MECCANISMI DI INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA RADIAZIONE-MATERIA...
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MECCANISMI DI INTERAZIONE DELLE
RADIAZIONI
INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA
INTERAZIONE CON LE PARTICELLE CARICHE
INTERAZIONEINTERAZIONE CON I FOTONICON I FOTONI
INTERAZIONE INTERAZIONE CON I NEUTRONICON I NEUTRONI
INTERAZIONE RADIAZIONE
MATERIA
Le radiazioni propagandosi nello spazio possono incontrare materia vivente e non, con la quale
interagiscono.
I meccanismi di interazione sono diversi a seconda del tipo di radiazione, della sua energia e delle
caratteristiche del materiale attraversato.
Ne segue una diversa capacità di penetrazione dei vari tipi di radiazioni nei vari materiali.
Interazione radiazione-materia
cartacarta alluminioalluminio(5 mm)(5 mm)
piombopiombo(25 mm)(25 mm)
Potere di penetrazione dei diversi tipi di radiazioni
αα
γγ
ββ
Assorbimento della radiazione
Interazione radiazione-materia
La radiazione interagisce con la materia trasferendo ad essa energia attraverso ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi e delle
molecole del mezzo attraversato.
A noi interessa il fenomeno
della ionizzazione.
La più importante caratteristica delle radiazioni ionizzanti consiste nel rilascio localizzato di una
grande quantità di energia.
Le radiazioni ionizzanti possono essere classificate in direttamente e indirettamente ionizzanti.
DIRETTAMENTE IONIZZANTIDIRETTAMENTE IONIZZANTI: Particelle cariche (elettroni, protoni, particelle alfa, ioni più pesanti)
INDIRETTAMENTE IONIZZANTIINDIRETTAMENTE IONIZZANTI: raggi X, raggi gamma, neutroni, etc.
Interazione radiazione-materia
Tipi di radiazioni
Ci sono quattro tipi fondamentali di radiazioni i cui processi d’interazione con la materia sono classificabili in base alle
loro proprietà elettromagnetiche e alla loro massa
Cariche Neutre
particelle pesanti
protoni (p), muoni (μ), pioni (), …
neutroni (n)
elettroni fotoni
raggi X, raggi
INTERAZIONE CON LE
PARTICELLE CARICHE
Interazione con le particelle cariche
Il passaggio di particelle cariche attraverso la materia produce due tipi di interazioni:
· Collisioni anaelastiche con gli elettroni degli atomi che compongono il materiale.
· Scattering elastico con i nuclei.
Gli effetti generati da queste interazioni sono:
· Perdita di energia da parte della particella , nel caso in cui sia leggera si ottiene anche una deflessione della traiettoria.
· Eccitazione o ionizzazione degli atomi che compongono il materiale.
Interazione con le particelle cariche
Le particelle sono cariche e pesanti , interagiscono con la materia prevalentemente tramite le collisioni anaelastiche, dovute alla forza di Coulomb tra la loro carica positiva e la
carica degli elettroni presenti nelle shell atomiche.
In ogni singola collisione perdono una piccola parte della propria energia cinetica, ma considerando la densità dei materiali e il numero enorme di collisioni che avvengono
nell’unità di cammino percorso, la penetrazione delle particelle è molto bassa.
Anche le particelle beta e gli elettroni hanno una modesta capacità di penetrazione nella materia, ma i loro percorsi
sono comunque assai maggiori di quelli delle particelle cariche pesanti.
Stopping Power
( = (1 - 2 )-1/2 )
dE
dx- = 4 Ne
q2 e4
me v2
2 me v3
q e2 ln
Il cammino che compiono le particelle cariche è caratteristico per ogni singolo materiale.
Definiamo stopping power “S” la quantità di energia persa, dalla particella all’interno di un materiale, lungo il corrispondente cammino percorso: S = - dE / dx
L’andamento della perdita di energia di una particella carica leggera all’interno di un materiale è ben descritta dalla formula
classica di Bohr:
S =
Interazione radiazioni - materia
Particelle cariche: Range
N
spessoreRange
m ariaRange elettroni: cm plastica 1 mm Piombo
Sorgentiradioattive
qualche cm ariaRange alfa: un foglio di carta
non costituiscono problemaper irraggiamento esterno
INTERAZIONE CON I FOTONI
Interazioni dei con la materia• L’assorbimento delle radiazioni (e X) nella materia
avviene in modo sostanzialmente diverso da quello degli elettroni e delle particelle cariche, che rallentano
gradualmente attraverso molte simultanee interazioni con gli atomi del mezzo, ed hanno percorsi ben definiti.
• I raggi invece non interagiscono sistematicamente, ma con meccanismi probabilistici che non ne riducono
l’energia, ma li eliminano casualmente dal fascio di cui fanno parte.
• I processi fondamentali d’interazione dei con la materia sono:
effetto Comptoneffetto Comptoneffetto fotoelettricoeffetto fotoelettrico
produzione di coppieproduzione di coppie reazioni nucleari (trascurabili)reazioni nucleari (trascurabili)
I tre effetti dei con la materia
L’effetto ComptonL’effetto Compton :produce un parziale
trasferimento dell’energia del fotone ad un elettrone
del mezzo, mentre il fotone viene deviato di un certo
angolo.
Nell’effetto fotoelettricoNell’effetto fotoelettrico e e nella produzione di coppienella produzione di coppie
il fotone scompare, e trasferisce tutta la propria energia rispettivamente ad
un elettrone o a un elettrone e a un positrone.
Effetto fotoelettrico
Effetto Compton
I tre effetti dei con la materia
produzionedi coppie e+e-
La produzione di coppieLa produzione di coppie è un effetto a soglia (E>1022 keV), che è il
valore in keV della massa dell’elettrone e del positrone che
debbono essere “creati”
Se nessuna di queste interazioni si verifica, la radiazione può passare
attraverso il materiale.
La ionizzazione prodotta viene detta secondaria, cioè si ha una limitata produzione diretta di
elettroni (primari), che a loro volta cedono la propria energia al mezzo, producendo la maggior parte della
ionizzazione.
Assorbimento completo del fotone da parte di un elettrone atomico espulsione elettrone di energia E = h - Eb
+ A e- + A+ energia di legame dell’elettrone
emissione e- creazione di uno ione con “vacanza” in una delle shell riempimento della vacanza da parte di un e- libero e/o
tramite riarrangiamento degli e- atomici emissione di raggi X
N.B. - processo dominante per E = h < 100 keV
Effetto Fotoelettrico
Effetto Compton
Diffusione del fotone da parte di e- quasi libero (i.e la cui energia di legame può essere trascurata)
+ e- + e-
Cinematica :
θ
T
hh’ h’ =
h1 + ε (1 – cos θ)
ε = hmec2
1 + ε (1 – cos θ)
1 – cos θ ε2T = mec2
CASI PARTICOLARI
Effetto Compton
i. θ = 0 ’ = T = 0
ii. θ = h’ = h
1 + 2 εT = h
1 + 2 ε
2 ε(Compton Edge)
μ vs. E (andamento qualitativo)
N.B. - processo dominante per E = h ~ 1 MeV
E (MeV)
μ (
cm2
/ g)
0.01 0.1 1.0 10.00.001
0.01
0.1
1.0
10.0
100.0
100.0
Pb
Produzione di Coppie
Creazione di coppia e+/e- per interazione del fotone nel campo coulombiano di un nucleo
+ N e+ + e- + N
N.B. - reazione inversa (crossing) della bremmstrahlung e- + N + e- + N
- processo a soglia: E > 2me (~ 1 MeV)
- processo dominante per E = h > 2 MeV
Interazione dei fotoni e numero atomico
xoeNxN
= 1/ = libero cammino medio
Z5 (fotoelettrico)Probabilità d’interazione Z (Compton) Z2 (produzione di Coppie)
Il numero di fotoni N(x), ancora presenti ad una certa profondità x in un materiale è data da:
dove , detto coefficiente di attenuazionecoefficiente di attenuazione, è legato alla probabilità totale d’interazione nel materiale.
Come nello studio dei decadimenti si definisce l’utile parametro“tempo di dimezzamento”(T1/2), che rappresenta il tempo
dopo il quale una certa quantità di radionuclidi si dimezza,così nello studio dell’attenuazione dei raggi X e g si definisce il
parametro “spessore emivalente” (HVL), che rappresenta lo spessore di un materiale capace di dimezzare l’intensità
di un fascio di fotoni, cioè il loro numero.
L’analogia tra i due fenomeni dipende esclusivamente dalla loro natura casuale
La loro descrizione è assolutamente la stessa, a patto di scambiare il tempo con lo spazio.
Fenomeni casuali
0
2
4
6
8
10
0 20 40 60 80 100 120
spessore
N
Piombo
Calcestruzzo xoeNxN
= coefficiente di attenuazione/assorbimento
= 1/ = libero cammino medio
Uno strano “caso”
INTERAZIONE CON I
NEUTRONI
Interazione con i neutroni
I neutroni, infine, perdono energia tramite le interazioni con i nuclei degli atomi dei materiali attraversati. In un ampio
intervallo di energia, tra circa 10 keV e 10 MeV. Il principale meccanismo di interazione con la materia è la diffusione
elastica con la messa in moto di nuclei di rinculo, principalmente i protoni dell'idrogeno. A energie molto basse, al di sotto di 0,5 eV, prevalgono invece le reazioni di cattura
da parte dei nuclei, con emissione di raggi gamma e altre particelle.
Trattandosi di radiazioni indirettamente ionizzanti, anche per i neutroni si può tentare di introdurre in linea di principio lo
“spessore emivalente” (HVL), sebbene molto meno significativo che nel caso dei fotoni.
Vari meccanismi di interazione