ELECTROMAGNETIC RADIATION - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Laurea Magistralis
MEDICINE
and SURGERY
Corso di in
Laurea
Specialistica
in
MEDICINA
e CHIRURGIA
“HARVEY”
corso integrato
FISICA - disciplina
FISICA
Integrated
Course/Discipline:
PHYSICS
ELECTROMAGNETIC
RADIATION
- ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
- ATOMIC TRANSITIONS
- THERMAL RADIATION
- MICROWAVES IN MEDICINE
- INFRARED RADIATION IN MEDICINE
- OPTICAL ABSORPTION and SPECTROPHOTOMETRY
- ULTRAVIOLET RADIATION IN MEDICINE
- HIGH ENERGY RADIATION (X and γ)
D. SCANNICCHIO 2009
01/23
ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
(fermi)
10–12
–14
10
RAGGI
GAMMA
RAY
GAMMA
1022
GeV
109
1020
MeV
106
λν = c
D. SCANNICCHIO 2009
10–10
RAGGI
X RAY
X
ν
(Hz)
(Å) (nm)
λ (m)
10
(µm)
–8
10–6
U.V.
ULTRA-VIOLETTO
1018
keV
1016
(mm) (cm)
10–4
–2
10
2
1
10
MICRO
MICRO
WAVES
ONDE
INFRAI. R.
-ROSSO
1014
1012
VISIBILE
VISIBLE
1010
λ (m)
ONDE
RADIO
RADIO
WAVES
108
ν
106
3 108 Hz
(Hz)
E
103
E = hν
400
500
600
700
λ (nm)
02/23
ATOMIC TRANSITIONS
quanto of
di electromagnetic
energia elettromagnetica
quantum
energy : :
fotone
photon
E = hν
emissione, assorbimento :
emission and absorption :
E4
E3
E2
E4
E3
E2
hν
hν
E1
D. SCANNICCHIO 2009
E1
E2 – E1
ν=
h
hν' = E3 – E2
hν" = E2 – E1
03/23
THERMAL RADIATION
intensità
dell'onda
Iwave
energy transport
phenomena:
intensity
I I
trasporto
di
energiain
nei
fenomeni
ondulatori:
intensità
energia
trasportatain nell'unità
di tempo e
energy transport
time unit and
through surface
attraverso
l'unitàunit:
di superficie :
y
energia
I =
Δt ⋅ S
measure units: I.S.
practical system
D. SCANNICCHIO 2009
joule
s . m2
watt
m2
cal s–1 m–2
04/23
THERMAL RADIATION
IRRAGGIAMENTO
TERMICO
THERMAL
RADIATION
(RADIAZIONE TERMICA)
electromagnetic
emission
emissione
di ondewaves
elettromagnetiche
a body
at temperature
T
dafrom
parte
di corpo
a temperatura
T
Q
intensity
intensità I =
Δt ΔS
cal s–1 m–2 oppure
or watt m–2
THERMAL
RADIATION LAWS
LEGGI DELL'EMISSIONE
TERMICA
legge
di Stefan
Stefan’s
law
I = σ T4
(watt m–2)
0.2897
(cm)
legge
di
Wien
λ
=
Wien’s law
Imax
T
D. SCANNICCHIO 2009
05/23
legge
di Stefan
Stefan’s
law
legge
di Wien
Wien’s
law
I = σ T4 (watt m–2)
0.2897 (cm)
λImax =
T
emitted
intensitàspectral
spettraleintensity
emessa
(Wm–2 µm–1)
I
9
10
108
107
106
105
104
103
102
10
1
10000°K
6000°K
spettro
visible visibile
spectrum(400-700
(400-700
nm)
nm)
4000°K
1000°K
λ (nm)
1 10 102 103104 105106
D. SCANNICCHIO 2009
lunghezza
d'onda
wavelength
06/23
THERMAL RADIATION
vibrational
rotational
statesetransitions
transizioni and
tra stati
vibrazionali
rotazionali
I = k σ T4
I(λ)
unità
relative visibile
relative
visible
units
140
120
100
80
60
40
20
0
D. SCANNICCHIO 2009
4
cal
°K
σ = 1.36 10
cm2 s
k = 1 (black
(corpobody)
nero)
k<1
λImax = 0.2897 (cm)
T
–12
4000°K
3000°K
2000°K
1
2
3
4
µm λ
07/23
MICROWAVE RADIATION
in MEDICINE
not ionizing
radiazioni
non radiation
ionizzanti
300 MHz < ν < 300 GHz
10–6 eV < E = hν < 10–3 eV
effects:
(diathermy)
effetti : heat
calore
(diatermia)
assorbimento :
absorption
– x
D = D(ν)
I(x) = Io e D
therapy
terapia:
D. SCANNICCHIO 2009
ν ≈ 2450 MHz
08/23
MICROWAVE RADIATION
in MEDICINE
(charactheristic
caratteristico)
(cm) D (spessore
thickness)
10.0
5.0
absorption:
D = D(ν)
I(x) = Io
e
– x
D
fat tissue
tessuto
adiposo
2.0
1.0
tessuto
con elevato
tissue with
high
contenuto
di
water contentacqua
0.5
0.2
0.1
(GHz)
2 4 6 8 10
frequenza
frequency ν
limit
for human
exposition:
esposizione
limite
per l' uomo : I ≤ 10 mW cm–2
massima
potenza
radiante
assorbita
dall'uomo:
maximum
radiant
solar solare
power
absorbed
by man:
–2
I ≈ 100 mW cm
D. SCANNICCHIO 2009
09/23
INFRARED RADIATION
in MEDICINE
0.7 µm < λ < 20 µm
intensità
relative
relativa
intensity
MEDICINA
MEDICINE
visibile
10
5
0
near I.R.
vicino
I.R.
3000°K
emissione
termica(Sun)
(Sole)
thermal emission
1200°K
Sole
0.5
1.0
1.5
effetto termico
thermal
effect
fotografia
I.R.
I.R.
photography
D. SCANNICCHIO 2009
λ (µm)
2.0
λ ≈ 0.7 µm
λ > 1.4 µm
penetrazione
penetration
Δx ≈ 10 cm
Δx < 1 mm
immagine
termica
(termografia)
thermal imaging
(thermography)
10/23
OPTICAL ABSORPTION
wave
U.V. < λ < µonde
(visibile)
(visible)
spettrofotometro
spectrophotometry
fessura
exit slit
d'uscita
prisma
di
dispersion
dispersione
rivelatore
detector
prism
fessura
entrance
d'ingresso
slit
condenser
condensatore
lampada
lamp
cuvetta con
solution
soluzione
holder
spectrum
selezione
di campo
band selector
spettrale
ristretto
trasmitting
trasmittanza D(λ) = I
Io
power
spettrospectrum
di assorbimento
absorption
D. SCANNICCHIO 2009
11/23
OPTICAL ABSORPTION
K
dI(x)
= – K I(x)
dx
– K(λ,C) x
I(x)
D(λ,x,C) =
= e
Io
extinction coefficient
di estinzione
K = coefficiente
ΔI = – K I
Δx
Beer’s
legge
di law:
Beer: K(λ,C) = k(λ) C
intervallo
validity
di
validità
range
o
C
legge
di Lambert-Beer
:
Lambert-Beer’s
law:
I = Io
D. SCANNICCHIO 2009
e
–k(λ) C x
12/23
SPECTROPHOTOMETRY
D(λ)
o
1 2 3 4 5 6 7 8
crystalline
stearic
acid
acido
stearico
cristallino
λ
9 1011121314 µm
D(λ)
acido
fuso
moltenstearico
stearic acid
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314
D. SCANNICCHIO 2009
µm
λ
13/23
SPECTROPHOTOMETRY
oximetry
ossimetria
measurement
of blood OO2 concentration
misura
concentrazione
nel sangue
2
coefficiente
damping
dicoefficient
estinzione
104
3
10
earlobo
lobe dell'orecchio
emitting
fotodiodo
photodiode
emettitore
Hb
λ ≈ 660 nm
detector
rivelatore
2
10
10
D. SCANNICCHIO 2009
cavo
cable
O2 -Hb
600
800
nm
λ
molla
spring
14/23
ULTRAVIOLET RADIATION
in MEDICINE
intensità
Sun as main source
origine solare
relative
relativa
intensity
visible
visibile
corpo body
nero (SUN)
(SOLE)
black
(5800°K)
Sun radiation
radiazione
solare
sea level
aatlivello
del mare
U.V.
0.5
D. SCANNICCHIO 2009
1
1.5
2
µm
λ
15/23
ULTRAVIOLET RADIATION
in MEDICINE
intensità
intensity
(unità arbitrarie)
(relative
intensity)
skin
90 risposta
response
cutanea
70
50
30
10
0.28
0.32
90° sun radiation at an
radiazione
solare
angle with ground
rispetto al suolo
40°
fluorescent da
lamp
emissione
lampada
emission
a fluorescenza
10°
0.36 µm λ
abbronzatura
suntan
erythema
eritema
D. SCANNICCHIO 2009
16/23
ULTRAVIOLET RADIATION
in MEDICINE
UVA : 400 ÷ 315 nm
UVB : 315 ÷ 280 nm
UVC : 280 ÷ 100 nm
thermal emission
emissione
termica(Sun)
(Sole)
atomic transitions
transizioni
atomiche
(absorption)
(assorbimento)
produzione
naturale: Sun
(Sole)
natural production
sources:
produzione
I(500 nm)
Sole
Sun
UV : : 300 ÷ 200 nm assorbiti
O2 absorption
da O3
air absorption
in aria
200 ÷ 100 nm assorbiti
I(600 nm)
suolo
ground
(produzione
O3 e ossidi
di azoto)
(ozone Oozono
oxides
production)
3 and nitrogen
thicknessatmosfera
of the atmosphere
* spessore
clouds
* nuvole
diffusion
diffusione
smokes
and
smog
fumi e smog
*
D. SCANNICCHIO 2009
]
17/23
ULTRAVIOLET RADIATION
in MEDICINE
UVA : 400 ÷ 315 nm
UVB : 315 ÷ 280 nm
UVC : 280 ÷ 100 nm
man-made
produzione production
artificiale
U.V. lamps
lampade
U.V.
assorbimento:
absorption:
effetti biologici:
biological
effects:
D. SCANNICCHIO 2009
λ = 400 ÷ 270 nm
H2O 400 ÷ 300 nm (in 2÷5 cm)
glass opaque
vetro
opaco
quartz transparent
quarzo
trasparente
atoms and molecules
excitation
eccitazione
atomi e molecole
small thermal
effect
debole
effetto termico
18/23
ULTRAVIOLET RADIATION
in MEDICINE
uomo on man
effects
vitamin
D synthesis
sintesi vitamina
D (≈ 280 nm)
abbronzatura
tanning
(formazione
pigmento
→ protezione da U.V.)
- U.V. protection)
(pigment forming
erythema
(UVB,
UVC)
eritema (UVB,
UVC)
dilatation
(vessel
(dilatazione
vasifrom
da produced
sostanze molecules)
prodotte)
greatest cutanea
skin response
at λ ≈ 300 nm
risposta
massima
bond C––C dissociation)
(≈ 4 eV → dissociazione
legame C— C )
ocular lesion
(cataract)
lesioni
oculari
(cataratta)
azione
battericida
bactericide
effect
D. SCANNICCHIO 2009
19/23
HIGH ENERGY PHOTON
PRODUCTION
X
- rays
raggi
X
produzione
artificiale
artificial production
tubo
raggi X
X-raysa tube
raggi γ - rays
gamma
produzione
naturale
natural production
γ da decadimento
nuclei
instabili
-rays emission
from radioactive
nuclei
γemissione
(radionuclidi)
(radionuclides)
artificial production
produzione
artificiale
acceleratori
di particelle
particles accelerators
nuclear reactors
D. SCANNICCHIO 2009
20/23
ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
(fermi)
10–12
–14
10
RAGGI
GAMMA
RAY
GAMMA
1022
1020
production
GeV
10–10
RAGGI
X RAY
X
ν
(Hz)
(Å) (nm)
λ (m)
MeV
10
–8
10–6
U.V.
ULTRA-VIOLETTO
1018
keV
X ray tube
103
nuclear transitions
λν = accelerators
c
E = hν
particle
109
(µm)
(mm) (cm)
10–4
10
2
1
10
MICRO
MICRO
WAVES
ONDE
INFRAI. R.
-ROSSO
1016
1014
1012
VISIBILE
VISIBLE
1010
λ (m)
ONDE
RADIO
RADIO
WAVES
108
ν
106
3 108 Hz
(Hz)
VISIBLE radiation
E thermal
106
oscillating circuits
400
atomic transitions
D. SCANNICCHIO 2009
–2
500
600
700
λ (nm)
21/23
ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
(fermi)
10–12
–14
10
RAGGI
GAMMA
RAY
GAMMA
1022
10–10
RAGGI
X RAY
X
ν
(Hz)
(Å) (nm)
λ (m)
1020
1018
in medicine
GeV
10
(µm)
–8
10–6
U.V.
ULTRA-VIOLETTO
1016
(mm) (cm)
10–4
INFRAI. R.
-ROSSO
1014
1012
VISIBILE
VISIBLE
–2
10
2
1
10
MICRO
MICRO
WAVES
ONDE
1010
ONDE
RADIO
RADIO
WAVES
108
106
ν
106
3 108 Hz
MeV
keVray,
E CT)
diagnostics
(X
109
λ (m)
(Hz)
MR
103
therapy
diagnostics
PET)
λν = c (SPET,
E = hν
400
diagnostics
(IR,
500visible)
600
therapy
D. SCANNICCHIO 2009
700
λ (nm)
22/23
ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
(fermi)
10–12
–14
10
RAGGI
GAMMA
RAY
GAMMA
10–10
RAGGI
X RAY
X
ν
(Hz)
(Å) (nm)
λ (m)
1022
1020
10
keV
9
10
6
10
(+ screens)
103
–8
10–6
U.V.
ULTRA-VIOLETTO
1018
detection
devices
GeV
MeV
(µm)
1016
(mm) (cm)
10–4
10
2
1
10
MICRO
MICRO
WAVES
ONDE
INFRAI. R.
-ROSSO
1014
1012
VISIBILE
VISIBLE
1010
λ (m)
ONDE
RADIO
RADIO
WAVES
108
ν
106
3 108 Hz
(Hz)
E
human eyes
photographic emulsion
λν = c
E = hν
400
ionization detectors
D. SCANNICCHIO 2009
–2
elm induction
500
600
700
λ23 (nm)
23/23