Lezione5

Le onde
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.1
LE ONDE
Fenomeni ondulatori
Periodo e frequenza
Lunghezza d’onda e velocità
Legge di propagazione
Energia trasportata
Onde meccaniche: il suono
Onde elettromagnetiche
Velocità della luce
Spettro elettromagnetico
Energia dell’onda elettromagnetica
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.2
Fenomeni ondulatori
suono
Oscillazioni meccaniche
mare
corda che vibra
molla
→
Oscillazioni
elettromagnetiche
→
B
→
Eo
E
onda elettromagnetica
→
→
v
Bo
λ
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
→
x
pag.3
Fenomeni Ondulatori
S.Moretto
Radiazioni
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pag.4
Onde trasversali e longitudinali
trasversali
vibrazione
propagazione
esempio :
onda lungo una corda
longitudinali
vibrazione
propagazione
esempio :
onda di percussione in un solido
S.Moretto
Radiazioni
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pag.5
Velocità di propagazione
S.Moretto
Radiazioni
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pag.6
Esempio
S.Moretto
Radiazioni
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pag.7
Periodo e frequenza
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.8
Parametri di un’onda
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.9
Propagazione di un’onda
S.Moretto
Radiazioni
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pag.10
Legge di propagazione delle onde
Ogni onda si propaga con una propria velocita’ costante
Lunghezza d’onda λ =
minima distanza
dopo la quale il fenomeno riprende la stessa configurazione =
distanza percorsa in un periodo
(unita’ di misura: metro).
Lunghezza d’onda e frequenza
sono direttamente proporzionali:
il loro prodotto e’ la velocita’
S.Moretto
Radiazioni
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pag.11
Oscillazioni smorzate e forzate
S.Moretto
Radiazioni
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pag.12
Intensita’ di un’onda
Intensità = energia trasportata nell'unità di tempo
attraverso l’unita’ di superficie
E
I =
∆t⋅⋅S
joule
watt
=
unità di misura:
s⋅⋅ m2
m2
onda sferica: S=4π
πr2
S
L’energia é costante (cons.energia)
S
L’intensità diminuisce
con il quadrato della distanza
r
2r
S.Moretto
Radiazioni
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pag.13
Onde elettromagnetiche
→
→
Onda elettromagnetica:
E
Eo
→
B
“vibrazione”
del campo elettrico
e del campo magnetico
in direzione
perpendicolare a entrambi
→
v
→
Bo
λ
→
→
E
→
x
Una carica elettrica in moto
emette o assorbe
onde elettromagnetiche
quando soggetta ad accelerazione
Eo
→
B
→
Bo
T
S.Moretto
t
Non serve materia: i campi
si propagano anche nel vuoto!
Radiazioni
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pag.14
Velocita’ della luce
Le onde elettromagnetiche si propagano
anche nel vuoto
secondo la consueta legge:
λν = v
La loro velocità nel vuoto è sempre
c = 3•108 m/s
(= 300000 km/s)
E’ la velocità della luce
ma anche di tutte le altre onde elettromagnetiche.
E’ la massima velocità raggiungibile in natura.
Nei mezzi materiali la velocità è c/n (<c).
S.Moretto
Radiazioni
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pag.15
Onde elettromagnetiche
S.Moretto
Radiazioni
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pag.16
Spettro elettromagnetico
(fermi)
λ (m)
10–12
10–14
RAGGI
GAMMA
(Hz)
1022
GeV
109
1020
MeV
106
λν = c
S.Moretto
10–10
RAGGI
X
ν
(µm)
(Å) (nm)
10–8
10–6
1016
keV
103
10–4
10–2
INFRA-ROSSO
MICRO
ONDE
1014
1012
VISIBILE
1010
ULTRA-VIOLETTO
1018
(mm) (cm)
E
colori
102
1
λ(m)
ONDE
RADIO
108
106
ν
(Hz)
3 108 Hz
(eV)
E = hν
ν
λ
400
Radiazioni
500
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600
700(nm)
pag.17
Sensibilitò dell’occhio umano
S.Moretto
Radiazioni
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pag.18
Ottica elettromagnetica
• Le onde luminose sono di natura elettromagnetica: esse
costituiscono una piccola porzione dello spettro
elettromagnetico di lunghezza compresa fra 400 e 700
nanometri, delimitato da infrarosso e ultravioletto.
• Nella trattazione ondulatoria dell'ottica la lunghezza
d'onda della luce esprime la distanza fra due punti
successivi nei quali la perturbazione ondosa assume nello
stesso istante il medesimo valore.
• nello spettro elettromagnetico le lunghezze d'onda più alte
(corrispondenti a frequenze inferiori a 30 Hz), superano i
10000 km
S.Moretto
Radiazioni
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pag.19
Riflessione
Quando un raggio luminoso viene riflesso da
una superficie piana, l’angolo di incidenza è
uguale all’angolo di riflessione e i due angoli
sono complanari
i
S.Moretto
r
Radiazioni
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pag.20
Rifrazione
Quando i raggi luminosi passano da un mezzo ad un altro,
l’angolo di rifrazione (r) non è uguale all’angolo di incidenza (i),
ma vale:
sen(i) / sen(r) = n1 2
ove n1 2 è l’indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al
primo.
Vale anche che sen(i) / sen(r) = n1 2 = v1 / v2
i
r
S.Moretto
Radiazioni
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pag.21
Dispersione della luce
La luce bianca è composta di radiazioni di diversa
lunghezza d’onda le quali, attraversando un mezzo
(prisma, goccia d’acqua, ...) sono rifratte ad angoli
diversi. Il fenomeno è noto come dispersione della luce
ed è caratterizzato da angoli di deviazioni piccoli per
radiazioni di frequenza piccola (grande lunghezza
d’onda) e grande deviazione per radiazione di frequenza
grande
i
aria
rosso
vetro
violetto
S.Moretto
Radiazioni
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pag.22
θ
S.Moretto
Radiazioni
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pag.23
Arcobaleno
Nell’arco primario il raggio viene prima rifratto all’interfaccia
aria-acqua dipendentemente dalla sua lunghezza d’onda, poi
riflesso totalmente, e rifratto nuovamente prima di arrivare
all’osservatore.
L’angolo di deviazione (180o-θ) dipende dalla lunghezza d’onda
e varia tra 138o per la luce rossa (θ=42o) e 140o per quella
violetta (θ=40o)
Quindi abbiamo il colore rosso all’esterno e violetto all’interno!
Per l’arcobaleno secondario invece ho due riflessioni totali e i
colori risultano invertiti!
S.Moretto
Radiazioni
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pag.24
Sulla natura della luce
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.25
Natura corpuscolare della radiazione
S.Moretto
Radiazioni
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pag.26
Natura della radiazione elettromagnetica
S.Moretto
Radiazioni
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pag.27
Ottica quantistica: interazione dell’energia con la
materia
• Effetto fotoelettrico:
lamina
Vengono emessi elettroni
che possono essere
convogliati verso un anodo
non fotosensibile
Anodo
l’energia luminosa eccita gli
elettroni in modo che
guadagnino energia suff.
per lasciare la superficie
del fotocatodo.
Luce
incidente
L’energia degli elettroni può essere misurata invertendo la
polarità dell’anodo (tornano all’anodo) Il potenziale per il quale la
corrente si annulla dà una misura dell’energia
Il potenziale è indipendente dall’intensità e varia solo con la
frequenza -> energia trasportata da quanti E = h ν
S.Moretto
Radiazioni
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pag.28
Effetto Compton
Prova della correttezza del concetto di fotone venne da Compton, che
misurò la diffusione dei raggi X per opera di elettroni liberi.
Secondo la teoria classica quando un’onda elettromagnetica di frequenza ν1
incide su un materiale questa emetterà onde elettromagnetiche con la stessa
frequenza ν1.
Invece se si considera l’urto tra fotone ed elettrone come un processo di
diffusione, l’elettrone rinculerebbe assorbendo energia ed il fotone diffuso
avrebbe meno energia!
S.Moretto
Radiazioni
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pag.29
Effetto Compton
λ2 – λ1 = h / mc (1 – cosθ)
θ angolo di diffusione del fotone
Quindi la variazione di lunghezza d’onda è indipendente dalla
lunghezza d’onda iniziale ma dipende solo dalla massa
dell’elettrone
h/mc (lunghezza d’onda Compton) =2.43 10-12 m = 2.43 pm
S.Moretto
Radiazioni
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pag.30
Quanto di energia elettromagnetica: fotone
→
→
campo elettromagnetico : E , B
teoria dei quanti
quanti di energia elettromagnetica(fotoni) E = h ν
–34 J s
h
=
6.6
10
costante di Planck
14 s–1
ν
=
5
10
λ = 600 nm (visibile : luce gialla)
E = h ν = 6.6 10–34 J s 5 1014 s–1 = 3.3 10–19 J =
3.3 10–19 1.6 J = 2 eV
=
1.6 10–19 J eV–1
S.Moretto
Radiazioni
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pag.31
Quanto di energia elettromagnetica: fotone
S.Moretto
Radiazioni
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pag.32
Energia dell’onda elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche trasportano energia
sotto forma di “particelle di luce” dette fotoni,
emessi o assorbiti in transizioni atomiche o molecolari.
L’energia è proporzionale alla frequenza:
E = hν
ν
con h = 6.6•10-34 J•s (costante di Planck).
hc = 1240 eV nm
Nella luce visibile l’emissione o l’assorbimento dei fotoni
determina il colore dei corpi:
bianco = emissione di tutte le frequenze visibili
nero = assorbimento di tutte le frequenze visibili
Es.
Luce gialla: λ = 600 nm
ν = c/λ = (3•108 m/s)/(6•10-7 m) = 0.5•1015 Hz = 5•1014 Hz
E = hν = (6.6•10-34 J•s)(5•1014 Hz) = 3.3 •10-19 J = 2 eV
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.33
Esercizi:
Problema1:
Si calcoli l’energia dei fotoni della luce di lunghezza d’onda
400nm (violetto) e quella della luce di 700nm.
Emin=1.8 eV Emax=3 eV
Problema2:
Si trovi l’energia di un fotone corrispondente alla radiazione
elettromagnetica nella banda delle radioonde FM (frequency
modulation: modulazione di frequenza)di lunghezza d’onda
3m ( 4.13 10-7 eV)
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.34
Elettron-volt
L'unità di misura "eV" si legge elettron-volt ed è
tipicamente
usate per misurare le energie implicate nella fisica
atomica.
La definizione di eV è la seguente:
1 eV è l'energia acquistata da un elettrone che percorre
una distanza di 1 metro in un campo elettrico generato
da
una differenza di potenziale di 1 volt.
1 eV = 1.6 10-19 J
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.35
Differenze tra suono ed onde
elettromagnetiche
• L’energia sonora viene trasmessa da un punto ad un altro
mediante vibrazioni delle molecole del mezzo interposto. Ciò
implica che le onde sonore non possono propagarsi in vuoto,
mentre le onde luminose si!
• Il suono consiste di un trasferimento di energia meccanica,
mentre la luce di energia elettromagnetica
• le onde luminose sono vibrazioni trasversali, mentre quelle
sonore in un gas sono vibrazioni longitudinali.
• la velocità del suono cresce passando dall’aria all’acqua,
mentre per le onde luminose è vero l’inverso. La velocità del
suono in aria è circa 330 ms-1 mentre nell’acqua è circa 1500
ms-1.
S.Moretto
Radiazioni
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pag.36
Suono
suono : vibrazione meccanica delle particelle di
un mezzo materiale (gas, liquido, solido)
punto di equilibrio
molecola in moto
A
fluidi :
x(t)
spostamenti delle particelle
addensamenti e rarefazioni
compressioni e dilatazioni
onda di pressione che si propaga
S.Moretto
Radiazioni
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pag.37
Suono
onda sonora : vibrazione meccanica percepibile
dal senso dell'udito (orecchio)
sensibilità orecchio umano
20 Hz < ν < 2 104 Hz
infrasuoni
v=λν
varia = 344 m s–1
vH2O = 1450 m s–1
S.Moretto
ultrasuoni
17.2 m < λ < 1.72 cm
72.5 m < λ < 7.25 cm
Radiazioni
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pag.38
Caratteristiche fisiche delle onde sonore
• Altezza è determinata dalla frequenza
• maggiore è il numero di vibrazioni al secondo della sorgente sonora
maggiore risulterà l’altezza della nota
(in musica il raddoppio della frequenza di una nota eleva la sua altezza di un’ottava!)
• L’intensità è una misura dell’energia che investe
l’unità di area della superficie del ricevitore nell’unità
di tempo.
L’unità di misura è Wm-2.
• Il timbro corrisponde alla complessità della forma
d’onda prodotta dalla sorgente.
S.Moretto
Radiazioni
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pag.39
Decibel
Il livello di intensità di un’onda sonora è definito
dall’equazione:
B = log10 I/I0
ove I0 è un’intensità di riferimento di
solito è la soglia dell’udibilità pari a 1012 Wm-2
Il livello di intensità è adimensionale e las ua unità di misura è
il Bel (B). In pratica l’unità di 0.1B, o decibel, è usata più
frequentemente.
La soglia dell’udibile va da 0 dB a 120dB!
S.Moretto
Radiazioni
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pag.40
Il suono
S.Moretto
Radiazioni
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pag.41
Suono (II)
S.Moretto
Radiazioni
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pag.42
LE RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE
IN MEDICINA
Spettro elettromagnetico
Radiazioni termiche:
microonde
infrarossi
Radiazioni ionizzanti:
ultravioletti
raggi X
raggi gamma
S.Moretto
Radiazioni
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pag.43
Radiazioni termiche
Irraggiamento termico
Q
intensità I =
∆t ∆S
I(λ
λ)
cal/(s•m2)
oppure W/m2
LEGGI
DELL'EMISSIONE TERMICA
I ∝ T4 (W/m2)
legge di Stefan
legge di Wien
visibile
λmax ∝ 1/T (cm)
4000°K
3000°K
2000°K
0
1
2
3 µm
λ
Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi
S.Moretto
Radiazioni
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pag.44
Microonde
Frequenza: 300 MHz < ν < 300 GHz
Energia: 10–6eV < E=hν
ν < 10–3eV non ionizzanti
effetti : calore (diatermia)
Riscaldamento di regioni limitate e profonde
in corpi ricchi di acqua.
Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari.
Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm2
(1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)
S.Moretto
Radiazioni
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pag.45
Infrarossi
intensità
relativa
0.7 µm < λ < 20 µm
MEDICINA
vicino IR
visibile vicino I.R.
10
3000°K
5
1200°K
Sole
λ (µ
µm)
0
0.5
1.0
1.5
effetto termico
fotografia I.R.
S.Moretto
lontano IR
emissione
termica
(Sole)
2.0
penetrazione
λ ≈ 0.7 µm
∆x ≈ 10 cm
λ > 1.4 µm
∆x < 1 mm
immagine termica (termografia)
Radiazioni
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pag.46
Radiazioni ionizzanti
Ionizzare un atomo =
togliergli uno o più elettroni rendendolo ione.
Si distrugge così la struttura chimica del materiale.
Per togliere (=allontanare) elettroni
bisogna compiere un lavoro, cioè fornire energia.
Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 eV
(potenziale di ionizzazione atomo idrogeno)
Di fatto si considerano ionizzanti le radiazioni con E>100 eV.
All’aumentare dell’energia, gli elettroni estratti ricevono energia
cinetica e possono ionizzare “a catena” altri atomi.
Sono radiazioni ionizzanti: ultravioletti, raggi X, raggi gamma
(solo UVC)
S.Moretto
Radiazioni
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pag.47
Ultravioletti
Produzione UV
naturale: Sole
artificiale: lampade UV
Assorbimento UV
Si distinguono in:
UVA: λ = 400-315 nm
UVB: λ = 315-280 nm
UVC: λ = 280-100 nm (ionizzanti)
Effetti chimico-biologici:
in alta atmosfera:
eccitazione atomi e molecole
dissociazione legame C-C (4 eV)
ozono (O3) – inclinazione raggi
nubi - inquinamento
benefici...
materiali:
vetro opaco
acqua trasparente
(penetrazione alcuni cm)
S.Moretto
abbronzatura - sintesi vitamina D
azione battericida
... o malefici
eritemi - lesioni oculari
tumori alla pelle
Radiazioni
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pag.48
Radiazioni ad alta energia
raggi X
produzione artificiale
tubo a raggi X
raggi γ
produzione naturale
emissione γ da decadimento nuclei instabili
(radionuclidi)
produzione artificiale
acceleratori di particelle
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.49
Diffrazione a raggi X
L’informazione che può essere ottenuta dall’esame di un
materiale dipende da quanto è fine la sonda utilizzata.
La lunghezza d’onda dei raggi X si trova nella regione attorno
a 0.1nm
Le analisi con i raggi X sono limitate a strutture che si ripetono
con regolarità in quanto è tramite l’interferenza costruttiva di
raggi X diffusi da molte strutture identiche che si può ottenere
una nitida figura di diffrazione.
(unità di riflessione per i raggi X i piani degli atomi)
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.50
Descrizione di una semplice macchina a raggi X
Tutte le macchine a raggi X hanno in comune tre
parti:
1. un generatore di raggi X
2. un monocromatore
per fornire radiazione di una certa banda di lunghezza d’onda
3. dispositivo fotografico
per registrare le figure di diffrazione
S.Moretto
Radiazioni
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pag.51
Descrizione di una semplice macchina a raggi X
Nel generatore di raggi X gli elettroni vengono accelerati
mediante campi elettrici elevati e vanno a colpire un bersaglio
metallico (di solito Cu)con velocità elevata.
Si produce cosi uno spettro continuo dovuto al frenamento degli
elettroni più alcune righe specifiche per l’emissione di elettroni
dalle orbite più interne
Il monocromatore è costituito da un cristallo in modo che i raggi
incidenti e il cristallo formino angoli costanti lungo tutto il
cristallo. Scegliendo opportunamente tale angolo si focalizzano
sulla pellicola raggi X focalizzati
I raggi X entrano nella camera contenente il campione che
diffrange la radiazione e la pellicola che ne registra la figura.
S.Moretto
Radiazioni
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pag.52
Raggi X: generatore
TUBO A RAGGI X
generatore di
corrente
raggi X
catodo
K
+
F
filamento
vuoto
anodo
A
trasformatore
diodo
generatore di
alta tensione
rete
S.Moretto
Radiazioni
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pag.53
Raggi X: assorbimento
intensità
trasmessa
(%) I
I(x) I(x+∆
∆x)
X, γ
100
Io
75
e
50
ASSORBIMENTO
ESPONENZIALE
25
0
S.Moretto
x=µ
spessore
x
Radiazioni
∆x
I = Io e
x
–µ
µx
coefficiente
di attenuazione
o di assorbimento
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.54
Immagine radiologica
diversa opacità delle strutture biologiche
(diverso coefficiente di assorbimento)
µ
radioscopia
radiografia
xeroradiografia
radiografia digitale
(con e senza mezzo di contrasto)
(cm–1)
5
2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
ossa (d = 1.8 g cm–3 )
muscoli (d = 1.0 g cm–3 )
grasso (d = 0.9 g cm–3 )
polmoni (d = 0.3 g cm–3 )
50
S.Moretto
E
100
Radiazioni
(keV)
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pag.55
Radiografia
tubo a raggi X
fascio X incidente
muscolo
aria
osso
struttura
biologica
fascio X trasmesso
diaframmi
schermo
fluorescente
pellicola radiografica
immagine negativa
sviluppo della pellicola
radiografia digitale
S.Moretto
pellicola radiografica
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.56
Parametri per la radiografia
contrasto radiologico
parametri :
∆V
i
∆t
S.Moretto
potenziale elettrico
intensità di corrente
tempo di esposizione
45 kV ÷ 130 kV
3 mA ÷ 50 mA
1/60" ÷ 1/120"
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.57
Raggi gamma: impiego diagnostico
radiodiagnostica
radioisotopi
immagine
S.Moretto
radiofarmaci
diffusione nell'organismo
decadimento radioattivo
rivelazione radiazione
conteggio
dosimetrico
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.58
Raggi gamma: impiego terapeutico
γ (1.3 MeV)
fasci di elettroni(acceleratori di particelle)
fasci gamma (acceleratori di particelle)
cobaltoterapia
60Co
adroterapia (acceleratori di particelle)
protoni
neutroni (BNCT)
ioni pesanti
Boron Neutron Capture Therapy
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.59
Spettro elettromagnetico:
produzione
S.Moretto
Radiazioni
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.60
SPETTRO ELETTROMAGNETICO : produzione
λ (m)–14
10
RAGGI
GAMMA
ν
(Hz)
1022
10–12
10–10
RAGGI
X
1020
10–8
10–6
ULTRA-VIOLETTO
1018
10–4
INFRA-ROSSO
1016
1014
VISIBILE
tubo raggi X
1012
10–2
102
1
MICRO
ONDE
1010
λ(m)
ONDE
RADIO
108
ν
106
(Hz)
radiazione termica
transizioni nucleari
circuiti oscillanti
e acceleratori
transizioni atomiche
laser
Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche
P.Montagna
dic.02
Radiazioni
pag
.61
S.Moretto
Corso
Integrato
Fisica
Medica
–
Igiene
Dentale
Corso di Fisica Medica
Le radiazioni elettromagnetiche in Medicina
pag. 61
SPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego
λ (m)–14
10
RAGGI
GAMMA
ν
(Hz)
1022
10–12
10–10
RAGGI
X
1020
1018
10–8
10–6
ULTRA-VIOLETTO
INFRA-ROSSO
1016
1014
VISIBILE
diagnostica (RX , CT)
10–4
1012
terapia
10–2
MICRO
ONDE
1010
102
1
λ(m)
ONDE
RADIO
108
ν
106
(Hz)
diagnostica (RM)
diagnostica (PET, SPET)
diagnostica (IR e visibile)
terapia
Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche
P.Montagna
dic.02
Radiazioni
pag
.62
S.Moretto
Corso
Integrato
Fisica
Medica
–
Igiene
Dentale
Corso di Fisica Medica
Le radiazioni elettromagnetiche in Medicina
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SPETTRO ELETTROMAGNETICO : rivelazione
λ (m)–14
10
RAGGI
GAMMA
ν
(Hz)
1022
10–12
10–10
RAGGI
X
1020
10–8
10–6
ULTRA-VIOLETTO
1018
10–4
INFRA-ROSSO
1016
1014
VISIBILE
1012
10–2
102
1
MICRO
ONDE
1010
λ(m)
ONDE
RADIO
108
ν
106
(Hz)
occhio umano
emulsione fotografica
(+ schermi)
rivelatori di ionizzazione
stato solido , NaI
induzione elm
antenna
sistemi CCD
Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche
P.Montagna
dic.02
Radiazioni
pag
.63
S.Moretto
Corso
Integrato
Fisica
Medica
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Ultrasuoni
Onde sonore con frequenza > 2x104 Hz -> ultrasuoni
Si possono ottenere ultrasuoni con frequenze fino al GHz
λ=0.3 um in aria e λ= 1.5 um in acqua
Si comportano come raggi sonori che si propagano in linea retta.
Per applicazioni mediche si usano intensità da 10-4 a 10 W/cm2
e frequenza massima cira 1 MHz
L’intensità si attenua con legge esponenziale
I = I0 exp(-α x)
Dove α coefficiente di assorbimento che varia da materiale a materiale ed è
proporzionale alla frequenza.
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Ultrasuoni
Il principio della diagnostica a ultrasuoni (pipistrelli):
un breve impulso di ultrasuoni viene emesso da un trasduttore
e con un certo tempo di ritardo si ottiene un’eco al ricevitore
Le deformazioni indotte da campi elettrici ad alta frequenza generano onde
sonore ad alte frequenza(trasduttore).
Attraverso il processo inverso, lo stesso materiale produce un campo
elettrico per deformazione
-> nelle applicazione mediche trasduttore è lo stesso materiale del ricevitore
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Ecografia
Tecnica basata sulla riflessione da parte di interfacce tra mezzi diversi
attraversati da ultrasuoni.
Frequenze tipiche 1-15 MHz
Vengono emessi brevi impulsi della durata ciascuno di 1-5 us circa 200 volte
al secondo.
Caratteristiche:
• Il tessuto osseo assorbe 10 volte di più dei tessuti molli che a loro volta
assorbono 10 volte più dei fluidi corporei (sangue, urina..)
la vescica piena si comporta da “finestra acustica” per l’esame delle
strutture vicine.
• La velocità del suono nell’aria è minore che nei tessuti allora problemi di
interferenza. vengono minimizzati usando gel tra trasduttore e pelle
(conduttore del suono)
• le ecografie dei polmoni e apparato digerente non sono facilmente
eseguibili esattamente per le perdite di energia ultrasonora
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Parametri dell’ecografia
• Risoluzione assiale o longitudinale: è la capacità di distinguere due oggetti
lungo la direzione di propagazione dell’onda
Non possono essere risolti oggetto con dimensioni inferiori alla lunghezza
d’onda: per frequenza 1-15 MHz varia tra 1.5 -0.1 mm
Anche la lunghezza dell’impulso limita la risoluzione assiale: impulsi di
lunga durata impediscono di rivelare interfacce molto vicine.
• Risoluzione laterale: capacità di distinguere oggetti giacenti sun una linea
ortogonale alla direzione di propagazione. Dipende dalle dimensioni
trasverse del fascio: dipende dalla focalizzazione, dal trasduttore.
• Attenuazione
• Divergenza: il fascio non può essere considerato come formato da raggi
paralleli oltre una certa distanza xmax
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Magnetismo
Magnetismo di grande importanza nei moderni strumenti per
indagare un ampio spettro di fenomeni biologici e medici
(risonanza magnetica)
Barra magnetizzata si comporta come fosse asimettrica: due polarità Nord
Sud
Quando i poli uguali vengono avvicinati si ha repulsione (attrazione se
diversi)
Si dice che intorno alla calamita si produce un campo magnetico che
modifica in qualche modo lo spazio attorno
E interagirà con un altro magnete allorché questo è messo in presenza
dell’altro e ne risulterà una forza attrattiva o repulsiva
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Correnti elettriche e Campi Magnetici
I campi magnetici vengono anche prodotti dal
passaggio di correnti attraverso conduttori
Se due correnti fluiscono in senso
concorde su due fili vicini esiste una forza
attrattiva tra due fili:
AMPERE è l’intensità di corrente che,
passando in due conduttori
indefinitivamente lunghi e paralleli posti
alla distanza di 1 m, nel vuoto, generano la
forza di 2 10-7 Nm-1
COULOMB: carica trasportata dalla corrente di un ampere al secondo
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Campi Magnetici
La forza che un campo magnetico genera su un filo conduttore percorso da corrente
F=ILxB
ove B campo magnetico
L lunghezza del filo
I intensità di corrente
Quando un filo conduttore è eprcorso da corrente è avvolta a formare un elica
(solenoide)si produce un intenso campo magnetico lungo l’asse del solenoide
B0= µ0 N I/ l
permeabilità magnetica del vuoto = 4 π 10-7 T A-1 m-1
N numero di spire
I corrente
l tratto di solenoide
Se all’interno del solenoide inseriamo un altro materiale ferromagnetico il campo
aumenta
B = µB0 ( µ per il ferro vale 5000)
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