)
++ ++ + ++assone
- - - - - - -Na+
membrana = isolante
soluzione (conduttore)
1 µm
Cl- soluzione (conduttore)
+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + +
------------
R
C
R
σ =µ [Cl-]
σ =µ [Na+]
τ = RC~ 1 m sec
R ~ 106 Ω/mC ~ 10-9 F/m
Elettroencefalogramma (EEG)
Segnali elettrici ~ 10 – 100 µV
100 µVV
t
inferiori (molto) agli impulsi nervosi
segnali indiretti di atttivitàcerebrale (metabolismo ! )
elettrodiregistrazione dell'attività elettrica dell’encefalo
Spettro onde cerebrali: onde δ 1 – 4 Hz
θ 4 – 8 Hz
α 8 – 12 Hz
β 12 – 28 Hz 3 Hz ! !Epilessia
Corrente continua ( CC) e corrente alternata (CA)
1.5 V
I
~V= R I
V V = costν = 0pilaI
CC
tempo
tempo
V+ 220 V
- 220 V
ν = 50 Hz220 V ENEL50 Hz
CA
Campo elettricoLegge di Ohm
filo metallico VA – VB = R I
sLρR =I
corrente elettrica
IsLρV – V BA =
JsI
= ( densità di corrente)
E = ρ J
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡= m
VL
V – VE BA
campo elettricoA BL
ρ1
=σρ : resistività elettrica : conducibilità elettrica
J = σ E
Legge di Ohm microscopica ! ! !vuoto / ariaσ = 0
E J[ ] [ ]−++ += ClµHµσ - liquidi
ρ1
=σ solidi
Evettori
J
Legge di Biot e Savart
ri
Hπ21
=mA
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
P
rH dir. proporz. alla corrente
H inv. proporz. alla distanza r
EJ
corrente elettricaH
R : distanza dal filo J campo elettricoE
H
campo magnetico
<< Il campo elettrico E (dentro il filo) e il campo magnetico H ( esterno) sono ortogonali ! ! >>
E -> J -> H
Per C.C , C.A. e ν < 1 kHztutta l’energia è trasportata all’interno del filo
Per ν > 100 kHztutta l’energia ( o quasi) si propaga nello spazio intorno al filo
H
?CA100 KHz
onde1 KHz
E
Marconiterapia (1 MHz)
Il filo percorso da corrente ad alta frequenza ( ν > 100 kHz )è sorgente di onde elettromagnetiche
~ν > 100 kHz
I0 I
velocitàE
H
antenna c = 300.000 Km / sec
velocità della luce
onde elettromagnetiche:
E J H E H E …….antenna spazio
I0
c = 300.000 Km /sec
λ c Velocità della luce
COSTANTE ! ! x
La stessa per tutte le onde elettromagnetiche
ctempospazio
==Τλ
c==Τλ λν
Lunghezza d’onda λ [m]
Periodo T [sec]
Frequenza ν =1/T [Hz] = [cicli/sec]
Spettro delle onde elettromagnetiche
0.7 µm 0.4 µm
1 GHz
UV
luce
γXMicroondeTV Radio IR- calore
100 kHz 1 nm
Radiazioni non ionizzanti Rad. ionizzanti
H + rad. ionizz. = H+ + e- = 13 eV
La più bella sintesi della fisica grazie a Maxwell ! !
Sorgente di onde elettromagnetiche
I0
R
I0 : intensita della sorgente(irraggiamento)
I0 = σ T4 [Watt]
sole
II : intensità dell’ onda sferica
R : distanza dalla sorgente
I0
SI0
4 π R2
Wattm2
==I
Analisi dimensionale
I Wattm2 E H Volt
mAmp
m = Wattm2
I0
4 π R2=I =
12
E H
E Ω== 3770
0
εµ
costante (vuoto)= Z=H
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡== 2
2
mWZH
21HE
21I
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡= 2
2
mW
ZE
21I
Come proteggersi dalle radiazioni(non ionizzanti)
Superficie corporea
H , Peso (1.80 m , 100 kg)
S = 2.2 m2 ( Metodo Mosteller)
S = 2.2 ÷ 2.27 m2
Metabolismo ≈ 200 Watt
⇒≅ 22 mW90
m22Watt200
.dispersione di calore
? 2mW90
radiazione metabolismo !
Radiazioni non ionizzanti
Effetti termici ( metabolismo)hanno sufficiente energia solo per eccitare un elettrone ad uno stato energetico superiore
Limite max IMAX = 10 mW / cm2 = 100 W /m2
Intensità onda
Valori raccomandati 20- 50 W /m2 (onde radio e microonde)
Energia solare : 700 W/m2 Uv - vis
Piastra termica : 500 W /m2 IR – calore
Forno a microonde: 10 W/m2 microonde
Radiazioni non ionizzanti
radiazioneO2 -> O2*Ossigeno
Radiazioni ionizzanti
( vibrazione)ossigeno*ossigeno
radiazione
O2+ + e-O2
radicaleionico ! !
Radiazioni ionizzanti (UV – X ray – γ - α- β)
Assorbimento
A
SI0
I
Conservazione dell’energia
T
I = A + T
A : componente assorbita
T : componente trasmessa
Radiazioni ionizzanti (UV – X ray – γ - α- β)
Dose assorbita = Energia assorbita per unità di massa
[ Gy ] grayAM
JouleKg
=Dose =
Limite max
i) 10 mGy/ anno popolazione
ii) 50 mGy/ anno lavoratori sanitari
1 rad 10 mGy
Controllo strumentale obbligatorio ! ! !(fisico sanitario)
Dose equivalente
Gli effetti biologici ( a parità di dose assorbita) dipendono dal tipo di radiazione
Ex : danno di 1Rad di X = 1/20 danno di 1 Rad di α
Radiazione RBE
Raggi X 1Raggi β 1
Protoni 5
Neutroni 3÷10
Raggi γ 10÷20
EBR (o RBE) = Efficacia Biologica Relativa
Dose equivalente DE = EBR x Dose
Rem = EBR x Rad
Nel S.I. Sv = EBR x Gy
Radiografia del torace 0,14 mSvRadiografia del tubo digerente 4,1 ÷ 7,2 mSv
Mammografia 1,0 mSv
Contatore Geiger
+ _ +
+ _e-
+-
R
radiazione
VG
VG = RI = k Dose
Dose assorbita nel gas tessuto equivalente
Radiazione XScoperta nel 1895 (Roentgen)
Radiazione ottenuta mediante bombardamento con elettroni
Raggi X ν [ 1016 ÷ 1022 Hz]
λ [ 3 x 101 ÷ 3 x 10-5 nm]
Diagnostica λ [ 10 -2 ÷ 1 nm]
Terapia λ [ 10 -4 nm]
Sorgente Raggi X
+
~
V
-
Intensitàcorrente
W. . . .
raggi XTensione V[10 – 100 KV]
paziente
Int. corrente I[mA] radiografia
t : tempo di esposizioneDose = V I t ηη : coefficiente ~ 0,1 ÷ 0,01
I raggi X sono generati in un tubo a raggi X (tubo radiogeno), che consiste di un tubo a vuoto con un catodo ed un anodo
La corrente nel catodo per eccitazione termica rilascia elettroni (emissione termoionica), che vengono accelerati verso l’anodo (tipicamente di tungsteno o di molibdeno) da una ddp (kV), tra anodo (+) e catodo (- )
La corrente di elettroni nel tubo èmisurata in mA
Gli elettroni colpiscono l’anodo e rilasciano la loro energia producendo calore e raggi X (circa l’1% dell’energia ceduta viene trasformata in RX)
Produzione dei raggi X
Due meccanismi di produzione dei raggi X:
•frenamento -> radiazione di frenamento o bremsstrahlung, circa l’80%
•transizione atomica -> radiazione caratteristica, circa 20 %
ANODO ROTANTE
Lasciando immodificata la posizione geometrica della macchia focale, permette di distribuire su una più ampia superficie "reale" l'impatto degli elettroni.
Consente tempi maggiori di esposizione rispetto all' anodo fisso.
superficie esposta alle radiazioni
Interazione fra elettroni e targhetta
e-
3 MECCANISMIConversione di energia cinetica in energia termica e in energia elettromagnetica sotto forma di radiazione X.
CESSIONEENERGIA
1) Collisione con gli elettroni degli orbitali pù esterni dell’atomo della targhetta
In genere piu' del 95% dell' energia cinetica degli elettroni proiettile è trasformata in energia termica lasciando meno del 5% disponibile per la produzione della radiazione X.
2) Collisione ed espulsione di un elettrone dell’orbita più interna (ex: orb K)3) Interazione con il nucleo dell' atomo bersaglio (bremsstrahlung)
1) Collisioni con gli elettroni degli orbitali pù esterni dell’atomo della targhetta
a) Emissione di luce visibileb) Aumento dell’energia vibrazionale dell’atomo
VUOTO
Necessità circuito di raffreddamento del tubo a raggi X
2) Urto ed espulsione di un elettrone dell’orbita più interna (ex: orb K)
ELETTRONE ESPULSO
Diseccitazione dell’atomo
Emisssione fotone X(Radiazione caratteristica)
Espulsione elettrone K
Urto elettrone proiettile – elettrone K
3) Interazione con il nucleo dell' atomo bersaglio (bremsstrahlung)
elettrone
incidente
fotone
Dalla teoria elettromagnetica
Carica che subisce frenamento
Emissione di radiazione
L'elettrone, passando in prossimita' del nucleo, è rallentato e deviato nella sua traiettoria e si allontana con energia cinetica minore in un altra direzione; questa energia cinetica perduta riappare sotto forma di fotone X chiamato di frenamento o di raggi X di bremsstrahlung
Fascio catodico
Interazione coulomb. con nuclei
atomi targhettaFrenamento
2
2
ReZKF =
Emissione di radiazione con energiaproporzionale ad a2Variazione di velocità
Rendimento del tubo a raggi X
T Ex: anodo di W∆V = 120 KV
1) CALORE2) RADIAZ. X η = 1% 99% energia spesa CALORE
AssorbimentoσA Z4
Ca (Z=20) P (Z=15) O (Z=8)Ossa
Z eff = 13.8
C (Z=6) O (Z=8) H (Z=1)Muscolo
Z eff = 7.4
Attenuazione ossa 12 volte maggiore del muscolo
Z4eff (ossa) (13.8)4
=(7.4)4
= 12Z4
eff (muscolo)
Nelle radiografie contrasto diverso fra muscolo ed ossa
La radioattività
La radioattività è il fenomeno naturale per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle.
I decadimenti radioattivi
Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle.
Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi.
La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile.
Essa è chiamata decadimento radioattivo.
I decadimenti radioattivi
Molti atomi si trasformano ed emettono “radiazioni” sotto forma di corpuscoli (particelle alfa e beta) o onde elettromagnetiche (fotoni).
Spesso vengono emessi contemporaneamente sia corpuscoli che fotoni
Attività di un sorgente radioattiva
Si definisce attività di una sostanza radioattiva il numero di atomi che si disintegrano in un secondo e si misura in Bequerel (Bq)
1 Bequerel = 1 disintegrazione al secondoIn passato si usava il Curie (Ci) = 37 G Bq
numero di disintegrazioni al secondo in un grammo di 226Radio
Con il passare del tempo l’attività diminuisce. Si definisce tempo di dimezzamento (o emivita) il tempo dopo il quale l’attività si dimezza
All’inizio 20 atomi di tipo “bianco”
Alla fine 10 atomi di tipo “bianco” e 10 di tipo “rosso”. E’ trascorso “1 emvita”
I decadimenti radioattivi Attività di un sorgente radioattiva
Poiché la probabilità di decadere di ogni atomo è sempre la stessa, se ci sono meno atomi, ci sono anche meno decadimenti e l’attività diminuisce
sostanza con vita media di 2 ore e attività iniziale di 8000 Bq
Tempo (ore)
Att
ività
(con
tegg
i al s
econ
do)
Funzione esponenziale --- Numero di atomi che devono decadere vs. tempo
I decadimenti radioattiviAlcune vite medie
60Co 5.27 anni3H 12.3 anni
137Cs 30 anni15O 123 secondi
A parità di attività iniziale, una sostanza a vita media lunga emette radiazioni per molto tempo. Una sostanza a vita breve si esaurisce più rapidamente, ma concentra l’emissione di radiazione in un tempo molto più breve.
tempo
Num
ero
di d
ecad
imen
ti
Sostanza con vita media grande. Molti atomi devono ancora decadere
Sostanza con vita media piccola. Quasi tutti gli atomi sono decaduti
Decadimento Radioattivo
Legge del decadimento radiattivo
N = N0 e-λt
N = atomi presenti al tempo t
N0 = atomi presenti al tempo t0
λ = COSTANTE DI DECADIMENTO O DI DISINTEGRAZIONEprobabilita’ che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di tempo.
Tipica di ogni radioelemento
Tempo di dimezzamento o EMIVITA
Tempo che deve trascorrere affinchè la metàdei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento
il tempo dopo il quale il numero iniziale di nuclei radioattivi e’ diventato la meta’:
λ69.0
=T
può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni
La radioattività – Decadimento α• In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo
(Z,A) emette una particella α (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4).
Le radiazioni Le radiazioni αα sono sono poco penetranti e poco penetranti e possono essere possono essere completamente completamente bloccate da un bloccate da un semplice foglio di semplice foglio di carta carta
La radioattività – Decadimento β• Decadimento β: Il nucleo emette un e- e un
antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A.
• Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle α, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici
La radioattività – Decadimento γ• Decadimento γ: Il nucleo non si trasforma ma
passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella α o β.
• Al contrario delle radiazioni α e β, le radiazioni γsono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo.
• Utilizzo:terapie oncologiche
• Extremely energetic objects• Radioactive decay (Co56, Ti44)• Fusion• Cosmic ray/gas interaction• Matter/antimatter annihilation
Studio delle proprietà della luce e della sua propagazione attraverso i mezzi materiali
Luce visibile radiazione elettromagnetica a cui l’occhio umano è sensibile
INDICE DI RIFRAZIONE
n vc
= V= velocità della luce nel mezzo
L’indice di rifrazione assoluto di un mezzo èsempre 1 ed è un numero adimensionato≥
Vuoto n=1Aria 1.0003
Acqua 1.3Quarzo 1.46Vetro 1.52
Zaffiro 1.77Diamante 2.42
Calcolare la velocità alla quale si propaga la luce nel diamante
n vc
= V= velocità della luce nel mezzo
Diamante n = 2.42
v c413.042.2c
nc
===
S/m10X24.142.2
s/m10x0.3v 88
==
Velocità minore dovuta ad assorbimento e riemissione degli atomi di C
Riflessione
sin i = sin rRaggioriflesso
Raggioincidente
ARIA
VETRORaggio
rifratto
i r
θ
^ ^i = r
Rifrazionen = 1.52
COSTn
i==
1sinsin
ϑL’angolo di rifrazione dipende dalle proprietà dei due mezzi e
dall’angolo di incidenza ^ ^i > θIl raggio si avvicina alla normalevelocità più alta velocità più bassa
Raggioriflesso
Raggioincidente
ARIA
VETRO
Raggiorifratto
θ
n = 1.52
i r
^ ^i < θ
velocità più bassa velocità più alta
n1 sin θ1 = n2 sin θ2
In generale:
Il raggio si allontana dalla normale
1.48
1.47
1.46
1.45300
Indice di rifrazione del quarzoIn
dice
di r
ifra
zion
e
500 600 700 800400
Lunghezza d’onda (nm)
n (λ ) λ Tipico delle CA ∞ Rεn =
n ed εR sono legate alle proprietà dielettriche della materia
Quarzo
L ’indice di rifrazione di un mezzo dipende dalla lunghezza d’onda
Radiazioni di lunghezze d ’onda diverse hanno nellostesso mezzo velocità diverse
Radiazioni di lunghezze d ’onda differenti, quandoattraversano un mezzo, vengono rifratte ad angolidifferenti
Dispersione Cromatica
n1 n1n2
La deviazione massima si ha per il violetto (l = 380 nm), la deviazione minima si ha per il rosso ( l = 760 nm)
La deviazione cresce con la frequenza della radiazione incidente
COSTn
i==
1sinsin
ϑ
Riflessione Totale
Superato il valore di angolocritico ic non si ha più raggio
rifratto
TUTTA LA LUCE E ’ RIFLESSASorgente posta in un vetro
nic 1
sinsin
=ϑ
iC
660521190
n1iC .
.)(sinsin ==°= ic = 41.8 °^
La riflessione totale non può avvenire se la luce proviene dal mezzo con indice di rifrazione più basso
LASERSorgente di luce coerente
i) Unidirezionalitàii) Monocromacitàiii) Brillanza
CO2 IR 10.600 nm Chirurgia ( assorbito dall’acqua) bisturi - taglio e cauterizzazione tessuti
Nd:YAG IR 1064 nm laser chirurgia (otorino), vaporizzazione di tumori, chirurgia estetica,
Laser ad eccimeri UV rimodellamento della cornea, chirurgia estetica
LENTE SOTTILE
c2
c1
Ro
F2
F1
centro
i
centro: il punto dell'asse ottico della lente sottile che gode della proprietà di non deviare le radiazioni
luminose passanti per esso
Lente sottile
Fuoco: punto dove convergono i raggi quando l’oggetto è posto all’infinito
Rn
F2)1(1
−=F : fuocoR : raggio di curvaturaC : centro di curvatura
Lente convergente Lente divergente
distanza focale
C F
R
asse ottico
Potere diottrico della lente(capacità di convergenza o divergenza)
Fd 1
=
Se la distanza focale è misurata in metri Potere diottrico in Diottrie
Lente convergente con F = 50 cm (0.5 m)
diottrie25.011
+=+
=mF
Lente divergente con F = 25 cm (0.25 m)
diottrie425.011
−=−
=mF
Circolazione Fetale e Neonatale
• Il passaggio dalla circolazione fetale a neonatale avviene molto rapidamente.
• I cambiamenti sono attivati dal primo respiro del bambino.
Circolazione Fetale e Neonatale
R1(polmone)
R2 (Bypass)
1/Req = 1/R1 + 1/R2
Prima della nascita R1 è elevataLa maggior parte del sangue “bypassa” i polmoni.
Dopo la nascita R1 diminuisce ed il sangue vienediretto verso i polmoni
Human Fetal Circulation
1) FORAME OVALE (INTRACARDIACA): che consente la comunicazione tra gli atrii;2) DOTTO VENOSO (SEDE VENOSA): che mette in comunicazione la vena ombelicale con la vena cava inferiore;3) DOTTO ARTERIOSO DI BOTALLO (SEDE ARTERIOSA): che mette in comunicazione l'aorta con l'arteria polmonare.
Al momento della nascita l'interruzione del flusso sanguigno placentare, provoca un aumento della CO2 e una diminuzione della saturazione di O2 nel sangue fetale.Questo fa sì che il neonato inizi il primo atto respiratorio