interazioni delle radiazioni con la materia - Università di Cagliari

INTERAZIONI DELLE
RADIAZIONI CON LA
MATERIA
Università degli Studi di Cagliari
Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione
1

NOTAZIONE CHIMICA
Tutti gli elementi sono
caratterizzati dal numero
di protoni
L’Idrogeno (simbolo H)
ha 1 protone
Tavola periodica degli Elementi
Il Carbonio (simbolo C)
ha 6 protoni
A = Numero di Massa: indica il
numero protoni + neutroni
Z = Numero Atomico: indica il
numero dei protoni
A
Z
X
Simbolo chimico
2

GLI ISOTOPI
IL CARBONIO
Numero protoni + neutroni
Numero protoni
12
C
6
•Il Carbonio 12 nel suo nucleo ha 6 protoni e
12 - 6 = 6 neutroni
•Esistono altri atomi di Carbonio che hanno un diverso
numero di neutroni (isotopi)
11
C
13 C
14 C
6 6 6
3

GLI ISOTOPI RADIOATTIVI
• Alcuni isotopi dei vari elementi possono essere radioattivi
altri no.
• Continuando l’esempio del Carbonio: il Carbonio 12 e 13
sono stabili, mentre il carbonio 11 e 14 sono radioattivi.
11
C
12
C
13 C
14 C
6 6 6 6
4

MISCELA DI ISOTOPI
• Gli elementi presenti in natura sono costituiti da miscele di
isotopi presenti in diversa percentuale.
• Ecco alcuni esempi di composizione isotopica di elementi
naturali:
Potassio (K): 93,22% 39 K + 0,01% 40 K + 6,77% 41 K
Uranio (U): 0,005% 234 U + 0,720% 235 U + 99,275% 238 U
Gli isotopi in giallo sono radioattivi
Poiché nel corpo umano è presente una quantità di Potassio compresa fra i 110 g e
140 g e lo 0.01% di questo è radioattivo, allora nel nostro corpo è presente un
quantità di Potassio radioattivo compreso fra i 11 mg e i 14 mg. Che corrisponde a
5

Radiazioni ionizzanti
Le sorgenti radioattive emettono radiazioni di elevata energia che
possono produrre la scissione delle molecole e la ionizzazione degli
atomi. Per questo motivo sono dette radiazioni ionizzanti
Radiazioni emesse durante i decadimenti
radioattivi:
•Particelle α e β
•Radiazioni γ
Radiazioni emesse da altre sorgenti:
•Raggi X
•Raggi ultravioletti
Radiazione
Le radiazioni ionizzanti possono
produrre danni agli organismi viventi.
6

Particelle alfa (α)
Nei nuclei molto grandi, i protoni della periferia sentono
meno la forza attrattiva (forza forte) che tiene incollati i
nucleoni (protoni e neutroni) fra loro, possono quindi
essere espulsi dal nucleo.
Non viene mai espulso un protone da
solo, ma un pacchetto di nucleoni
costituito da 2 protoni e 2 neutroni,
chiamato particella alfa (α). La particella α
ha carica 2+
7

Particelle beta (β)
• Le particelle beta sono elettroni proprio come quelli che
orbitano attorno al nucleo.
• Vengono chiamate particelle β per indicare che hanno una
origine diversa, infatti, vengono prodotte dal nucleo
durante il decadimento.
• Le particelle beta
possono avere carica 1-
oppure 1+ a seconda
che si tratti di elettroni o
di positroni (identici agli
elettroni ma con carica
positiva)
8

Potere frenante (Stopping Power)
• Una particella carica (e - , β − , β + , α, p + …) che attraversa la
materia interagisce con gli elettroni degli atomi producendo
ionizzazioni.
• Occorrono mediamente 30 eV per produrre una ionizzazione
e la particella perde una corrispondente frazione di energia
• Un parametro importante è il Potere Frenante (Stopping
Power) che varia fortemente per le varie particelle e varia con
il materiale e la energia della particella
S
=
∆E
∆x
In Acqua, si ha : per e e β
per le particelle α
S = 2 Mev/cm
S = 1700 MeV/cm
9

Una cellula attraversata da α o β
• Calcoliamo lo Stopping Power in eV/µm
particelle beta (β)
particelle alfa (α)
S = 200 eV/µm
S = 170.000 eV/µm
1 µm 1 µm
•Una particella β che attraversa
una cellula di diametro di 1 µm
rilascia 200 eV, producendo circa
6-7 ionizzazioni; la probabilità di
danno cellulare è molto bassa.
•Una particella α che attraversa la
stessa cellula rilascia 170.000 eV,
producendo circa 6.000 ionizzazioni;
la probabilità di danno cellulare è
altissima!
10

Particelle α e β nel tessuto molle
Particelle β emesse dal Fosforo 32:
E max = 1.7 MeV
E max
1.7
∆x tessuto = = cm = 0.85 cm = 8500 µm
S β 2
Particelle α tipicamente hanno una energia pari a:
E = 5 MeV
E 5
∆x tessuto = = cm = 0.003 cm = 30 µm
S α 1700
11

Strato germinativo della cute
Strato germinativo
della cute è posto
a circa 70µm di
profondità.
α
β P32
70 µm
30 µm
8500 µm
12

Particelle α e β in aria
Il potere frenante
dipende dal numero
di elettroni incontrati
dalla particella
ionizzante nel suo
percorso.
-
+
+
- - --
- -
-
-
-
-
-
--
-
- -
Il numero di elettroni è proporzionale alla densità, quindi
le particelle α e β compiono percorsi maggiori in aria
piuttosto che in acqua (o nel tessuto).
L’aria ha una densità pari a 1.3 kg/m 3 mentre l’acqua ha una
densità di circa 1000 kg/m 3 , quindi il percorso in aria è 1000/1.3
volte maggiore (770 volte) rispetto al percorso in acqua.
13

Percorso delle particelle α e β in
aria e in acqua
Aria
7 metri
Una particella β emessa dal P32 percorre in aria una distanza pari a circa 700 cm
2.5 cm
Una particella α da 5 MeV percorre in aria una distanza di circa 2.5 cm
Acqua (tessuto molle)
0.85 cm
Una particella β emessa dal P32 percorre in acqua una distanza pari a circa 0.85 cm
0.003 cm
Una particella α da 5 MeV percorre in acqua una distanza di circa 0.003 cm
14

Radiazioni indirettamente ionizzanti
Le particelle cariche come le particelle α e β sono radiazioni
direttamente ionizzanti.
I raggi X, γ e neutroni sono radiazioni indirettamente
ionizzanti, in quanto producono ionizzazione solo dopo aver
ceduto la loro energia ad una particella carica (un elettrone o
un protone o un nucleo).
La interazione di queste radiazioni con la materia
segue leggi probabilistiche
Può capitare che un fotone X o γ attraversi
spessori elevati di materiali senza interagire.
15

Radiazioni direttamente e
indirettamente ionizzanti
Eβ E=Eβ-S ∆x Una particella β che attraversa
uno spessore ∆x di materiale
perde tutta oppure parte della
sua energia
∆x
X , γ
Una fotone X o γ che attraversa un
materiale può passare indenne oppure
interagire mettendo in moto un
elettrone
16

Radiazione gamma (γ)
I raggi γ non sono altro che radiazioni elettromagnetiche (e.m.)
proprio come la luce visibile, le onde radio o le microonde.
La radiazione e.m. è un’onda che trasporta solo energia ma non
materia.
Le onde e.m. viaggiano in brevi treni di impulsi (piccoli pacchetti)
chiamati: fotoni che simbolicamente vengono rappresentati in questo
modo e sono prodotti nei decadimenti radioattivi.
β
γ
γ
α
17

Spettro elettromagnetico
Diminuisce la lunghezza d’onda e aumenta la frequenza
Le radiazioni luminose hanno energie comprese tra 1,5 e 3 eV
I raggi ultravioletti
tra 3 e 20 eV
I raggi X usati per le radiografie tra 20.000 e 100.000 ev (20 e 100 keV)
I raggi gamma emessi dal Cesio 137 esattamente 661.645 eV (~662 keV
1 keV = 1000 eV
18

Interazione dei fotoni
I fotoni possono interagire con la materia in modi diversi a
seconda dell’energia che trasportano:
‣Fotoni a bassa energia
‣Fotoni ad media energia
‣Fotoni ad alta energia
effetto fotoelettrico
interazione Compton
produzione di coppie
• Bassa energia < 500 keV
• 500 keV < media energia < 1 MeV
• Alta energia > 1,022 MeV
19

Effetto fotoelettrico
• Un fotone di bassa energia può
collidere con un elettrone orbitale
ed espellerlo dall’atomo. Il fotone
viene totalmente assorbito;
LETTRONE
FOTONE
+
NUCLEO
• L’elettrone viene espulso con una
energia uguale all’energia del
fotone meno l’energia di legame
dell’elettrone all’atomo.
• Vengono espulsi gli elettroni degli
orbitali più interni;
ATOMO
• Gli elettroni degli orbitali superiori
scendono a ricoprire la vacanza e
nello spostamento vengono emess 20

Interazione Compton
• Avviene per fotoni di energia media
LETTRONE
(500 keV < e< 1 MeV);
• consiste nella collisione di un fotone con un elettrone
debolmente legato; (come gli elettroni degli orbitali
più esterni);
Dalla collisione emerge:
TONE
+
NUCLEO
- un nuovo fotone con energia inferiore e
traiettoria diversa da quella originale;
-l’elettrone con energia pari all’energia
persa dal fotone incidente;
ATOMO
21

Produzione di coppie
• Consiste nella creazione di una
coppia elettrone – positrone
(particella del tutto simile
all’elettrone ma di carica +)
TONE
+
• E’ un effetto a soglia, pertanto si
verifica solo per fotoni con energie
superiori a 1,022 MeV (massa
dell’elettrone = 0,511 MeV);
ATOMO
NUCLEO
• Si verifica nelle vicinanze di un
nucleo a causa dell’interazione
del fotone con il campo elettrico
creato dal nucleo;
22

Probabilità di interazione
La probabilità che i fotoni (raggi γ ο raggi X) interagiscano
con la materia in un modo piuttosto che in un altro dipende:
1 – dalla energia del fotone
2 – dal numero atomico Z degli atomi della materia
attraversata.
ffetto fotoelettrico: è prevalente alle basse energie e per valori
di Z elevati;
nterazione Compton: è prevalente alle energie medie ed è
quasi indipendente da Z;
roduzione di coppie: è prevalente alle alte energie e per valori
di Z elevati;
Z è il numero di protoni contenuti nel nucleo, e caratterizza l’elemento. 23

Attenuazione del fascio
• Le interazioni dei fotoni (X e γ) con la materia sono fenomeni
probabilistici;
• Non posso dire se il singolo fotone sarà assorbito, ma posso
conoscere la frazione di fotoni che attraverserà lo schermo;
24

Quanti sono i fotoni che subiscono
interazione?
• Il numero ∆N di fotoni che interagisce dipende da:
• Numero di fotoni incidenti N 0
• Coefficiente di attenuazione µ
• Spessore del materiale ∆x
• Di conseguenza : ∆N = - N 0 µ∆x
( il segno – indica che i fotoni ∆N risultano mancanti rispetto al numero
iniziale)
• Tutte le leggi con un meccanismo di funzionamento
probabilistico portano ad una equazione esponenziale
N(x) = N 0 e -µx
…molto simile alla legge sul decadimento radioattivo
25

Coefficienti di attenuazione
Il coefficiente di interazione rappresenta la frazione di
radiazione gamma che interagisce per unità di spessore
attraversato
µ f = coefficiente di assorbimento fotoelettrico.
µ c = coefficiente di interazione compton.
µ pp = coeffic. di interazione per la produzione di coppie.
Z
Z
4
µ ≅ F 3 C
≅
E E
µ
2
≅ Z × ( E −1,022)
µ PP
Fotoelettrico Compton Produzione di coppie
26

Fotoni emergenti e fotoni assorbiti
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
•Fotoni emergenti
N(x) = N 0 e -µx
10 0 0 0
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
10 0 0
0
0 20 40 60 80 100
•Fotoni assorbiti
N abs (x) = N 0 (1- e -µx )
27

Schermature per fotoni
Perché per schermare la radiazione γ e i raggi X
(fotoni) si usa il piombo?
Il Piombo (Pb) ha numero atomico elevato Z = 82;
Per fotoni di bassa energia (E < 500 keV) l’effetto
predominante è quello di assorbimento fotoelettrico in
cui il fotone viene assorbito totalmente;
L’effetto fotoelettrico ha una probabilità maggiore di
avvenire per materiali con un alto numero Z, quindi il
piombo è un materiale adatto a schermare fotoni di
energie non troppo elevate;
28

Schermature per fotoni
• Per energie maggiori l’effetto predominante diventa
l’interazione Compton, per il quale il valore di Z
non influenza in modo incisivo l’assorbimento;
• se gli spessori in gioco diventano troppo elevati, il
piombo può creare problemi di tipo strutturale;
• si preferisce quindi usare materiali più adatti dal
punto di vista costruttivo e strutturale come il
calcestruzzo, con Z inferiore al Piombo ma con
spessori più elevati si ottiene lo stesso risultato di
schermatura;
29

I neutroni
Sono uno dei tipi di particelle che costituiscono il nucleo,
insieme ai protoni
I protoni hanno carica
elettrica positiva +
I neutroni sono privi
di carica elettrica
• PROTONI
• NEUTRONI
Non ci sono sorgenti radioattive che emettono neutroni;
Solo il Californio 252 (emettitore alfa) subisce fissione spontanea (processo
nel quale il nucleo si dimezza in due metà quasi uguali) e vengono emessi
neutroni di varie energie;
30

Produzione di neutroni
La sorgente più prolifica di neutroni è il reattore nucleare –la
separazione del nucleo dell’Uranio o del Plutonio in un reattore
nucleare è accompagnato dall’emissione di numerosi neutroni.
Altre sorgenti di neutroni dipendono da reazioni nucleari:
9
4
4
2
(
12
) C n
Be + He → +
Berillio 9 Particella α Carbonio 12
6
Neutrone
31

Produzione di neutroni
Berillio 9
9
4
4
2
(
12
) C n
Be + He → +
PARTICELLA α
(Nucleo di Elio)
6
Carbonio 12
Neutrone
’Am 241 decade emettendo particelle α che bombardando il Be 9
imolano la produzione di neutroni.
Berillio 9 Americio 241
32

Classificazione dei neutroni
• Neutroni termici 0,025 eV
• Neutroni epitermici 0,025 ÷ 1 eV
• Neutroni lenti 1 ÷ 100 eV
• Neutroni intermedi 0,1 ÷ 10 keV
• Neutroni veloci 0,01 ÷ 10 MeV
0,025 eV 1 eV 100 eV 10.000 eV 10.000.000 eV
intermedi
epitermici lenti veloci alta energia 33

Interazione dei neutroni
Al momento della loro nascita tutti i neutroni sono veloci;
Perdono la loro energia collidendo con i nuclei della materia
che incontrano nel loro cammino;
Collisione elastica:
L’energia di movimento
(cinetica) delle particelle si
conserva, il nucleo non
rimane eccitato dopo la
collisione.
Collisione anelastica:
L’energia cinetica delle
particelle non si conserva,
il nucleo rimane in uno
stato eccitato e restituisce
l’energia di eccitazione con
l’emissione di un fotone.
34

Collisioni
Collisioni elastiche: avvengono tra neutroni e nuclei leggeri
(tipicamente nuclei di idrogeno). Il neutrone può perdere
anche tutta la sua energia in una sola collisione. Le collisioni
elastiche sono molto efficaci nel rallentare i neutroni veloci.
Nucleo di Idrogeno (costituito da un unico
protone)
Collisioni anelastiche: avvengono tra neutroni veloci e nuclei
pesanti. L’energia ceduta dal neutrone al nucleo viene
riemessa da questo sotto forma di radiazione elettromagnetica
(fotoni), e quindi perduta.
Nucleo pesante
(costituito da molti
nucleoni)
35

Schermature per neutroni
I neutroni sono particelle molto penetranti, in quanto essendo
prive di carica possono attraversare grandi spessori di
materiale ad alto numero atomico (es. Piombo);
Be
SORGENTE
α
PIOMBO
RIVELATORE
Fascio di
particelle α Fascio di neutroni Fascio di neutroni
La probabilità per i neutroni di interagire con la materia dipende
dalla energia e quindi dalla loro velocità.
I neutroni termici hanno una più alta probabilità di interazione;
Per schermare i neutroni bisogna prima rallentarli;
36

Schermature per neutroni
I neutroni vengono rallentati facendoli passare attraverso materiali con un
alto contenuto di Idrogeno (es. Acqua→ H 2 O oppure la grafite o la paraffina)
In seguito possono essere assorbiti da altri materiali, in seguito a reazioni
nucleari:
Litio (Li)
10
B 7 5 3
+ → Li
1
n+ H → 1
2
1
H
+α
n
Boro (B)
Nucleo
instabile
n Idrogeno Idrogeno (Deuterio) 37
α

Elettroni
Perdono energia prevalentemente per ionizzazione del mezzo
che attraversano (detto mezzo assorbente);
Il potere assorbente del mezzo attraversato dipende dal
numero di elettroni per unità di superficie e in misura molto
minore dal numero atomico Z;
-
- - --
-
- -
I materiali utilizzati per schermare la radiazione beta (elettroni)
sono quasi sempre fatti con materiali a basso numero atomico.
Perché?
38

Radiazione di frenamento
• Gli elettroni hanno anche un altro modo di perdere energia,
per frenamento (bremsstrahlung);
FOTONE
LETTRONE • L’elettrone arriva vicino al nucleo, viene
‘rallentato’ e deviato dal suo campo
-
elettrico;
+ • L’energia perduta per frenamento viene
emessa come radiazione
NUCLEO elettromagnetica (fotoni);
• Questo fenomento viene esaltato per
ATOMO elettroni di energia elevata e per
materiali con alto numero atomico Z;
Ecco perché per schermare la radiazione beta (β) si preferisce utilizzare
materiali con basso Z, per evitare che vengano prodotti fotoni; 39

Schermi per elettroni
• Per schermare gli elettroni si scelgono quindi materiali con
basso Z come il plexiglas (numero atomico medio circa 7)
per evitare che venga prodotta radiazione di frenamento.
• Per schermare gli elettroni provenienti dai decadimenti beta
bastano 1 cm – 1,5 cm di plexiglas
• Una sorgente di Stronzio 90 (Sr90) può essere schermata
con 1 cm di plexiglass, se si utilizzasse piombo circa il 7%
degli elettroni incidenti sulla schermatura produrrebbero
radiazione elettromagnetica, in quanto l’elettrone emesso
nel decadimento dello Sr-90 è molto energetico (2,27 Mev)
40

Potere di penetrazione
CEMENTO
PLEXIGLAS
CARTA
•La radiazione più
penetrante è quella
gamma e la radiazione
neutronica;
RAGGI GAMMA (γ)
PARTICELLE BETA (β)
PARTICELLE ALFA (α) SORGENTE
RADIOATTIVA
•la meno penetrante èla
radiazione alfa;
•La radiazione beta può
essere molto penetrante
a seconda dell’energia
trasportata dagli
elettroni;
41

Irraggiamento esterno
Le radiazioni più pericolose per irraggiamento esterno sono le radiazioni
gamma, perché possono attraversare diversi spessori di materia prima di
essere fermate;
la radiazione alfa èla meno pericolosa per irraggiamento esterno perché
viene fermata in pochi cm d’aria e comunque non riesce a oltrepassare lo
strato superficiale della pelle;
la radiazione beta può raggiungere lo strato più profondo della pelle per
energie superiori ai 70 keV, per energie inferiori può essere fermata in
pochi mm di materia.
la radiazione neutronica
radiazione neutronica è molto pericolosa perché è molto penetrante,
viene schermata con acqua o altri materiali ad alto contenuto di idrogeno.
Se non viene schermata crea ionizzazioni interagendo con i nuclei di
idrogeno dell’acqua contenuta nel corpo;
42

Irraggiamento interno
• Quando la sorgente si trova all’interno del corpo umano
(esempio si respira aria contaminata) la radiazione più
pericolosa èla radiazione alfa, perché perde tutta la sua
energia in un breve percorso.
43