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.