FISICA NUCLEARE E DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI

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FISICA NUCLEARE E DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI

• Struttura nucleare
• Decadimenti radioattivi
• Raggi X
• Dosimetria

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Comè fatto un atomo
Numero di massa A Z N Notazione
Ratomo ? 105 ! Rnucleo
il nucleo è 100000 volte più piccolo dellatomo!
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Numero atomico e peso atomico
92 elementi naturali
atomi
nucleo (protoni, neutroni) elettroni
dimensioni 108 cm Å
Z numero atomico
A Z N
A numero di massa
N numero di neutroni
peso atomico
riferito all' isotopo 12 del carbonio (12C)
grammo-atomo
4
Atomi, nuclei, particelle le loro dimensioni
5
Le particelle subatomiche
elettrone
protone
neutrone
e
e
carica elettrica
0
lt 1018cm()
dimensione
1013cm
1013cm
9.07 1028 g
1.67 1024 g
1.67 1024 g
massa
vita media
stabile
stabile
17 min()
() limite superiore
() neutrone libero
6
Isotopi
Isotopi stesso n.protoni Z diverso n.neutroni
N (stessa specie chimica, diversa massa)
stabili radioattivi (naturali e
artificiali)
N
Stabilita dei nuclei Nuclei leggeri (Z ? 20) ?
N Z Nuclei pesanti (Z gt 20) ? N gt Z come si
spiega?
Z
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(No Transcript)
8
(No Transcript)
9
(No Transcript)
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Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo?
Né troppi, né troppo pochi!

• La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale.
• Quindi il rapporto tra protoni e neutroni nel
  nucleo
• non dovrebbe influenzarne la stabilità, tranne
  che
• per la repulsione elettrostatica tra i protoni.
• Invece si verifica che in natura esistono solo
• nuclei leggeri (Z ? 20) con N ? Z
• nuclei pesanti (Z gt 20) con N gt Z
• Altri nuclei non esistono, o se prodotti
• decadono spontaneamente dopo un certo tempo,
  emettendo particelle, o trasformandosi in altre
  specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli.

RADIOATTIVITA
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Radioattivita
Radioattività trasformazione spontanea o
artificiale dei nuclei con
emissione di radiazione
corpuscolare ? particelle
elettromagnetica ? energia

• Quando?
• Nei nuclei non compresi
• nella valle di stabilità
• nuclei con troppi protoni (Zgt92)
• nuclei con troppi neutroni
• nuclei con pochi neutroni
• nuclei con troppa energia

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Decadimenti radioattivi
?

Spesso dopo decadimento ? o ?
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Principali tipi di decadimento radioattivo
Decadimento a
Tutti i nuclei molto pesanti (Zgt83) sono
teoricamente instabili nei confronti del
decadimento a. Nel decadimento a latomo
instabile tende a decadere in un atomo più
leggero con emissione di una particella a. Con il
termine particella a si intende un nucleo di elio
Un esempio di decadimento a è il decadimento del
Torio in Radio
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Principali tipi di decadimento radioattivo
Decadimento a (continua)
Il Torio è quindi instabile e tende a decadere in
Radio con emissione di una particella a di
energia pari a 4.08 MeV (in realtà leggermente
minore perché lenergia viene suddivisa con il
nucleo di Radio che rincula).
In generale, se un nucleo emette una particella
a, il valore di N e di Z diminuisce di due unità
mentre A diminuisce di 4 unità.
Gli atomi radioattivi come 238U o il 232Th
decadono in atomi che sono a loro volta
radioattivi e che quindi dopo un certo tempo
decadono a loro volta in modo da creare una
catena di decadimenti fino a giungere ad un atomo
stabile.
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Decadimento ?
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Principali tipi di decadimento radioattivo
Decadimento b
Il decadimento b si verifica nei nuclei che hanno
troppi o troppo pochi neutroni per la stabilità.
Nel decadimento b, la massa atomica (A) resta
invariata mentre aumenta in numero atomico (Z) di
1 unità (decadimento b-) o diminuisce di 1
(decadimento b).
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Decadimento ?-
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Decadimento ?
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Principali tipi di decadimento radioattivo
Decadimento g
Nel decadimento g, un nucleo in uno stato
eccitato decade in un livello più basso con
lemissione di un fotone. Si verifica spesso a
seguito di un decadimento b o a. Nel decadimento
g il nucleo radioattivo resta lo stesso, poiché
esso decade da uno stato eccitato allo stato
fondamentale o a uno stato eccitato di energia
minore di quella dello stato iniziale. Lenergia
dei livelli è molto elevata, dellordine dei MeV
per cui i fotoni emessi cadono nei raggi X e nei
raggi g. Un esempio di decadimento b accompagnato
g è il seguente
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Talvolta il nucleo figlio viene creato in un
stato eccitato Si diseccita emettendo radiazione
gamma
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Eccitazione diseccitazione di livelli
energetici nucleari
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La legge del decadimento radioattivo
N(0) numero iniziale di atomi di una singola
sostanza radioattiva
-dN diminuizione del numero di atomi nel tempo
dt
ldT probabilità che un certo atomo
decada nellintervallo di tempo dt
l costante di decadimento

• ha le dimensioni dellinverso di un tempo
• è caratteristica della sostanza data e del tipo
  di decadimento
• è indipendente dalletà dellatomo considerato
• non è influenzata da nessuno degli agenti fisici
  usuali

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La legge del decadimento radioattivo
Attività A numero di decadimenti nellunità di
tempo
Adt - dN ?N
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Tempo di dimezzamento
Oltre alla costante di decadimento l, vengono
spesso usati
t l-1 , inverso della costante di decadimento
? vita media
T , intervallo di tempo entro cui il numero di
atomi iniziali e,di conseguenza, lattività
radioattiva A, si dimezza, chiamato periodo o
tempo di dimezzamento o emivita
½N0 N0 e-lt - ln2 - ?T
T varia da frazioni di secondo a milioni di anni
e si indica
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Tempo di dimezzamento efficace

• La diminuzione dellattività radioattiva di un
  radionuclide che venga introdotto in un organismo
  sia per contaminazione controllata
  (radiodiagnostica e radioterapia nucleare), sia
  per cause accidentali, ai fini della valutazione
  della dose interna rilasciata, è determinata,
  oltre che dallandamento del processo fisico di
  decadimento anche dai processi di eliminazione
  biologica della molecola marcata con lisotopo
  radioattivo.
• Molti processi di eliminazione biologica
  descrivono landamento temporale della
  concentrazione delle specie (atomiche e/o
  molecolari) con una legge monoesponenziale
  decrescente da cui è possibile ricavare un tempo
  di dimezzamento biologico Tb.
• Il tempo di dimezzamento efficace Te, se è Tf il
  tempo di dimezzamento fisico, sarà

1/Te 1/Tf 1/Tb Te (Tf x
Tb)/(Tf Tb)
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Decadimento dellattività radioattiva
T1/2 25 giorni
T1/2 80 giorni
T1/2 220 giorni
Maggiore e il valore di T1/2 piu a lungo la
sorgente manifesterà attività radioattiva
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Radioattività ambientale
33
Radioattività ambientale
Distinguiamo tre principali catene radioattive
e due isotopi radioattivi
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Radioattività ambientale
In un suolo medio (e quindi anche in mattoni e
vasi) ci sono circa
La radiazione emessa da questi elementi è
sostanzialmente composta da
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Fissione Nucleare
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Fissione Nucleare
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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RAGGI X
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ELECTROMAGNETIC SPECTRUM

• Legend
• ? Gamma raysHX Hard X-raysSX Soft
  X-RaysEUV Extreme ultravioletNUV Near
  ultravioletVisible lightNIR Near infraredMIR
  Moderate infraredFIR Far infraredRadio
  wavesEHF Extremely high frequency
  (Microwaves)SHF Super high frequency
  (Microwaves)UHF Ultrahigh frequencyVHF Very
  high frequencyHF High frequencyMF Medium
  frequencyLF Low frequencyVLF Very low
  frequencyVF Voice frequencyELF Extremely
  low frequency

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(No Transcript)
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Schema di funzionamento di un tubo radiogeno
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Componenti spettrali generate da un tubo per RX
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Radiazione di frenamento
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Generazione di una riga K
M
L
K
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Transizioni elettroniche e righe K
Regole di selezione ?n ? 0 ?l ?1 ?j ?1 o 0
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Lo spettro caratteristico
Lo spettro caratteristico consiste di una serie
di righe discrete corrispondenti alla differenza
di energia fra due livelli atomici e perciò è
caratteristico dellelemente emittente
Denominazione delle righe
K
L
M
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Spettroscopia X in emissione
K?
Radiazione caratteristica
Intensità riferita allunità di lunghezza donda
K?
Radiazione di bremsstrahlung
?min?0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Lunghezza donda (nm)
nm
Ee eV
Eph(max)hc/?0
Tubo a raggi X
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Spettri reali di tubi RX
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INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA
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Interazione radiazioni - materia Fotoni
A differenza delle particelle cariche i fotoni
non interagiscono In maniera continua con la
materia, ma in maniera stocastica Esiste cioe
una probabilita di interazione con la materia
(quella che i fisici chiamano Sezione durto)
Le interazioni sono discontinue tra una
interazione e la successiva il fotone non cede
energia al mezzo
Il fascio di fotoni entra nel mezzo con intensità
I0? e dopo un percorso x lintensità è ridotta
al valore Ix.
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Interazione radiazioni - materia Fotoni X e ?
? coefficiente di attenuazione
assorbimento
o anche
I(x) I0exp-µx
? 1/? libero cammino medio
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(No Transcript)
63
Assorbimento e diffusione di fotoni ad alta
energia X e g
Diffusione Compton
Assorbimento fotoelettrico
Pair production
Diffusione elastica
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Assorbimento X e g
Andamento dei coefficienti di assorbimento e dei
relativi contributi nei materiali indicati
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Assorbimento fotoelettrico ed emissione di righe
di fluorescenza caratteristiche
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X-ray absorption spectroscopy

• Exponential attenuation

(
)
F

F
exp
-
m
w
x
0

• Attenuation coefficient

Edges
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Coefficiente di assorbimento fotoelettrico µf
Il coefficiente mf di assorbimento dei fotoni per
effetto fotoelettrico è proporzionale alla quarta
potenza del numero atomico del mezzo (poiché un
elettrone di un dato strato è tanto più legato al
nucleo quanto maggiore è il numero di protoni
dello stesso, cioè appunto il numero atomico) ed
alla terza potenza della lunghezza d'onda del
fotone, ovvero all'inverso della terza potenza
dell'energia, secondo una costante (Cn)
dipendente dallorbitale di estrazione ( r
densità)
mf Cnr Z4?3 /(hc)3
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Diffusione Compton
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Dipendenza angolare della diffusione Compton
70
Diffusione Compton
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Contributo Compton
Quasi tutta la radiazione diffusa che interessa
la diagnostica radiologica proviene dall'effetto
Compton Interazione con orbitali più esterni il
bilancio energetico del processo può essere
espresso dalla seguente relazione (h?)d(h?)
i-Eb-1/2mv2 (h?)d è l'energia dei fotone
diffuso, (h?)i, è l'energia del fotone
incidente. Eb. l'energia di legame
dell'elettrone nell'orbitale 1/2 mv2 l'energia
cinetica dell'elettrone espulso. Il coefficiente
mc di assorbimento Compton si può esprimere
come mc Bnr l/(hc)
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Assorbimento per produzione di coppie (pair
effect)
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Andamento complessivo del coefficiente di
assorbimento
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(No Transcript)
75
(No Transcript)
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(No Transcript)
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DOSIMETRIA
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Grandezze Dosimetriche
Esposizione X
Misura la ionizzazione che raggi X o gamma
producono in aria
Si misura in Coulomb/kg
Molto usata e la vecchia unita il Roentgen
R
1 R 2.5810-4 C/kg
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Dose assorbita D
Misura lenergia rilasciata dalla radiazione
nella unita di massa
Ad ogni interazione la radiazione cede una
piccola parte della sua Energia alla materia
Particelle cariche ionizzazione del mezzo
attraversato
Fotoni effetto fotoelettrico, Compton,
produz. coppie
1 gray 1 Joule/kg
La dose assorbita D si misura in gray
Dose assorbita D ed esposizione X sono ovviamente
legate tra loro
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Fattore di qualità
81
Fattore di qualita Q
a parita di Dose assorbita D il danno biologico
dipende dal tipo di radiazione
Maggiore e la densita di ionizzazione (numero
ionizzazioni prodotte Per unita di percorso),
maggiore e il danno biologico
 
La ICRP ha introdotto un peso della pericolosita
delle radiazioni il fattore Qualita Q, tipico
di ogni tipo di radiazione.
82
Dose equivalente H
Quindi una dose assorbita, per esempio, pari a
200 mgray corrisponde ad una dose equivalente
pari a
200 mSv nel caso raggi X, fotoni o elettroni
2 Sv nel caso di protoni o neutroni
4 Sv nel caso di particelle ?
83
Fattori di ponderazione
84
La dose efficace

Somma delle dosi equivalenti nei diversi organi o
tessuti del corpo umano, opportunamente ponderate
a seconda dei danni relativi ai vari organi
interessati. L'unità di dose efficace è il
sievert (Sv)

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Le unità di misura
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(No Transcript)
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Tempo di dimezzamento efficace

• La diminuzione dellattività radioattiva di un
  radionuclide che venga introdotto in un organismo
  sia per contaminazione controllata
  (radiodiagnostica e radioterapia nucleare), sia
  per cause accidentali, ai fini della valutazione
  della dose interna rilasciata, è determinata,
  oltre che dallandamento del processo fisico di
  decadimento anche dai processi di eliminazione
  biologica della molecola marcata con lisotopo
  radioattivo.
• Molti processi di eliminazione biologica
  descrivono landamento temporale della
  concentrazione delle specie (atomiche e/o
  molecolari) con una legge monoesponenziale
  decrescente da cui è possibile ricavare un tempo
  di dimezzamento biologico Tb.
• Il tempo di dimezzamento efficace Te, se è Tf il
  tempo di dimezzamento fisico, sarà
• 1/Te 1/Tf 1/Tb Te
  (Tf x Tb)/(Tf Tb)

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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• Danno al DNA
• Le radiazioni colpiscono il DNA a tre livelli
• Nella cellula già differenziata di tipo somatico
  quando una cellula sana si trasforma in una di
  tipo canceroso provocando leffetto oncogenico
  oppure lalterazione interessa le generazioni
  cellulari successive, determinando il cosiddetto
  effetto mutagenico.
• Nella cellula embrionale quando le alterazioni
  genetiche delle cellule embrionali, possono
  provocare malformazioni, aborti, neonati con
  gravi deformazioni, si manifesta il cosiddetto
  effetto teratogenico.
• Nella cellula germinale sessuale in questo caso
  i danni possono provocare sterilità sessuale,
  malattie ereditarie più o meno gravi, morte del
  feto nei primissimi stadi di vita.

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Dosi in radiodiagnostica
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