INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA.

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:






• 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







• 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


Spettro di energia

La direzione di emissione dei fotoni di bremsstrahlung dipende dall’energia dell’elettrone incidente


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



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


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