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LA RADIOATTIVITA LA STORIA DELLA RADIOATTIVITA 1895 Roentgen scopre i raggi X 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale nella pecblenda 1898 Pierre.

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2 LA RADIOATTIVITA

3 LA STORIA DELLA RADIOATTIVITA 1895 Roentgen scopre i raggi X 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale nella pecblenda 1898 Pierre e Marie Curie estraggono il Radio dalla pecblenda 1899 Rutherford scopre le particelle alfa 1900 Villard scopre i raggi gamma 1912 Hess scopre i raggi cosmici 1915 La British Roentgen Society propone standard di protezione dalle radiazioni per lavoratori e popolazione 1925 Inizio della radioterapia per la cura del cancro 1927 Uso di traccianti radioattivi in diagnostica medica 1928 primo congresso dellInternational Committee on X-ray and Radium Protection 1932 Chadwick scopre il neutrone 1934 Primo isotopo radioattivo artificiale P Scoperta della fissione nucleare 1942 Pila di uranio e grafite: Fermi crea il prototipo del reattore nucleare

4 COME E FATTO UN ATOMO? Un atomo si può rappresentare come un nucleo centrale composto da protoni e neutroni. I protoni hanno carica elettrica positiva e i neutroni non hanno carica il nucleo ha carica positiva. Intorno al nucleo ci sono gli elettroni. Ogni elettrone sta su unorbita elettronica (livello energetico) ben precisa. Gli elettroni hanno carica negativa.

5 COME SI CARATTERIZZA UN ATOMO? Numero atomico: è il numero di protoni e quindi corrisponde alla carica (positiva) del nucleo. Massa atomica (o numero di massa): è la somma della massa del nucleo (protoni + neutroni); gli elettroni hanno massa trascurabile. Isotopi = stesso numero atomico ma diverso numero di massa (diverso numero di neutroni). numero atomico diverso elemento diverso

6 In condizioni normali le particelle sub atomiche: sono legate tra loro da forze di varia natura; possiedono precise quantità di energia latomo è stabile e elettricamente neutro (carica nucleo = carica elettroni).

7 Ci sono condizioni in cui un atomo non è più neutro o stabile: perdita/acquisto di elettroni latomo diventa uno ione positivo/negativo; nucleo energeticamente instabile nucleo radioattivo (anche se si parla genericamente di atomo radioattivo) = radionuclide

8 COSA E LA RADIOATTIVITA? Radioattività = emissione di energia da parte di un nucleo (fenomeno nucleare). Avviene quando il nucleo è energeticamente instabile e decade rilasciando energia per raggiungere un livello energetico stabile decadimento disintegrazione: processo di trasformazione di un nucleo radioattivo con rilascio di energia.

9 Il decadimento è quindi un fenomeno nucleare, anche se si parla poi in generale di atomi radioattivi radionuclidi. A seguito di un decadimento latomo radioattivo si trasforma in un atomo di un altro elemento perché viene modificato il numero di protoni nel nucleo (quindi cambia il numero atomico). Anche latomo a seguito del decadimento può non essere stabile si formano serie o catene radioattive (per es. le serie naturali U-238, Th- 232, U-235).

10 IN CHE FORMA E LENERGIA RILASCIATA? Il nucleo rimane con 2 protoni e 2 neutroni in meno il numero atomico diminuisce di 2, il numero di massa diminuisce di 4. Particelle (decadimento ): nucleo di elio (He): 2 protoni e 2 neutroni.

11 Nel decadimento - il nucleo rimane con un protone in più e un neutrone in meno il numero atomico aumenta di 1. Nel decadimento + il nucleo rimane con un protone in meno e un neutrone in più il numero atomico diminuisce di 1. Particelle (decadimenti ): positive o negative (positroni o elettroni provenienti dal nucleo).

12 Le particelle : Positive con carica 2+ corpuscolari grosse e poco penetranti nella materia; le particelle emesse da un nucleo di un determinato elemento hanno una ben precisa energia (e sempre quella) possibilità di spettrometria alfa. Le particelle : Positive o negative con carica 1+ o 1- corpuscolari più penetranti nella materia che le particelle ; le particelle emesse da un nucleo di un determinato elemento possono avere infiniti valori di energia fino a un valore massimo, tipico del radionuclide (Emedia = 1/3 Emax).

13 NOTA: Esiste un terzo tipo di decadimento: la cattura elettronica, che sostanzialmente ha leffetto sul nucleo di un decadimento + (diminuzione di un protone).

14 I RAGGI GAMMA Dopo un decadimento o il nucleo può riaggiustarsi energeticamente emissione di raggi. Sono fotoni (non corpuscolari) simili quindi ai raggi di luce ma molto più energetici. Attraverso i raggi il nucleo rilascia ulteriore energia. I raggi sono molto penetranti (attraversano muri o spessori metallici).

15 Esempio di decadimento beta con emissione di raggi gamma

16 Non sempre vengono emessi raggi, esistono anche elementi o emettitori puri. I raggi emessi da uno stesso elemento hanno sempre la stessa energia (e sempre quella) possibilità di spettrometria gamma. I raggi emessi da uno stesso elemento vengono emessi con una certa probabilità, fissa e tipica di ogni raggio (e non di ogni elemento) resa gamma

17 La resa indica la probabilità con cui un raggio viene emesso in seguito a un decadimento nucleare. Esempio: il Cs-137 ha una resa gamma dell85 % per il raggio a 662 keV; vuol dire che su 100 atomi di Cs-137 che decadono, verranno emessi solo 85 raggi. Questo è importante per risalire allattività di un elemento dal numero dei raggi registrati dagli strumenti. Ricordare: un elemento che emette più raggi ha una resa per ogni raggio.

18 I RAGGI X Sempre in seguito a un decadimento può succedere che le particelle o o i raggi interferiscano con gli elettroni dellatomo emissione di raggi X (fotoni) o di elettroni (latomo diventa ione positivo). I raggi X generati da un elemento hanno sempre la stessa energia (e sempre quella).

19 SPETTRO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE

20 RICORDARE I decadimenti sono o, i raggi sono una conseguenza, anche se sono originati anchessi nel nucleo. Con il termine radiazioni vengono identificate tutte le emissioni di energia (,,, X). Dopo un decadimento latomo diventa un atomo di un altro elemento (stabile o instabile). I raggi e i raggi X hanno origini diverse (nucleo e orbite elettroniche) ma fisicamente sono la stessa cosa (fotoni) si misurano allo stesso modo.

21 NON CONFONDERE Perdita/acquisto di elettroni IONI FENOMENO ATOMICO Decadimento nucleare perdita/acquisto di protoni e neutroni (anche nei decadimenti beta) atomi di elementi diversi (non necessariamente ionizzati) FENOMENO NUCLEARE

22 COME SI MISURA LA RADIOATTIVITA? ATTIVITA= numero di decadimenti o disintegrazioni nellunità di tempo. Lunità di misura è il Bequerel: 1 Bq = 1 dis./sec esiste ancora la vecchia unità di misura (Curie): 1 Ci = 3, Bq Lattività diminuisce nel tempo: se allistante iniziale cè un certo numero di decadimenti al secondo, dopo un po di tempo ce nè un numero minore.

23 QUESTA DIMINUZIONE HA LEGGE ESPONENZIALE A(t) = A(0) e - t = costante di decadimento = tempo di decadimento = 1/ T(1/2) = tempo di dimezzamento = 0,693

24 Il valore di indica la probabilità che un nucleo radioattivo ha di decadere; graficamente rappresenta la pendenza della curva, la ripidità di discesa. T(1/2) indica il tempo necessario perché lattività si riduca alla metà dellattività iniziale. N.B. A volte la diminuzione dellattività nel tempo viene chiamata decadimento esponenziale dellattività.

25 NON CONFONDERE DECADIMENTO NUCLEARE è il decadimento di un nucleo radioattivo in un altro elemento con lemissione di energia (particelle, ecc…). DECADIMENTO (ESPONENZIALE) DELLATTIVITA indica solamente la diminuzione, secondo legge esponenziale, dellattività di una sostanza radioattiva nel tempo.

26 RICORDARE Il decadimento è un fenomeno probabilistico. Un atomo radioattivo ha una certa probabilità di decadere nellunità di tempo (espressa dalla ) ma non è detto che lo faccia. Più ci sono atomi radioattivi, più cè probabilità che un alto numero di essi decada nellunità di tempo.

27 Dove si usa la radioattività? Produzione di energia (reattori nucleari); medicina (diagnostica e terapia); agricoltura (tecniche antiparassitarie e fertilizzanti; irraggiamento di alimenti); industria (radio e gamma grafie; misuratori di spessore e di livello; trasformazione di materiali); ambiente (dispersione di inquinanti; mappatura falde acquifere; accumulo di sedimenti); archeologia (datazione con C-14 o con termoluminescenza); geologia (datazioni e stratigrafia); sicurezza (aeroporti; rivelatori di fumo); ricerca scientifica e tecnologica (struttura della materia; processi chimico-fisici e biologici).

28 Sorgenti naturali di radiazioni ionizzanti Raggi cosmici (provengono dallo spazio; protoni e positroni che producono mesoni, elettroni, fotoni, protoni e neutroni; dose massima a 20 km dal suolo). Radioisotopi cosmogenici (interazione dei raggi cosmici con atomi e molecole dellatmosfera; H-3, Be-7, C-14, Na-22). Radioisotopi primordiali (presenti nella crosta terrestre; formatisi con la formazione della terra; U- 238, U-235, Th-232, K-40).

29 Sorgenti artificiali di radiazioni ionizzanti Pratiche medico-diagnostiche. Fall-out da esplosioni nucleari in atmosfera negli anni (520 esplosioni in totale); Cs-137 e Sr-90 danno ancora contributo alla dose. Produzione di energia (nucleare, carbone, petrolio, gas naturale, torba, geotermia). Dispositivi industriali. Incidenti.

30 COME SI PRODUCE LA RADIOATTIVITA ARTIFICIALE? Tubo a raggi X o macchina radiogena o tubo radiogeno (elettroni accelerati che impattano su un anodo metallico). Reattore nucleare. Attivazione (bombardamento di atomi con particelle cariche o neutroni).

31 TUBO A RAGGI X (tubo catodico)

32 COME FUNZIONA UN TUBO RADIOGENO? In un tubo a raggi X cè un filamento (catodo) che riscaldato emette elettroni. Gli elettroni vengono attirati verso un bersaglio metallico (anodo) da una differenza di potenziale. Impattando contro lanodo perdono lenergia in loro possesso (tutta o in parte).

33 Entrambi i fenomeni concorrono alla produzione di raggi X. (1) Lenergia persa si trasforma in raggi X, che possono avere infiniti valori di energia fino allenergia massima pari allenergia degli elettroni. (2) Lenergia persa eccita gli atomi dellanodo che emettono a loro volta raggi X di una ben precisa energia che dipende dal tipo di materiale di cui è fatto lanodo.

34 IMPIEGHI DELLA RADIOATTIVITA IN MEDICINA DIAGNOSTICA radiografie (tubi a raggi X); TAC (tubi a raggi X); medicina nucleare: scintigrafie (radioisotopi emettitori: Tc-99m, I- 131, …) e PET (radioisotopi emettitori di positroni: F-18, O-15 …). TERAPIA irraggiamento esterno: sorgenti (Co-60, Cs-137) e acceleratori (irraggiamento con elettroni); irraggiamento interno: terapia metabolica (I- 131, Sr-89, P-32) e brachiterapia (Ir-192, …).

35 IMPIEGHI DELLA RADIOATTIVITA NELLINDUSTRIA Radiografie (tubi a raggi X). Gammagrafie (Co-60, Ir-192, Cs-137, Se-75). Analizzatori di leghe (Fe-55, Cd-109). Misuratori di grammatura/spessore di tessuti/carta (Sr-90, Am-241, Kr-85). Rivelatori di fumo (Am-241). Ricerca (I-125, C-14, … sorgenti non sigillate).

36 COME CI SI ESPONE? irraggiamento esterno; introduzione ingestione inalazione; assorbimento transcutaneo; ferita.

37 COME CI SI DIFENDE DALLIRRAGGIAMENTO ESTERNO? tempo di esposizione minimo; distanza massima dalle sorgenti; utilizzo di schermature; utilizzo di dosimetri personali (film- badge, penne, TLD).

38 COME CI SI DIFENDE DALLINTRODUZIONE? non mangiare, bere, fumare, ecc. nei laboratori; utilizzo di guanti, soprascarpe, mascherine, ecc.; monitoraggio dellaria; controlli periodici o occasionali sui lavoratori (TBC, misura escreti e liquidi organici, tamponi nasali o faringei).

39 QUALI SONO GLI EFFETTI DELLESPOSIZIONE? DETERMINISTICI si manifestano sullindividuo esposto superata una certa dose (effetti a soglia); la gravità aumenta con la dose (eritemi, …); immediati; somatici. STOCASTICI la probabilità aumenta con la dose; sono sempre gravi; tardivi; somatici (leucemie, tumori) e genetici (malformazioni sui discendenti).

40 CONCETTI DI DOSIMETRIA Per radiazioni si intendono tutti i tipi di emissioni (,, raggi e raggi X). La dose (dose assorbita) è lenergia depositata dalla radiazione nella materia. La dose quindi si misura in energia/massa Joule/kg Gray (Gy). Il concetto di dose vale per ogni tipo di radiazione e per ogni tipo di materia.

41 Lesposizione è lantenata della dose: si riferisce solo ai fotoni e solo in aria. Si misura in Roentgen (R). 1 R = Gy Quando invece ci si riferisce al corpo umano si parla invece di dose equivalente: è la dose già ponderata sulleffetto che i diversi tipi di radiazione possono avere sui diversi tipi di tessuto del corpo umano. La dose equivalente si misura in Sievert (Sv), che è sempre energia/massa. In prima approssimazione per fotoni e per elettroni si ha lequivalenza 1 Sv = 1 Gy. Non è così per particelle alfa, protoni e neutroni.

42 La dose efficace è la dose equivalente riferita a tutto il corpo intero. La dose efficace si misura sempre in Sievert (Sv). Nel caso di esposizioni prolungate la dose impegnata è la dose integrata sul tutto il periodo di esposizione. La dose impegnata si misura in Sievert (Sv).

43 Nel caso di esposizione di più individui si parla di dose collettiva. E il prodotto tra la dose presa in totale dalla popolazione e il numero di individui della popolazione stessa. La dose collettiva si misura in Sv * persona. Una dose collettiva alta può significare che pochi individui di una popolazione ricevono tanta dose oppure tanti ne ricevono poca.

44 NON CONFONDERE LATTIVITA (Bq) misura la quantità di energia emessa. La DOSE (Gy, Sv) misura lenergia depositata nella materia.

45 DOSI SOGLIA (per effetti deterministici) Dose equivalente (ICRP 60, 1990): cristallino: 0,5-2 Sv per opacità visibili fino a 5 Sv per cataratta; testicoli: da 0,15 Sv per sterilità temp. 3,5-6 Sv per sterilità perm.; ovaie: da 2,5 a 6 Sv per sterilità.

46 Irradiazione dellintero organismo: 0,25 Gy: no sintomi; 0,5 Gy: nausea e malessere lievi; 1 Gy: nausea e a volte vomito, astenia, affaticamento; 2 Gy: sindrome acuta da radiazioni; 4 Gy: DL 50 %.

47 DOSI MEDIE ANNUALI raggi cosmici 4000 m : 2 mSv; raggi cosmici 1000 m : 0,44 mSv; raggi cosmici 0 m : 0,27 mSv; ingestione C-14 : 0,012 mSv; introduzione di K-40 : 0,165 mSv; introduzione primordiali : 0,06 mSv; Radon : 0,3-2,5 mSv; diagnostica medica : 1 mSv; diagnostica dentale : 0,01 mSv. Tra le dosi soglia e le dosi medie annuali cè un fattore circa 1000 di differenza

48 PRINCIPI DI RADIOPROTEZIONE (ICRP 60,1990) ICRP (1928):gruppo internazionale per tenere sotto controllo i problemi della radioprotezione 1i benefici di ogni irradiazione accettabile devono superare i danni; 2lirradiazione deve essere mantenuta ai livelli più bassi ragionevolmente ottenibili (ALARA); 3non devono essere superati i limiti di dose raccomandati dallICRP. Questi principi sono stati ripresi dalla normativa italiana (D.Lvo 230/95 e D.Lvo 241/2000).

49 LIMITI DI DOSE (ICRP 60) (ripresi dalla normativa italiana) LAVORATORI dose efficace 20 mSv/anno; cristallino 150 mSv/anno; pelle 500 mSv/anno mani e piedi 500 mSv/anno; donne in gravidanza 2 mSv alladdome. POPOLAZIONE dose efficace 1 mSv/anno; cristallino 15 mSv/anno; pelle 50 mSv/anno.

50 UN PO DI STORIA…. (per chi volesse approfondire…) 1977: PUBBLICAZIONE ICRP : PUBBLICAZIONE ICRP : D.Lvo 17 marzo n° : DIRETTIVA 96/29/EURATOM 1997: DIRETTIVA 97/43/EURATOM 2000: D.Lvo 27 maggio n° : D.Lvo 9 maggio n° 257


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