L'Atomo

Gli elettroni, oltre ad orbitare attorno al nucleo, ruotano attorno al proprio asse (come in una trottola) in senso orario od anti-orario.(Spin) Ciascuno degli elettroni ruota sul proprio asse e descrive attorno al nucleo orbite che intessono una superficie immaginaria che racchiude il nucleo in un "guscio" (o shell) contraddistinto da valori numerici discreti ( Raggio, Energia, Grado di eccentricit�).

Il potenziale di ionizzazione rappresenta l'energia che viene richiesta per estrarre un elettrone, ossia il lavoro necessario per allontanare l'elettrone dallo ione positivo, vincendo le forze di attrazione coulombiane che agiscono tra le due cariche.

Il potenziale di ionizzazione dipende principalmente dalla carica nucleare e dal volume atomico (distanze). Questa dipendenza conferisce agli elementi appartenenti ai gruppi che si trovano pi� a destra della tavola periodica degli elementi, dei potenziali di ionizzazione particolarmente elevati.

Il potenziale di ionizzazione viene misurato in elettronvolt (eV). Un elettrone accelerato da una differenza di potenziale di 50000 Volt acquista una energia cinetica di 50 keV, Una particella alfa accelerata dallo stesso potenziale acquista una energia doppia perch� ha una carica doppia, ma una velocit� molto minore perch� ha una massa 4 volte quella del protone che a sua volta ha una massa circa 1836 volte maggiore di quella dell'elettrone

La Ionizzazione pu� essere provocata dalla interazione dell'atomo o dell'elettrone con "Radiazioni Ionizzanti" ( natura Elettromagnetica o Corpuscolare)

Esempi : Litio = p.i. 5,39 eV ; Azoto = p.i.14,52 eV; Ossigeno = p.i. 13,61 eV.

Qualsiasi particella � generalmente in grado di produrre ionizzazioni. Non � altrettanto vero per i fotoni dell' intero spettro delle radiazioni elettromagnetiche. Se si considera come discriminante la capacit� di produrre la scissione della molecola d'acqua (radiolisi) , si possono includere nella categoria delle radiazioni ionizzanti, anche i fotoni (raggi x e g). di energia superiore a qualche decina di eV.

Nucleo

• Elettricamente positivo, presenta densità molto elevata e, pur occupando solo la centomillesima parte circa del volume dell'atomo, costituisce la quasi totalità della sua massa.
• E' composto da particelle, chiamate nucleoni, che si suddividono in protoni e neutroni.
• Il numero di nucleoni definisce il Numero di Massa (A), che è la somma del numero dei neutroni (N) e del numero di protoni (Z):

   

  A = Z + N

   

• Il protone (p⁺) possiede una massa circa 1836 volte maggiore di quella dell'elettrone e carica elettrica positiva unitaria, uguale a quella di un elettrone ma di segno opposto.
• Il numero di protoni, detto Numero Atomico o Z, determina il numero di elettroni orbitali dell'atomo elettricamente neutro e l'elemento chimico.
  Ad esempio, ogni atomo che contenga un solo protone, indipendentemente dal numero di neutroni o di elettroni, è idrogeno, come ogni atomo con 43 protoni è un'atomo di tecnezio.
• Il neutrone (n°) possiede massa circa 1837 volte maggiore di quella dell'elettrone e non possiede carica elettrica.
• Il neutrino e l'antineutrino sono due particelle di massa prossima allo zero e carica elettrica neutra. Non possono essere considerati dei costituenti del nucleo ma vengono emessi da questo in corso di vari processi radioattivi.
• I nucleoni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

 

n	numero quantico principale che determina l'energia del nucleone nell'orbita
l	numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita
j	numero quantico che esprima la direzione di rotazione del nucleone sul suo asse (spin)
m	numero quantico magnetico in relazione con l'orientazione dell'orbita nello spazio

 

Per il principio di esclusone di Pauli su ogni orbita nucleare permessa non possono muoversi insieme più di un protone e di un neutrone.

Modelli Nucleari

1. Modello a goccia - L'energia di legame (circa 8 MeV/nucleone) e la densit� della materia nucleare sono considerate praticamente indipendenti dalla massa nucleare in analogia con una goccia di liquido dove il calore di evaporazione e la densit� sono indipendenti dalle dimensioni della goccia stessa. Sempre in analogia con la goccia, in questo modello sono presenti effetti di superficie, dovuti ai nucleoni pi� esterni.
2. Modello a strati (o a shell) - Il modello a goccia spiega le propriet� del nucleo senza per� considerare quelle dei singoli nucleoni. Il modello a strati estende al nucleo alcune delle propriet� del modello atomico, assegnando ai singoli nucleoni orbite individuali ben definite, all'interno di una buca di potenziale, dove agiscono forze nucleari attrattive. Quando il numero di neutroni o protoni corrisponde ai cosiddetti "numeri magici" (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) i nuclei sono particolarmente stabili, mentre nucleoni successivamente aggiunti risultano debolmente legati (1 - 2 MeV). Secondo il modello a strati, all'interno del nucleo i nucleoni si riuniscono in coppie del tipo n-n e p-p. I decadimenti pi� favoriti sono quelli che avvengono tra gli stati fondamentali di nuclei pari-pari (N = 2x, Z = 2y), in quanto essi non provocano alcuna variazione del momento angolare totale del nucleo (somma dei momenti angolari dei nucleoni). Ci� chiarisce il motivo per cui le particelle a possiedono un'energia ben definita, corrispondente alla differenza tra gli stati energetici del nucleo padre (stato fondamentale) e del nucleo progenie (stato fondamentale od eccitato). Una transizione g avviene invece tra due differenti stati energetici (ad esempio eccitato e fondamentale) del nucleo progenie. Le cosiddette Regole di Selezione, stabiliscono quali sono i livelli energetici nucleari tra i quali la transizione � maggiormente favorita (o proibita). Tali regole possono rallentare le transizioni elettromagnetiche al punto che lo stato eccitato viene ad assumere una vita media molto lunga (>0,1s), nel qual caso viene detto stato metastabile o isomerico. Spesso, la transizione isomerica entra in competizione con un differente meccanismo di diseccitazione denominato conversione interna.

Legame nucleare

• La forza che mantiene unite le perticelle nucleari è la forza nucleare (o forte). Essa, agendo entro distanze paragonabili alla dimensione del nucleo, prevale sulla forza elettrica che provocherebbe la repulsione tra i protoni, elettricamente positivi.
• Con l'aumentare della massa atomica aumentano le distanze tra i protoni che iniziano a sentire l'effetto della repulsione elettrostatica. Pertanto, aumentando il numero di massa A, per la stabilità nucleare è necessaria una prevalenza di neutroni rispetto ai protoni.
• L'energia di legame necessaria alla coesione dei nucleoni proviene dalla trasformazione di parte della massa di questi ultimi e corrisponde alla differenza fra la massa che hanno quando sono legati tra loro e la somma delle masse che avrebbero se non fossero legati. Tale massa mancante è trasformata in energia di legame secondo la relazione di equivalenza massa-energia, scoperta da Einstein dalla quale deriva che una unità di massa atomica (amu), pari ad un dodicesimo della massa arbitraria assegnata al ¹²C, corrisponde a 931 MeV di energia.

• Sono particelle extranucleari che orbitano ad alta velocità attorno al nucleo.
• Possiedono massa costante di 0.000549 amu e carica elettrica negativa unitaria.
• Gli elettroni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

  
  

  n	numero quantico principale che determina l'energia dell'elettrone nell'orbita
  l	numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita
  m	numero quantico magnetico che caratterizza l'orientazione dell'orbita nello spazio
  s	numero quantico che esprime la direzione di rotazione dell'elettrone sul suo asse (spin)

   

• Per il principio di esclusone di Pauli non possono esistere nello stesso atomo due o più elettroni con gli stessi numeri quantici, ossia nello stesso stato energetico. Da ciò deriva che ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con spin opposto.

  Legame elettronico

• Nella configurazione energetica più stabile gli elettroni orbitano attorno al nucleo occupando le orbite più interne che sono a più basso contenuto di energia.
  L'energia che lega gli elettroni al nucleo è maggiore per quelli che occupano le orbite più vicine rispetto a quelli più periferici; inoltre, a parità di orbita, è maggiore per gli elementi con alto Z che hanno una carica nucleare positiva maggiore. Tale energia di legame è uguale all'energia necessaria per rimuovere completamente l'elettrone dall'atomo.
• Gli elettroni possono spostarsi verso orbite più periferiche o addirittura abbandonare l'atomo se viene loro ceduta energia. Quando ciò accade l'equilibrio energetico perturbato viene ripristinato per mezzo dello spostamento degli elettroni da orbite a più alto contenuto di energia verso le orbite a più basso contenuto di energia e la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazione X "caratteristica" o in alternativa con l'emissione di un elettrone di Auger.

La massa a riposo del neutrone � leggermente maggiore di quella del protone (di circa 1,29 MeV)

• Nuclidi

In generale, mentre per la distinzione di una specie chimica da un'altra si è soliti usare una simbologia che si riferisce solamente all'elemento chimico X , per individuare una specie fisica (nucleare), ossia un nuclide, si usa la notazione

dove in alto a sinistra dell'elemento chimico X compare il numero di massa A e in basso il numero atomico Z. Ad esempio

è un nuclide dell'ossigeno (O indica il simbolo dell' elemento chimico considerato).

In base ad A, Z e N i nuclidi possono classificarsi in:

Isotopi

• Sono isotopi due o più forme di uno stesso elemento, che presentano quindi lo stesso numero atomico [Z], con diverso numero di massa [A]; in altre parole, hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.Tra loro gli isotopi presentano le stesse caratteristiche chimiche, anche se possono essere fisicamente stabili (ossia non radioattivi) o instabili (radioattivi).
  Ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno sono:

• l'idrogeno comune () che ha 1p (Z=1) e 1n (A=2) ed è il più abbondante in natura;

• il deuterio () che ha 1p (Z=1) e 2n (A=3) ed è presente in natura anche se raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale);

• il trizio () che ha 1p (Z=1) e 3n (A=4), esiste solo perché prodotto artificialmente ed è fisicamente instabile.

In Medicina Nucleare si sfruttano proprio le proprietà dei radioisotopi, a scopo diagnosico, terapeutico e di ricerca.

• Isobari

• Isomeri

Differenze tra isotopi, isobari, isotoni e isomeri

	Numero atomico	Numero di massa	Numero di neutroni	Proprietà chimiche
Isotopi	Uguale	Diverso	Diverso	Uguale
Isobari	Diverso	Uguale	Diverso	Diverso
Isotoni	Diverso	Diverso	Uguale	Diverso
Isomeri	Uguale	Uguale	Uguale	Uguale

 

 

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Decadimento radioattivo

 

La stabilit� di un nucleo dipende dal rapporto Protoni/Neutroni. Quando questo rapporto � prossimo all'unit� come generalmente avviene nei nuclei leggeri, il nucleo � stabile. Se invece il numero dei neutroni supera abbondantemente quello dei protoni (come in alcuni nuclei pesanti) si ha un nucleo instabile. In questo caso, il nucleo tende spontaneamente a trasformarsi ( Decadimento, Disintegrazione) per raggiungere uno stato energicamente pi� favorevole,( un pi� congruo rapporto tra protoni e neutroni). Questo fenomeno non � influenzato da agenti esterni. Il nucleo instabile decade in un nucleo Progenie attraverso

 

• Decadimento alfa (2 neutroni + 2 protoni),
• Decadimento beta (1 elettrone positivo o negativo),
• Cattura elettronica.

In ciascuno di questi casi si potr� avere o meno emissione di radiazioni fotoniche ( x; gamma).In natura esistono circa 1300 nuclidi diversi a fronte di circa un centinaio di elementi chimici. Tali nuclidi si possono ottenere combinando i possibili valori di Z (da 1 a 102) con i possibili valori di A (da 1 a 260). I 4/5 di questi nuclidi ha una composizione nucleare che li rende energeticamente instabili. Tali specie nucleari sono chiamati radionuclidi e si portano in condizione di stabilità energetica attraverso l'emissione di radiazione corpuscolata o elettromagnetica.
Il decadimento radioattivo o disintegrazione è quindi il processo di trasformazione, con liberazione di energia nucleare, di un radionuclide padre, in un nuclide figlio, il quale può essere a sua volta stabile o instabile. Se il figlio è stabile, il processo di decadimento è terminato. Se anche il figlio è instabile, inizia un nuovo processo di decadimento che può essere differente rispetto a quello del suo predecessore.

 

 

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Emivita fisica (T_1/2)

Il tempo che trascorre affinchè un nucleo instabile decada è soggetto ad una legge probabilistica e caratteristico per ogni radionuclide. Si definisce emivita o tempo di dimezzamento T_1/2 il tempo che deve trascorrere affinchè la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Tale tempo può variare tra le frazioni di secondo a milioni di anni.

Formula di decadimento

Il decadimento di un radionuclide può essere espresso dalla funzione:   

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Attività

Altre formule utili:

Decadimento alfa

La particella alfa è un nucleo di elio (costituito da 2 protoni e da 2 neutroni) e presenta doppia carica elettrica positiva. Origina dal decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la perdita di 4 nucleoni.

Interazioni con la materia

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Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo provoca, a causa della carica elettrica +2 e della massa 7400 volte maggiore di quella dell'elettrone, la ionizzazione di un gran numero di atomi (ionizzazione primaria) per attrazione degli elettroni. Ne consegue la creazione di un gran numero di coppie di ioni, consistenti in ioni negativi (elettroni liberi) e ioni positivi (l'atomo al quale è stato rimosso l'elettrone), che possono produrre un'ulteriore ionizzazione del mezzo (ionizzazione secondaria).

 

IONIZZAZIONE ALFA

 

 

Il processo di ionizzazione primaria causa una lenta perdita di energia cinetica da parte della particella alfa, che continua la sua corsa riducendo gradualmente la velocità finché si lega a due elettroni e si trasforma in un atomo di elio, con carica elettrica neutra. Poiché in aria ogni ionizzazione richiede in media 34 eV, una particella alfa con energia di 3.4 MeV produrrà circa 100.000 ionizzazioni e percorrerà circa 2 cm prima di fermarsi e diventare elettricamente neutra.

 

• La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 60000 ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV).

• Il percorso di una particella alfa, a parità di energia cinetica, è molto più breve di quello di radiazioni con massa minore. La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione ma alta densità di ionizzazione.
  In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle.
• Oltre alla ionizzazione del mezzo attraversato, la particella alfa può provocare l'eccitazione di atomi, con il passaggio di un elettrone orbitale ad un orbita più distante dal nucleo portandosi in uno stato energetico più elevato, immediatamente seguito dal ritorno dell'elettrone ad un orbita più vicina al nucleo e ad uno stato di minore energia. Tale energia viene emessa sotto forma di fotoni x o di radiazione luminosa.
• Esempio particella a
  m = 3727,2 MeV ;

  A = 4 ;

  q = 6,4*10-19 C ;

  q = 4 ;

  Energia di Legame = 28,4 MeV;

  Ecinetica = 4-9 MeV

  Si pu� constatare che, se si sommano le masse a riposo di 2 neutroni e di 2 protoni, si ottiene un totale di 3.755,62 MeV, superiore alla massa di una particella a, in quanto una frazione della massa iniziale dei nucleoni liberi � stata trasformata in energia di legame: (3.755,6 - 3.727,2) MeV = 28,4 MeV. Questa differenza, detta difetto di massa, riscontrabile a maggior ragione anche nei nuclei, rappresenta la massa equivalente al lavoro necessario per separare la particella a. Il decadimento a avviene generalmente tra due stati nucleari fondamentali, in quanto la maggior quantit� di energia cinetica che in questo caso si rende disponibile comporta una pi� elevata probabilit� di transizione.

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Decadimento Beta

 

Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in disintegrazione.
Tale particella può avere carica negativa unitaria (ß-, decadimento beta negativo), o carica positiva unitaria (ß+, decadimento beta positivo). In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone.

In base al principio di indeterminazione di Heisemberg, non � possibile confinare un elettrone in una regione di spazio dell'ordine di 10e-15 m, in quanto esso acquisterebbe una energia cinetica tale da richiedere, per mantenere il suo confinamento, una energia potenziale inammissibile.

• Decadimento Beta negativo

 

• Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si trasforma in protone secodo la formula:

   

  n°= p⁺ + ß^- + antineutrino

   

• Un neutrone pu� decadere secondo il suddetto decadimento anche quando non � contenuto all'interno di un nucleo, essendo la sua massa a riposo maggiore della somma di quelle del protone e dell'elettrone.
• Il decadimento beta negativo provoca una transizione isobarica: il numero Z aumenta di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a destra nella tavola di Mendelejev mentre resta invariato il numero A.
• L'energia liberata dalla trasformazione del neutrone in protone diviene energia cinetica dell'elettrone (ß^-) e dell'antineutrino (particella priva di massa) che vengono espulsi dal nucleo e, ad eccezione dei ß emittenti puri, rimane in parte nel nucleo provocandone l'eccitazione e la conseguente diseccitazione con emissione di un fotone gamma.
• L'energia della particella ß^- e dell'antineutrino è imprevedibile e si distribuisce in uno spettro continuo di valori secondo una modalità probabilistica, mentre quella del fotone gamma è caratteristica per ogni radionuclide e può assumere solo livelli discreti di energia.
  
  Interazioni con la materia

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• Le particelle ß^- possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare per repulsione elettrostatica, a spese della loro energia cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria).
• Essendo molto più piccole e elettricamente meno cariche delle particelle alfa, hanno una più bassa densità di ionizzazione e potere penetrante circa 1000 volte quello di una particella alfa di pari energia.
  
• Il range medio di una particella ß^- può arrivare fino ad alcuni metri in aria e fino ad alcuni millimetri nei tessuti molli.La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 42 ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV).

• Le particelle ß^- possono, inoltre, interagire con i campi elettrici nucleari, subendo una deviazione della traiettoria e una riduzione dell'energia cinetica, con la contemporanea produzione di un fotone "X" di Bremsstrahlung (frenamento).
• L'energia dei fotoni di Bremsstrahlung corrisponde alla perdita di energia cinetica della particella ß e si distribuisce in uno spettro continuo esteso tra 0 e l'energia della radiazione ß- incidente.

• La produzione di radiazioni X di Bremsstrahlung è maggiore se le radiazioni ß^- attraversano materiali con alta densità. Per questo motivo, per la schermatura di radioemettitori ß- emittenti vengono utilizzati materiali plastici con basso Z, nei quali non si producono fotoni X di Bremsstrahlung che, essendo molto più penetranti, sarebbero di più difficile schermatura.

• Decadimento Beta positivo

  • Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni, un protone in eccesso emette una particella ß+, chiamata positrone, e si trasforma in neutrone secondo la formula:

Cattura elettronica

• E' un meccanismo di decadimento del nucleo che in competizione con il decadimento consente al nucleo A(N,Z) di trasformarsi nel nucleo B(N+1, Z-1) attraverso la cattura di un elettrone atomico appartenente ad una delle shell pi� interne.
• Con la cattura dell'elettrone si libera un'energia di soli 0,5 MeV, cosa che favorisce questo fenomeno rispetto alla emissione di particelle b+.
• Con la Cattura elettronica si innescano successivi fenomeni:

1. Il nucleo progenie rimane spesso in uno stato eccitato e si disecciter� con l'emissione di g o mediante conversione interna

2. la vacanza nella shell cui apparteneva l'elettrone catturato viene occupata con emissione di X caratteristici o di elettroni Auger o Coster-Kronig

• Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni un elettrone degli orbitali più interni può venire catturato dal nucleo dove un protone si trasformerà in neutrone secondo la formula:

 

p⁺ + e^- = n° + neutrino

 

 

• La cattura elettronica è più probabile rispetto al decadimento ß+ per gli elementi con alto numero atomico.
• La cattura elettronica provoca una transizione isobarica identica a quella causata dal decadimento ß+: il numero Z si riduce di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a sinistra nella tavola di Mendelejev mentre resta invariato A.
• Il riarrangiamento degli elettroni orbitali, che si spostano verso l'orbitale più interno rimasto privo di un'elettrone e quindi verso orbite a minore contenuto di energia, provoca la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazioni X "caratteristiche".



 

• E' il passaggio di un isomero, in stato metastabile, alla sua forma più stabile, con liberazione dell'energia nucleare in eccesso mediante l'emissione di un fotone gamma.
• Rappresenta un cambiamento nello stato energetico del nucleo, senza una modificazione dei componenti dello stesso.
• Si può considerare come la conclusione, leggermente ritardata nel tempo, di un processo di decadimento che abbia lasciato il nucleo in condizione di eccesso di energia.
• L'ampio uso di radionuclidi metastabili in medicina nucleare è motivato dalla quasi totale assenza di radiazione corpuscolata associata al loro decadimento e dalla loro emivita relativamente breve.
• Queste caratteristiche sono radiobiologicamente favorevoli e permettono somministrazioni di quantità relativamente elevate con bassa dose di esposizione.

• Esempio di transizione isomerica è il decadimento del 99mTc, il radionuclide attualmente più usato in medicina nucleare. Il 99mTc deriva dal 99Mo che decade a 99mTc per emissione ß, con tempo di dimezzamento di 2.3 giorni. Il 99mTc decade a sua volta, per transizione isomerica, a 99Tc, con un'emivita di 6 ore.

DECADIMENTO 99Mo -> 99Tc CON TRANSIZIONE ISOMERICA 99mTc -> 99Tc

La diseccitazione energetica di nuclei instabili conduce alla liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazioni gamma. I fotoni g come i fotoni x sono radiazioni elettromagnetiche: non hanno massa né carica e viaggiano alla velocità della luce (300000 km/sec).

L'unica differenza tra i fotoni g e i fotoni x è la loro origine: i g sono prodotti a seguito di riequilibri energetici del nucleo, mentre gli x originano da riequilibri energetici del mantello elettronico dell'atomo.

Interazioni dei fotoni con la materia

I fotoni x e g trasferiscono la loro energia alla materia che attraversano, per mezzo di complesse interazioni con i nuclei e gli elettroni atomici. Alcune di queste interazioni provocano la fuoriuscita di un elettrone orbitale da un atomo, con conseguente ionizzazione, o la creazione di una coppia elettrone-positrone. A loro volta, questi elettroni producono ionizzazione del mezzo. Il fenomeno della ionizzazione è alla base del meccanismo per il quale le radiazioni ionizzanti producono effetti radiobiologici e possono essere rivelate.

Tra le varie possibili interazioni dei fotoni g con la materia, solo alcune possono essere di qualche interesse in medicina nucleare:

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Effetto Compton

Chiamato anche scattering incoerente, accade quando un fotone (primariamente di media energia) interagisce con un elettrone libero o degli orbitali più esterni (debolmente legato al nucleo) cedendo parte della sua energia. Come risultato si ha l'emissione di un elettrone con una sua energia cinetica [Ec] e di un fotone gamma secondario (gamma Compton) di energia [EfC] che si propaga in direzione diversa rispetto a quella del gamma originario secondo un angolo di scatter che dipende dall'energia ceduta all'elettrone. L'elettrone e il fotone di scattering possono a loro volta interagire con la materia fino ad esaurire la loro energia.

L'energia che viene dissipata è uguale all'energia necessaria per ionizzare l'atomo (corrispondente all'energia di legame [El] dell'elettrone espulso) più l'energia cinetica [Ec]che acquista l'elettrone (proporzionale alla velocità che gli viene impressa). L'energia del fotone Compton è uguale alla differenza tra l'energia del fotone incidente [Efi] e l'energia dissipata:



EfC = Efi - (El + Ec)

Il fotone Compton può essere deviato in qualsiasi direzione, anche retrodiffuso; maggiore è l'energia ceduta all'elettrone, maggiore è l'angolo di deflessione (formato dalla traiettoria del fotone primario con quella del fotone secondario). Inoltre, maggiore è l'energia del fotone incidente, maggiore è l'energia ceduta all'elettrone.

 



 

L'effetto Compton ha importanti risvolti in medicina nucleare e in radiologia perché, tra l'altro, è causa di degradazione della qualità dell'immagine.




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Produzione di coppie

Detto anche effetto fotonucleare, accade per fotoni di energia superiore a 1.022 MeV, corrispondente alla massa delle due particelle che vengono generate dal fenomeno.

Il fotone, interagendo col campo di forza del nucleo, scompare con la contemporanea creazione di 2 particelle: un elettrone e un positrone; tutta l'energia oltre la soglia di1.022 MeV è distribuita in ugual misura tra le due particelle sotto forma di energia cinetica. L'elettrone così prodotto può provocare ionizzazioni, mentre il positrone va incontro ad annichilazione, con la conseguente produzione di 2 radiazioni gamma di 0.511Mev dirette in direzioni diametralmente opposte.

 




 

Questo fenomeno riveste poca rilevanza per la medicina nucleare perchè radionuclidi di così alta energia non sono comunemente utilizzati in questa disciplina.




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Conversione interna

Accade quando un raggio gamma prodotto dalla diseccitazione nucleare, uscendo dal nucleo, interagisce con un elettrone degli strati più interni (di solito K), trasferendo tutta la sua energia a quest'ultimo e provocando la ionizzazione dell'atomo. L'elettrone acquista energia cinetica e può provocare altre ionizzazioni. Il cambiamento della configurazione elettronica con il riassestamento degli elettroni che si portano verso lo spazio rimasto vacante, provoca l'emissione di radiazioni x "caratteristiche".

Ha rilevanza in medicina nucleare e in radiobiologia per il calcolo della dose assorbita.

La reazione accade più frequentemente con materiali ad alto Z.

La conversione interna pu� essere interpretata come un trasferimento di energia "senza emissione di radiazioni" da uno stato nucleare eccitato direttamente ad un elettrone atomico fortemente legato. Quest'ultimo viene conseguentemente espulso dall'atomo, con energia pari alla differenza tra l'energia dello stato eccitato e quella di legame dell'elettrone. Il numero di elettroni di conversione prodotto per ogni singolo fotone gamma emesso prende il nome di Coefficiente di Conversione (ad esempio, nel caso del 137Ba esso � pari a 0,11).

 

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Produzione di elettroni Auger

E` un altro processo derivante da cambiamenti nello stato energetico e nella configurazione degli orbitali atomici. Si può verificare quando un si crea un "vuoto" elettronico in un orbitale interno: un elettrone esterno per riempire il "vuoto" scende ad un livello energetico inferiore, cedendo energia sotto forma di radiazione x "caratteristica" che, attraversando gli orbitali più esterni, può interagire con un elettrone espellendolo dalla sua orbita (elettrone Auger). Ad es. se una lacuna in k ( Ek) viene occupata da un elettrone proveniente dalla shell L (EL), pu� essere espulso un elettrone Auger dalla shell M (EM).

La probabilit� dell'effetto Auger � inversamente proporzionale a Z : per Z<15 (atomi biologici); la ionizzazione K d� luogo ad un elettrone Auger (significativo per la dose).Questo fenomeno è più probabile per elementi di basso numero atomico (Z).


Ha rilevanza in medicina nucleare e in radiobiologia per il calcolo della dose assorbita.



Effetto COSTER-KRONIG

Consiste nella emissione di elettroni a seguito di transizioni tra livelli appartenenti alle stesse sotto shell

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Le interazioni fondamentali

Quattro sono le categorie di interazioni (o forze) fondamentali:

1. l'interazione forte, con raggio di azione dell'ordine 10e-15 m. E' responsabile delle forze di attrazione che trattengono i nucleoni all'interno del nucleo; i suoi quanti (o portatori della forza forte) sono mesoni (p, k,�.) con massa di centinaia di MeV;

2. l'interazione debole con un raggio d'azione dell'ordine di 10-18 m. E' causa, del decadimento b; essa viene trasmessa mediante i cosiddetti bosoni vettori intermedi (W e Z), dalla massa molto elevata (alcune decine di GeV).

3. l'interazione elettromagnetica, presente sia nella fisica macroscopica che in quella nucleare, � direttamente responsabile dell'attrazione coulombiana tra il nucleo e gli elettroni e del decadimento g; essa viene trasmessa da fotoni, la cui massa a riposo � nulla;

4. l'interazione gravitazionale, di interesse irrilevante nella fisica atomica e nucleare.

 

Riepilogo delle principali radiazioni ionizzanti

 

Radiazioni g

Sono onde elettromagnetiche, come la luce, e non di natura corpuscolare, la loro frequenza dipende dalla sostanza ed ha una lunghezza d’onda compresa tra 10-11 e 10-14 metri.

Sorgente: nuclidi radioattivi

Energia: la loro energia � proporzionale alla frequenza: da ca.10 keV a 10 MeV

Velocit�: "c" (300.000 Km/sec. velocit� della luce).

Potere penetrante: forte (100 volte maggiore dei raggi beta), qualche centimetro di piombo ne diminuisce l’intensit� di un fattore 2.

Potere ionizzante: ionizzazione indiretta dell’aria per mezzo di elettroni.

Grado di pericolosit�: sempre pericolosi anche se emessi da sorgente esterna al corpo umano.

 

Radiazioni b

Flusso di particelle di elettroni (beta - , negativi) e di positroni (beta +, elettroni positivi) emessi dal nucleo in disintegrazione. Alcune di queste particelle aventi alta velocit� interagiscono con la materia, con conseguente emissione di raggi X (naturali).Il decadimento b � frutto della cosiddetta interazione debole.

Sorgente: nuclidi radioattivi

Energia: da qualche keV a molti MeV, ma di rado superiore ai 4 MeV.

Velocit�: da 150.000 km/s a "c" (velocit� della luce)

Potere penetrante: debole (100 volte minore dei raggi gamma e 100 volte maggiore dei raggi alfa), non superano una barriera dello spessore di 5 mm. d’alluminio o 2,5 cm di legno, inoltre non penetrano per oltre un centimetro nella pelle. Con un’energia di 3 MeV una particella beta percorre nell’aria circa un metro.

Potere ionizzante: molto basso, 4 coppie di ioni per millimetro con energia di 3 MeV.

Grado di pericolosit�: il limitato potere penetrante fa si che la loro pericolosit� sia limitata se emesse da una sorgente esterna al corpo; sono dannose se la sorgente � interna.

 

Radiazioni a

Particelle costituite da nuclei di Elio (2 neutroni e 2 protoni) che hanno una doppia carica positiva.

Sorgente: nuclidi radioattivi

Energia: raramente inferiore ai 4 MeV.

Velocit�: da 15.000 a 20.000 km/s

Potere penetrante: molto debole (100 volte minore dei raggi beta), non oltrepassano un foglio di carta, una lamina di alluminio dello spessore di 50 micron o lo strato basale dell’epidermide; nell’aria se possiedono un’energia di 3 MeV percorrono dai 2 agli 8 centimetri. Con un’energia di almeno 7,5 MeV possono penetrare nella pelle.

Potere ionizzante: molto elevato, (1000 volte maggiore dei raggi beta), con un’energia di 3 MeV producono 4000 coppie di ioni per millimetro.

Grado di pericolosit�: solo se emesse da una sorgente interna al corpo umano, possono creare gravi danni in conseguenza dell’elevato potere ionizzante.

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