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