Nella sequenza di interazioni tra le radiazioni ionizzanti e la materia si distinguono schematicamente tre fasi: fisica, chimica e biologica.La fase fisica è costituita dalle ionizzazioni e dalle eccitazioni prodotte dalle radiazioni negli atomi. La ionizzazione è la liberazione di un elettrone dal legame con il suo rispettivo nucleo, mentre l'eccitazione è il sollevamento di un elettrone atomico a un livello a maggiore energia totale; ogni ionizzazione è accompagnata da un corteo di 2-3 eccitazioni.I raggi X di energia corrispondente a quella usualmente utilizzata in radioterapia e i raggi γ interagiscono nei tessuti biologici mediante tre meccanismi fondamentali, illustrati nella figura 14.• Nell'effetto fotoelettrico il fotone incidente cede all'elettrone urtato tutta la sua energia: il fotone scompare e l'elettrone viene espulso dall'atomo con una certa energia cinetica; l'atomo eccitato può tornare allo stato normale mediante transizioni di elettroni, che riemettono radiazioni di frequenza inferiore.• Nell'effetto Compton il fotone incidente cede all'elettrone urtato una parte della sua energia: il fotone continua il suo cammino, deviato e con minore energia, mentre l'elettrone viene fuori dall'atomo con una certa energia cinetica; l'effetto Compton è la modalità prevalente della fase fisica dell'interazione tra radiazioni e materia quando si usano fasci di alta energia.• L'effetto coppia o produzione di coppie si verifica con maggiore probabilità nelle vicinanze dell'intenso campo elettrico del nucleo atomico e solo con i fotoni di energia superiore o uguale a 1,02 MeV (che equivale all'energia insita nella massa di due elettroni); consiste nella "materializzazione" del fotone in due particelle, un elettrone negativo e uno positivo (positrone); tutta l'energia oltre la soglia di 1,02 MeV è distribuita in ugual misura tra le due particelle sotto forma di energia cinetica.Gli elettroni secondari messi in moto a seguito dei tre eventi interattivi descritti possiedono un'energia cinetica ancora sufficiente a produrre ulteriori ionizzazioni.Poiché il numero di ionizzazioni prodotte direttamente dai singoli fotoni è del tutto trascurabile rispetto a quello determinato dagli elettroni secondari, i raggi X e γ possono essere considerati radiazioni "indirettamente" ionizzanti.Gli elettroni non sono solo le particelle legate ai fotoni nella generazione di eventi fisici primari: essi rappresentano anche la radiazione corpuscolare di più comune utilizzo in radioterapia. Il meccanismo fondamentale di interazione nei materiali da questi attraversati è il cosiddetto "urto anelastico", da concepire come un'interazione a distanza tra il campo elettrico che accompagna l'elettrone e il campo elettrico atomico, a seguito della quale sono indotte ionizzazioni. Questi ulteriori elettroni espulsi dagli atomi hanno in genere bassa energia cinetica, ma sono comunque in grado di produrre ancora altre ionizzazioni. 89 Prima di procedere a descrivere la fase chimica e quella biologica, è utile anticipare che il danno causato dalle radiazioni ionizzanti può verificarsi in due modi: per azione diretta, ossia per induzione diretta di ionizzazioni nel DNA cellulare, o per azione indiretta, cioè attraverso la formazione di una serie di atomi e molecole in forma ionica altamente reattivi e lesivi, detti "radicali liberi" (fig. 15).La fase chimica consiste esattamente nella generazione di tali composti.  Se nel mezzo irradiato è presente ossigeno (O2) in una sufficiente concentrazione, questo, per l'elevata elettroaffinità, catturerà radicali H dando luogo alla formazione di una specie radicale dotata di elevato potere ossidante, l'HO2 (superossido di idrogeno):O2 + H → HO2HO2 + e -→ HO2 -HO2 -+ H + → H2O2 H2O2 + 2H → 2H2O L'O2, di per sé, è in grado di sottrarre elettroni alle biomolecole ossidandole, e di costituire con esse perossidi organici di elevata tossicità.Nelle cellule ben ossigenate, quindi, in seguito all'irradiazione si formeranno quantità più elevate di radicali liberi, con conseguente aumento delle possibilità di danneggiare le macromolecole organiche presenti nelle cellule stesse. Ciò spiega perchè, nella quasi totalità dei substrati biologici, a parità di dose, l'effetto delle radiazioni in presenza di ossigeno è circa 2-3 volte maggiore: si parla propriamente di "effetto ossigeno". Nel progressivo accrescimento di un tumore, la neoangiogenesi produce una rete vasale inadeguata rispetto all'entità di cellule tumorali neoformate.La distanza dalla parete capillare alla quale molte di esse vengono a trovarsi rende insufficiente l'apporto di ossigeno per diffusione: le cellule ipossiche risultano così più radioresistenti per l'impossibilità di innescare l'effetto ossigeno. Le aree in cui la pressione parziale di ossigeno è ridotta rappresentano una delle cause più importanti di insuccesso di radicalità di un trattamento radioterapico.La fase biologica è costituita dall'interazione tra i radicali liberi formatisi nella fase chimica e le macromolecole organiche, con il loro conseguente danneggiamento, ma è anche possibile che l'azione delle radiazioni avvenga direttamente sul DNA. Questo dipende essenzialmente dalla microdistribuzione spaziale dei processi di ionizzazione. Il Trasferimento Lineare di Energia (LET) indica la quantità di energia del fascio di radiazioni ceduta nell'unità di percorso. I raggi X, γ e gli elettroni sono radiazioni a basso LET, in quanto il rilascio di energia lungo la loro traiettoria avviene in maniera saltuaria e distanziata. La relativa rarità di biomolecole fa sì che il numero di esse che viene danneggiato per azione diretta da parte di queste radiazioni sia scarso; evento assai più probabile è che la biomolecola sia danneggiata dai radicali formatisi a seguito della radiolisi delle molecole d'acqua: l'effetto indiretto è infatti quello tramite cui, percentualmente, fotoni X, γ ed elettroni arrecano maggiori sequele alla cellula. Al contrario, le particelle quali i neutroni e gli ioni sono radiazioni ad alto LET, poiché cedono la loro energia in modo costante e ravvicinato lungo tutta la traccia di percorso; di conseguenza, sono in grado di interagire più probabilmente con una molecola bersaglio di elevato significato causandone un danno con effetto diretto, seppure queste radiazioni esercitino anche i danni mediati dalla radiolisi delle molecole d'acqua.Nella fase biologica, di fondamentale importanza è la compromissione degli acidi nucleici -con la rottura di una catena singola o di una catena doppia del DNA, o la distruzione di una base azotata -che inibisce la duplicazione cellulare attraverso il blocco o il rallentamento del processo di mitosi. Manifestazioni minori consistono nell'induzione di fenomeni di apoptosi o nella creazione di mutanti cellulari a loro volta incapaci di riprodursi. 88,89,90 