Ateneo - UPO

Le basi dell’elettromagnetismo. I meccanismi della interazione di particelle cariche, raggi X, raggi gamma e neutroni con la materia.

V. Monaco, R. Sacchi, A. Solano, "Elementi di Fisica", McGrawHill
J. Kane, M. Sternheim, "Fisica Applicata", EMSI
D. Scannicchio, "Fisica Biomedica", EdiSES

J.E. Coggle, "Effetti biologici delle radiazioni", Minerva Medica
U. Amaldi, "Fisica delle Radiazioni", Boringhieri
R. Passariello, "Radiologia - Elementi di tecnologia", Idelson-Gnocchi
J.R. Greening, "Fundamentals of Radiation Dosimetry", Taylor & Francis
H.E. Johns, J.R. Cunningham, "The Physics of Radiology", C. C. Thomas Publisher
R.A. Fosbinder, C.A. Kelsey, "L'immagine radiologica", McGraw Hill

Fornire le basi dell’elettromagnetismo. Illustrare i meccanismi della interazione di particelle cariche, raggi X, raggi gamma e neutroni con la materia, con enfasi ai fenomeni più rilevanti per la comprensione della strumentazione utilizzata in radiodiagnostica e radioterapia.

Il contenuto del corso di fisica del primo semestre.

Lezioni in aula.

Si veda http://www3.med.unipmn.it/arneodo/

Esame scritto e orale sul programma, volto a verificare il grado di comprensione della materia. Per esempi delle prove scritte, si veda Si veda http://www3.med.unipmn.it/arneodo/

Parte prima: elettromagnetismo

Carica elettrica. Legge di Coulomb. Carica elementare. Campo elettrico, linee di campo. Campo generato da una carica puntiforme, da due cariche uguali, da un dipolo. Momento di dipolo elettrico. Comportamento di un dipolo all'interno di un campo elettrico. Momento meccanico su un dipolo elettrico in un campo elettrico. Energia potenziale elettrostatica. Potenziale elettrico. Elettronvolt. Relazione tra campo e differenza di potenziale. Scarica elettrica. Conduttori e isolanti. Campo all'interno di un conduttore in un campo elettrico. Polarizzazione di un dielettrico. Capacita' elettrica; condensatori; effetto di un dielettrico; condensatore a facce piane e parallele; energia immagazzinata in un condensatore. Condensatori in serie e parallelo.
Corrente elettrica, velocita' dei portatori di carica, resistenza, legge di Ohm. Conduttori ohmici e non; il diodo. Circuiti. Batterie ideali
e reali. Resistivita'. Potenza dissipata in una resistenza, effetto Joule; Wh. Resistenze in serie e in parallelo. Circuiti in corrente continua e in
corrente alternata. Tensione e corrente efficaci. Reti elettriche; impianti di terra. Effetti della corrente sul corpo umano. Campo magnetico. Legge di Lorentz. Forza su un filo percorso da corrente. Legge di Biot-Savart. Campo generato da un filo rettilineo.
Calcolo del campo al centro di una spira circolare. Solenoide. Dipolo magnetico, momento di dipolo magnetico. Comportamento di dipolo magnetico
in un campo magnetico. Materiali magnetici; calamite e bussole; ferromagnetismo. Flusso del campo magnetico. Legge di Faraday-Lenz. Generatori
elettrici; trasformatori. Onde elettromagnetiche, fotoni. Antenne.

Parte seconda: fisica delle radiazioni

Cenni alla struttura, dimensione, massa di atomi e nuclei. Interazione nucleare forte. Cenni ai concetti di base della meccanica quantistica: quantizzazione dell'energia delle onde elettromagnetiche, quantizzazione del momento angolare degli elettroni atomici, funzione d'onda e suo
significato, principio di indeterminazione, equazione di Schroedinger.

Cenni ad alcuni concetti di meccanica relativistica: invarianza della velocita' della luce, velocita' della luce come massima possibile, equivalenza massa-energia, dilatazione dei tempi, contrazione delle distanze; fattori beta e gamma relativistici.

Acceleratori di particelle: linac, ciclotrone, sincrotrone.

Generazione di raggi X. Tubo a raggi catodici; radiazione di frenamento e spettro continuo; righe caratteristiche. Spettro dei raggi X emessi da un tubo per diagnostica. Distribuzione angolare (bersaglio sottile e bersaglio spesso). Relazione tra corrente e tensione in un tubo a raggi X,
effetto di carica spaziale, saturazione. Alimentazione di un tubo a raggi X, raddrizzamento, concetto di voltaggio di picco. Raffreddamento
dell'anodo, anodo rotante. Curva di carico.

Struttura del nucleo atomico. Isotopi e isobari. Interazione nucleare forte e interazione nucleare debole. Radioattivita'. Decadimenti alfa, beta-, beta+, gamma e relativi esempi. Attivita' e sue unita' di misura: Becquerel e Curie. Legge del decadimento radioattivo; legame tra semivita
e vita media. Legame tra attivita' iniziale e numero iniziale di nuclei. PET.

Interazione radiazione-materia:
(i) concetto di sezione d'urto;
(ii) interazione di particelle cariche pesanti (protoni, nuclei) con la
materia; potere frenante; formula di Bethe-Bloch; range; picco di Bragg;
adroterapia. Spessore espresso in g/cm2; LET;
(iii)interazione di elettroni e positroni con la materia; radiazione di
frenamento; lunghezza di radiazione;
(iv) diffusione multipla;
(v) interazione di fotoni X e gamma con la materia:
- coefficiente lineare di assorbimento;
- effetto fotoelettrico: dipendenza della sezione d'urto da energia e numero atomico; distribuzione angolare dei fotoelettroni; K-edge;
- effetto Compton: dipendenza della sezione d'urto da energia e numero atomico; distribuzione dell'energia degli elettroni diffusi;
distribuzione angolare di elettroni e fotoni diffusi;
- creazione di coppie: dipendenza della sezione d'urto da energia e numero atomico;
- sciami elettromagnetici;
(vi) interazione di neutroni con la materia: collisioni elastiche, inelastiche, non-elastiche, cattura, spallazione, fissione.

Basi fisiche della diagnostica con raggi X. Principi fisici della TC

Principi fisici alla base della risonanza magnetica nucleare: spin del protone, effetto di un campo magnetico sullo spin; frequenza di Larmor; spin-flip; rilassamento. Campo di gradiente. Tempi T1, T2; magnetizzazione longitudinale e trasversale. FID.

Comprensione delle basi dell'elettromagnetismo e dei meccanismi di interazione tra la radiazione ionizzante e la materia.