INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA

1. INTERAZIONE delle PARTICELLE CARICHE CON LA MATERIA

2. CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO? • 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.

3. (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:

4. (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

5. (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

6. (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

7. Perdita di energia in funzione della profondità di penetrazione in acqua per una particella carica pesante

8. (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 • a parità di energia cinetica gli elettroni, essendo meno massivi, sono più veloci, quindi perdono meno energia

9. Curve dose-profondità per protoni ed elettroni

10. Curve dose-profondità per vari fasci di particelle cariche con picco di Bragg modulato alla profondità di 10 cm.

11. CHE COSA SUCCEDE AD UNA PARTICELLA CARICA QUANDO ATTRAVERSA UN MEZZO? • 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.

12. (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” (= frenamento)

13. (2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG Spettro di energia • 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

14. (2) PERDITE RADIATIVE PER BREMSSTRAHLUNG Distribuzione angolare La direzione di emissione dei fotoni di bremsstrahlung dipende dall’energia dell’elettrone incidente

15. UNA PARENTESI: RAGGI X CARATTERISTICI Elettroni 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.

16. SPETTRO DI RAGGI X Spettro continuo di fotoni di frenamento Fotoni di bassa energia eliminati Raggi X caratteristici

17. PERDITA di ENERGIA COMPLESSIVA degli ELETTRONI Energia < 1 MeV Energia > 1 MeV IONIZZAZIONE diretta FRENAMENTO  Z2 del materiale  Z del materiale Produzione di raggi X Produzione di elettroni liberi Energia persa in prossimità elettrone Energia persa a distanze maggiori

19. (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.

20. DIVERSO PERCORSO DI FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO fotone Percorso elettrone 1/10 mm Percorso fotone 1/2 cm elettrone ACQUA

21. E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E’ TESSUTO VIVENTE?

22. Cosa succede ad un organismo biologico quando viene colpito da una radiazione? DANNO BIOLOGICO • Danno FISICO • Danno CHIMICO Gli elettroni di ionizzazione sono i RESPONSABILI del DANNO BIOLOGICO

23. 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

24. FASE FISICA 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

25. Come quantificare la deposizione di energia? DOSE ovvero quantità e rateo di radiazione assorbita Linear Energy Trasfer (LET) TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA ovvero qualità della radiazione

26. LA DOSE ASSORBITA E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti in un elemento volumetrico di massa dm D= dE/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

27. Il LET “ linear energy transfer” TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA 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

28. Radiazione ad BASSO LET (<10 Kev/ m) Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ m) PROTONI E IONI ELETTRONI Massa maggiore Massa minore Velocità minore nel mezzo Velocità maggiore nel mezzo > DENSITA’ di IONIZZAZIONE < DENSITA’ di IONIZZAZIONE

29. RADIAZIONI IONIZZANTI Indirettamente ionizzanti costituite da fotoni o neutroni che trasferiscono energia agli elettroni degli atomi LE RADIAZIONI IONIZZANTI si suddividono in Direttamente ionizzanti costituite da particelle elettricamente cariche, come elettroni, protoni e ioni

30. SORGENTI delle radiazioni ionizzanti NATURALI ARTIFICIALI • Tubo a raggi X (diagnostica) • >> fotoni X • Acceleratori (radioterapia) • >> elettroni, fotoni X, protoni, ioni • Radionuclidi (medicina nucleare) • >>radionuclidi • Raggi cosmici • Radionuclidi naturali

31. RADIOTERAPIA

32. 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 irreparabilmente gli organi sani adiacenti

33. RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde

34. RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Elettroni ( MeV) : raggiungono regioni poco profonde e poi si attenuano rapidamente nel tessuto Range di energie: 6-20 MeV

35. RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità

36. RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA • Le radiazioni sono generate da • Acceleratori lineari • Ciclotroni • Betatroni • Radionuclidi In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf