FISICA DELLE RADIAZIONI
Nozioni di base
Con il termine radiazioni si comprendono comunemente alcuni fenomeni, tra loro
differenti, che hanno in comune il trasporto di energia nello spazio. Sono radiazioni, ad
esempio, la luce visibile, le onde radiotelevisive, le emissioni di particelle o di fotoni X o
gamma da parte di un elemento radioattivo. L'energia trasportata dalla radiazioni viene
ceduta quando la radiazione interferisce con la materia attraversata.
Quando una radiazione ha energia sufficiente può ionizzare il mezzo attraversato,
ossia produrre cariche positive e negative.
A seconda che la ionizzazione del mezzo irradiato avvenga per via diretta o indiretta le
radiazioni vengono distinte in radiazioni direttamente ionizzanti e radiazioni
indirettamente ionizzanti.
Radiazioni direttamente ionizzanti sono particelle cariche elettricamente, come le
particelle alfa e le particelle beta. Esempi di radiazioni indirettamente ionizzanti sono
i fotoni X e gamma e i neutroni.
Le radiazioni possono anche essere distinte in corpuscolate, ossia dotate di massa
come le particelle cariche elettricamente e i neutroni, e radiazioni non corpuscolate,
come i fotoni X e gamma che non hanno nè massa nè carica.
I fotoni viaggiano nello spazio (anche vuoto) sotto forma di onde elettromagnetiche
che sono la propagazione sinusoidale delle intensità dei campi elettrico e magnetico e
che possiedono tre caratteristiche: lunghezza d'onda [L], frequenza [n] (cicli/sec o
Hertz) e velocità [c] (300000 km/sec). Lunghezza d'onda e frequenza sono tra loro
inversamente proporzionali, secondo la formula:
n=c/L
L'energia dei fotoni [E] è direttamente proporzionale alla loro frequenza, secondo la
formula:
E=hxn
ove h è la costante di Plank pari a 6.61 x 10-34joule sec.
L'energia delle radiazioni si misura in elettronvolt (eV). 1 eV è l'energia che una
carica elettrica unitaria (come un elettrone) acquista attraversando una differenza di
potenziale di un Volt. Multipli sono il keV (1.000 eV), il MeV (1.000.000 eV), il GeV
(1.000.000.000 eV).
COSTITUZIONE DELLA MATERIA
Atomo
L'atomo è la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento;
è composto da un nucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso.
Nucleo
o
o
o
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)
o
o
o
o
Il protone (p+) possiede una massa circa 1835 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 circa1837 volte maggiore di quella dell'elettrone e
non possiede carica elettrica. < /li>
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
numero quantico che esprima la direzione di rotazione del nucleone sul suo asse
j (spin)
m numero quantico magnetico in relazione con l'orientazione dell'orbita nello spazio
o
o
Per il principio di esclusone di Pauli su ogni orbita nucleare permessa non possono
muoversi insieme più di un protone e di un neutrone.
Legame nucleare
o
o
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.
o
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
E = m x c2
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.
Elettroni
o
o
o
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
numero quantico che esprime la direzione di rotazione dell'elettrone sul suo asse
s (spin)
o
o
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
o
o
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.
Tabella riassuntiva delle caratteristiche delle particelle fondamentali
Particella
Carica
Massa relativa
Kg
amu
Elettrone
-1
1
9.10*E-31
0.000549
Protone
+1
1836
1673*E-27
1.007277
0
1840
1675*E-27
1.008665
Neutrone
Isotopi e altri Iso- Isotopi
o
o
o
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 (1H) che ha 1p (Z=1) e 0n (A=1) ed è il più abbondante in
natura;
il deuterio (2H) che ha 1p (Z=1) e 1n (A=2) ed è presente in natura anche se
raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale);
il trizio (3H) che ha 1p (Z=1) e 2n (A=3), esiste solo perché prodotto
artificialmente ed è fisicamente instabile.
La Medicina Nucleare sfrutta le proprietà dei radioisotopi, a scopo diagnosico,
terapeutico e di ricerca.
Isobari
o
Sono isobari elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso peso atomico
(uguale A). In altre parole presentano lo stesso numero di nucleoni, ma diverso numero
di protoni e diverse caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Nedicina Nucleare.
Isotoni
o
Sono isotoni elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso numero di neutroni
(diverso A). Differiscono dunque anche per le caratteristiche chimiche. Non trovano
impiego in Nedicina Nucleare.
Isomeri
o
o
Sono forme di uno stesso elemento, identiche nella composizione nucleare (Z e A
uguali), che si differenziano per lo stato di eccitazione del nucleo. Alcuni elementi,
infatti, rimangono in stato eccitato per un tempo misurabile (da 1E-12 secondi fino ad
alcune ore) prima di decadere ad un livello energetico inferiore attraverso un'emissione
di fotoni gamma per transizione isomerica. Tale condizione è detta "stato
metastabile".
Normalmente, infatti, un nucleo che si trova ad un livello energetico superiore (in stato
eccitato) libera l'energia in eccesso, sotto forma di radiazione gamma, riportandosi al
livello energetico più basso in un tempo inferiore a 1E-13 secondi.
Esempio di isomero è il Tecnezio 99 metastabile (99mTc), di fondamentale importanza
in medicina nucleare.
Differenze tra isotopi, isobari e isotoni
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
DECADIMENTO RADIOATTIVO
La composizione nucleare di numerosi elementi in natura li rende energeticamente instabili.
Tali elementi 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.
Emivita fisica (T1/2)
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 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:
dove:
Nt = numero degli atomi al tempo t
No= numero degli atomi al tempo zero
e = base dei logaritmi naturali (= 2.718)
L = costante di decadimento che equivale a 0.693/emivita
t = tempo trascorso
Attività
Nt = Noe-Lt
Viene definita attività di un radionuclide il numero di disintegrazioni che avvengono,
nell'unità di tempo, in una certa quantità di un radionuclide. Secondo il nuovo Sistema
Internazionale di misura (SI) l'attività si misura in Bequerel (Bq) dove 1 Bq = 1
disintegrazione al secondo. In passato veniva utilizzato il Curie (Ci) che equivale a
37 GBq e corrisponde al numero di disintegrazione al secondo che avvengono in un
grammo di 226Radio.
I processi di decadimento provocano la emissione di radiazioni da parte dell'atomo.
L'energia delle radiazioni alfa, X e gamma, emesse dai processi di decadimento
radioattivo, è ben definita per ogni radioisotopo, in uno spettro discreto di energie; al
contrario le radiazioni beta hanno uno spettro energetico continuo che si estende fino
all'energia massima propria di ciascun radioisotopo con una distribuzione tale che
l'energia media è dell'ordine di un terzo dell'energia massima.
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
o
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
o
o
o
o
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.
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.
Decadimento Beta negativo
o
Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si trasforma in
protone secodo la formula:
n° = p+ + ß- + antineutrino
o
o
o
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
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).
IONIZZAZIONE BETA-
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 ßemittenti 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
o
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:
p+= n° + ß+ + neutrino
Il decadimento ß+ è più probabile rispetto alla cattura elettronica per gli elementi con basso
numero atomico.
Il decadimento ß+ provoca una transizione isobarica: 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.
Interazioni con la materia
Le particelle ß+ possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l'allontanamento di
elettroni dalla sfera di influenza nucleare per attrazione elettrostatica, a spese della loro
energia cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria). Il potere pentrante
è uguale a quello delle particelle ß-.
IONIZZAZIONE
BETA+
Le particelle ß+ dopo circa 10E-9 secondi vanno incontro ad ANNICHILAZIONE,
interagendo con un elettrone. Le due particelle scompaiono e la loro massa è trasformata
in 2 fotoni gamma di 0.511 MeV, emessi in direzioni contrapposte.
o
I radionuclidi che decadono per emissione ß+ sono usati in medicina nucleare per la
Tomografia ad Emissione di Positroni (PET).
Cattura elettronica
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".
Transizione Isomerica
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 2.7 giorni. Il 99mTc decade a sua volta, per transizione isomerica, a
99Tc, con un'emivita di 6 ore. Sono disponibili in commercio piccoli generatori 99Mo → 99Tc che
ne permettono l'impiego in tutti i centri di medicina nucleare.
DECADIMENTO 99Mo → 99Tc
CON TRANSIZIONE ISOMERICA
Tc → 99Tc
99m
FOTONI X e GAMMA
Derivano dalla diseccitazione energetica di nuclei instabili che liberano l'energia in eccesso sotto
forma di radiazioni gamma. I fotoni gamma 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 gamma e i fotoni X è la loro origine: i gamma 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 gamma 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 gamma con la materia, solo alcune possono essere di
qualche interesse in medicina nucleare:
Effetto Fotoelettrico
Effetto Compton
Produzione di coppie
Conversione Interna
Produzione di elettroni Auger
Effetto Fotoelettrico
Accade quando un fotone, di energia medio-bassa, interagisce con un elettrone delle orbite
più interne (in genere dello strato K) cedendo tutta la sua energia. Il fotone scompare e
l'elettrone acquista energia cinetica pari alla differenza dell'energia del fotone incidente [Efi]
con quella di legame dell'elettrone. La ionizzazione provoca riassestamento degli altri
elettroni con emissione di radiazioni X caratteristiche o con l'emissione di un elettrone di
Auger (più probabile per elementi a basso Z).
L'effetto fotoelettrico è più probabile per mezzi ad alto Z e per fotoni a bassa energia
secondo la formula:
Probabilità di Effetto Fotoelettrico = Z4 / Efi3
L'effetto fotoelettrico ha importanti risvolti in medicina nucleare e in radiobiologia.
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.
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.
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".
La reazione accade più frequentemente con materiali ad alto Z.
Ha rilevanza in medicina nucleare e in radiobiologia per il calcolo della dose assorbita.
Produzione di elettroni di 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). 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.
