Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza radiologica IL RISCHIO DA RADIAZIONI IONIZZANTI: ASPETTI FISICI Dr. Adolfo Esposito Esperto Qualificato dei Laboratori Nazionali di Frascati CORSO DI FORMAZIONE IN MATERIA DI SICUREZZA RADIOLOGICA

Argomenti trattati:  Scoperta della radioattività  Cessione di energia  Grandezze dosimetriche  Sistema di protezione radiologica  Limiti e criteri di scelta  Evoluzione dei limiti nel tempo  Sanzioni  D.Lgs.230/95  Esperto qualificato e suoi compiti  Cosa sono le radiazioni  Come vengono emesse o prodotte  Processi che portano al danno da radiazioni  Tipi di radiazioni Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

Negli stessi anni, già nel 1896 cominciarono a manifestarsi i primi segni dei danni da radiazioni Alla fine del XIX secolo, poco più di cento anni fa, in un lasso di tempo di circa tre anni, avvennero alcune fra le più importanti scoperte scientifiche in assoluto che avrebbero rivoluzionato la scienza moderna, permettendo l’estensione della speculazione scientifica dal mondo macroscopico al mondo microscopico. Scoperta della radioattività Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

Marie Curie Due anni più tardi Marie Curie, proseguendo gli studi iniziati da Becquerel, scoprì che anche altre sostanze godevano della stessa proprietà dell’uranio e fra queste il torio suggerendo nel contempo di chiamare tali sostanze radio (radium = raggio) attive. Nella prosecuzione dei suoi esperimenti notò che la pechblenda minerale contenente soltanto piccole quantità di sali di uranio manifestava un’attività radiante o radioattività maggiore di quella dei sali di uranio: ne dedusse la presenza di qualche specie chimica ignota. Con vari procedimenti chimici riuscì a separare il polonio e il radio La cui radioattività risultava rispettivamente 400 e di volte superiore a quella dei sali di uranio puri: utilizzando il radio con un semplice esperimento riuscì a stabilire la natura dei raggi emessi scoprendo che trattava di 3 tipi di radiazioni: la prima elettricamente carica negativamente, la seconda carica positivamente e la terza neutra. Associò a tali raggi le prime tre lettere dell’alfabeto greco  (alfa),  (beta),  (gamma). Henry Becquerel Nel 1896 Henry Becquerel durante gli esperimenti effettuati allo scopo di investigare sotto tutti gli aspetti i fenomeni legati alla luminescenza e/o fosforescenza di alcuni materiali e come detti fenomeni fossero in relazione con l’emissione di raggi X di cui recentemente (inizio 1896) era venuto a conoscenza (presentazione all’Académie des Sciences dei lavori e delle radiografie effettuate da W.C. Roentgen), scopri’ il fenomeno della radioattività. Durante i suoi studi notò casualmente che sali di uranio posti accanto a lastre fotografiche, chiuse nei loro contenitori a prova di luce, ne provocavano l’annerimento e subito ne dedusse che tali sali dovevano emettere dei raggi sconosciuti, molto più penetranti di quelli luminosi, la cui natura era simile ai raggi X. Notò altresì che tali raggi scaricavano rapidamente i corpi elettricamente carichi evidenziandolo attraverso misure del grado di avvicinamento delle foglie d’oro di un elettroscopio elettricamente carico in funzione del tempo di esposizione. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

Direttamente ionizzanti Radiazioni Indirettamente ionizzanti Radiazioni Luce visibile Calore Onde Radio Raggi cosmici Emissione particelle da una sorgente Caratteristica comune di tutti i tipi di radiazione è il trasporto di energia nello spazio. L’assorbimento di energia si manifesta in genere con un aumento locale della temperatura L’assorbimento di energia, attraverso i processi fisici di eccitazione e ionizzazione delle molecole dei tessuti viventi, può interferire con i processi biologici e può pertanto danneggiare il corpo umano è Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

e e e e e e ee e e e e Atomo secondo il modello di Rutheford L’atomo viene simbolicamente rappresentato con X A Z X = Specie fisica A = Numero di massa = Numero di nucleoni Z = Numero di protoniA - Z =Numero di neutroni Particella ionizzante e Ione negativo

Causa dell’emissione di radiazione La radiazione emessa da alcuni materiali deriva dalla instabilità della materia di alcuni elementi presenti in natura. Il loro ritorno alla normalità avviene con emissione di raggi  e/o  accompagnati alcune volte dall’emissione di raggi . Gli elementi che presentano tali proprietà si dicono radioelementi e l’emissione di radiazione viene chiamata decadimento radioattivo. Il fenomeno dell’emissione di radiazione da parte di isotopi radioattivi è regolato dalla cosiddetta legge del decadimento radioattivo secondo la quale, per ogni radionuclide, deve trascorrere un tempo caratteristico (tempo di dimezzamento) affinché il numero di atomi radioattivi di cui è costituito un materiale radioattivo si dimezzi. Il tempo di dimezzamento può essere compreso fra le frazioni di secondo e i milioni di anni. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

Radioactive decay

Tipi di radiazioni ionizzanti Raggi alfa o radiazione alfa I raggi  sono particelle cariche positivamente che vengono emesse nei decadimenti radioattivi.Esse sono costituite da due neutroni e due protoni; sono per loro natura facilmente fermate da un foglio di carta ovvero dallo strato morto della pelle. Sono pericolose soltanto se i materiali  -emettitori sono introdotti nell'organismo. Raggi beta o radiazione beta I raggi  sono elettroni o positroni emessi nei decadimenti radioattivi. Sono molto più penetranti delle particelle a ma possono essere fermati da sottili strati di materiali (acqua, vetro, metallo etc.). L’introduzione nel corpo di materiali  -emettitori può essere pericolosa ma molto meno di quella degli  -emettitori. Raggi X e gamma I raggi X e  sono radiazioni elettromagnetiche simili alla luce e alle onde ma di lunghezza d’onda più corta. I raggi X e  sono molto più penetranti dei raggi  e . Soltanto materiali ad alta densità quali il piombo sono in grado di fermarli. La pericolosità dei raggi X e , specialmente nel caso di irraggiamento esterno, è strettamente connessa con l’elevata capacità di penetrazione che essi hanno nei vari materiali, tessuti viventi compresi. Neutroni I neutroni sono particelle neutre cioè senza carica elettrica; sono molto penetranti, non ionizzano direttamente ma la loro interazione con la materia può generare particelle , ,  che a loro volta producono ionizzazione. I neutroni sono fermati da materiali leggeri quali acqua, paraffina, polietilene, e calcestruzzo in spessori più o meno grandi. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Corso di formazione in materia di sicurezza

Il fenomeno della radioattività può essere indotto artificialmente in nuclei stabili attraverso reazioni nucleari. Si parla di radioattività artificiale per distinguerla da quella naturale. Una reazione nucleare consiste nell’urto di una particella (in genere un protone, un neutrone, una particella o raggio  ) con un atomo della materia: la particella incidente viene assorbita, l’atomo colpito passa in uno stadio eccitato o ionizzato ritornando in un tempo più o meno lungo allo stadio fondamentale emettendo “raggi” o particelle e cambiando in genere natura diventando radioattiva. Radioattività artificiale

Sorgenti artificiali di radiazioni ionizzanti Sorgenti di radiazioni ionizzanti sono infine le macchine radiogene, apparecchiature nelle quali vengono accelerate particelle elementari cariche, che interagendo su opportuni bersagli producono i fasci di radiazione da utilizzare. L’esempio più noto è quello dei tubi a raggi X, utilizzati nella radiologia medica, ove fasci di raggi X vengono appunto prodotti per interazione degli elettroni accelerati con idonei bersagli di elevato numero atomico. Un tubo a raggi X non è altro che un piccolo acceleratore di elettroni emessi da un filamento riscaldato e poi accelerati verso l’anodo per mezzo di una differenza di potenziale. Questi elettroni quando arrivano sul bersaglio (l’anodo) danno origine a raggi X di frenamento, di tutte le energie fino a quella degli elettroni incidenti, cui si aggiungono i raggi X caratteristici dell’elemento di cui è costituito l’anodo, di energia ben definita.

Nuclear reactions Z+2 ,3n A+1 ,2n A+2 ,n A+3 Z+1p,n p,  d nn  ,np A+2 Z A Target nuclide n,  d,p A+1 Z d,  A-2 ,p n,.pn A n,p A Z-2 n,  A-3 , pn n,2n , n

Reazioni Nucleari

Energia delle radiazioni ionizzanti Una caratteristica importante delle radiazioni è la loro energia, che si misura, in Joule, o più comunemente e diffusamente in fisica delle radiazioni in elettronvolt ( simbolo eV). Un elettronvolt è l’energia che una carica elementare (protone o elettrone) acquisisce quando attraversa un campo elettrico con differenza di potenziale di 1 Volt. Multipli sono il keV (10 3 Volt), il MeV (10 6 Volt), il GeV (10 9 Volt) etc. Energia ceduta dalle radiazioni ionizzanti Gli effetti delle radiazioni ionizzanti si manifestano soltanto allorché si verifica una cessione di energia al mezzo attraversato. In particolare il danno subito dai tessuti biologici è in relazione all’energia assorbita per unità di massa. Di questa circostanza si tiene conto per mezzo della grandezza dose assorbita, D, definita come il quoziente tra l’energia media ceduta dalle radiazioni ionizzanti alla materia in un certo elemento di volume e la massa di materia contenuta in tale elemento di volume. La dose assorbita si misura in gray (simbolo Gy) Un gray corrisponde all’assorbimento di un joule in un kg di materia (1Gy =l J.kg -1 )

Il grado di rischio derivante dall’esposizione alle radiazioni ionizzanti non è soltanto proporzionale alla dose assorbita ma è anche fortemente legato al tipo di radiazione incidente e alla diversa radiosensibilità dei vari organi e tessuti irradiati. Per tener conto della diversa pericolosità delle radiazioni ionizzanti incidenti su tessuti viventi è stato necessario introdurrein passato il cosiddetto fattore di qualità della radiazione, Q. Si trattava di un parametro che teneva conto della pericolosità delle varie radiazioni ionizzanti rispetto alla radiazione di riferimento (fotoni), cui veniva assegnato per definizione un fattore Q=1 Il prodotto della dose assorbita D in un punto per il fattore di qualità Q prendeva il nome di equivalente di dose e veniva indicato con il simbolo H. L’equivalente di dose si misurava in sievert (simbolo Sv) (1Sv = 1J.kg -1 ) In realtà nella protezione radiologica si fa uso della dose assorbita in media in un organo corretta per la qualità della radiazione. Il fattore di correzione viene chiamato di peso per la radiazione W R. L’ equivalente di dose in un tessuto è dato dall’espressione

Fattori di peso per la radiazione 1

Dose efficace Per tener conto del rischio di effetti stocastici connesso con l’esposizione di tutti gli organi e tessuti di un individuo l’ICRP ha introdotto nella pubblicazione 60 la dose efficace Poiché il rischio totale individuale per effetti stocastici a basse dosi R e’ dato dalla somma dei rischi stocastici R T degli organi e tessuti irradiati nel corpo umano, nell’ipotesi di una relazione lineare fra dose ed effetto, si avrà: Dove W T e’ il fattore di ponderazione del tessuto. Dove r T e’ il rischio per unita’ di dose equivalente nell’organo o tessuto T.

Fattori di peso per i tessuti Tessuto o organoFattore di peso per i tessuti, w T Gonadi0,20 Midollo osseo (rosso)0,12 Colon0,12 Polmone0,12 Stomaco0,12 Vescica0,05 Mammella0,05 Fegato0,05 Esofago0,05 Tiroide0,05 Cute0,01 Superfici ossee0,01 Altri tessuti0,05 2,3 1 I valori sono stati derivati per una popolazione di riferimento composta da un ugual numero di persone dei due sessi e con un ampio intervallo d’età. Nella definizione della dose efficace i valori si applicano ai lavoratori, alla popolazione e ad ambedue i sessi.

Per tener conto della diversa radiosensibilita’ dei diversi organi e tessuti del corpo umano per gli effetti stocastici si introduce la dose efficace E, somma degli equivalenti di dose medi nei diversi organi e tessuti, H T, ciascuno moltiplicato per un fattore di ponderazione, W T, che tiene appunto conto della diversa radiosensibilità degli organi irraggiati. I valori assunti nel D.Lgs. 230/95 per i W T sono i seguenti: 0,25 per le gonadi 0,15 per le mammelle, 0,12 per il midollo osseo rosso e per il polmone, 0,03 per la tiroide e per le superfici ossee, 0,06 per ciascuno dei rimanenti 5 organi più irraggiati. Sulla dose efficace E vengono fissati i limiti di dose raccomandati dalla ICRP.

Nella tabella seguente viene riportata la sequenza di eventi che porta o può portare al danno da radiazioni. Dopo un breve accenno, a solo scopo propedeutico, agli effetti deterministici e stocastici della radiazioni ionizzanti, limiterò la mia esposizione alla parte riguardante i processi fisici primari.

Effetti acuti e tardivi Dovuti a variazioni funzionali e morfologiche dei tessuti Variazioni cellulari stabili ore/decenni Morte cellulare Trasformazioni maligne (perdita di capacita’ clonogena) (mutazioni, aberrazioni cromosomiche) Cellule staminali Cellule germinali EFFETTI GENETICI NEI DISCENDENTI Processi Fisici Primari (Ionizzazioni, eccitazioni) Lesioni chimiche di biomolecole DNA Neoplasie maligne - Leucemie - Tumori solidi Difetti ereditari di diversa gravita’ - malattie - malformazioni - difetti mentali EFFETTI SOMATICI NEI TESSUTI IRRADIATI Effetti deterministici Effetti stocastici ÷ secondi ÷ secondi secondi÷ore

DANNO CHIMICO RADIAZIONE H 2 O > H 2 O + + e - e - + H 2 O > H 2 O - H 2 O > H + + OH H 2 O > H + OH - H OH RH= Molecola organica Radicali liberi = atomi o raggruppamenti di atomi molto reattivi perché contengono un elettrone dispari RH + OH > R + H 2 O RH + H > R + H 2 RH > H + R Effetto diretto Ioni instabili Effetto indiretto

I processi di ionizzazione ed eccitazione degli atomi e molecole dei tessuti biologici possono causare modifiche sia a lungo sia a breve temine delle cellule irradiate. Nel caso una cellula subisca un danneggiamento senza un’adeguata riparazione, essa può perdere del tutto la sua capacita’ riproduttiva o morire subito, ovvero rimanere vitale ma modificata. Ne conseguono implicazioni profondamente diverse per l’organismo considerato nella sua interezza. Effetti dannosi La funzionalità della maggior parte degli organi o tessuti non e’ inficiata da diminuzioni anche consistenti del numero di cellule, tuttavia, nel caso di perdite sufficientemente elevate di cellule, si evidenzia senz’altro una menomazione della funzionalità dell’organo o tessuto in parola. Esiste comunque un valore di soglia al di sotto del quale tale effetto non si manifesta e al di sopra del quale la gravita’ del danno arrecato aumenta al crescere della dose.Questo tipo di effetto e’ detto deterministico: esiste cioè una connessione causale fra dose ed effetto. Le conseguenze sono del tutto diverse nel caso le cellule irradiate sopravvivano, anche se modificate, conservando comunque la capacita’ di riprodursi. Le cellule generate successivamente, dopo un periodo più o meno di latenza, possono degenerare provocando l’insorgenza di tumori, con probabilità crescente in funzione della dose ricevuta, proporzionalmente alla dose stessa, senza un valore di soglia e comunque per valori molto inferiori alla soglia per effetti deterministici. Questo tipo di effetto e’ detto stocastico: la probabilità di comparsa di tale effetto e’ cioè correlabile con la dose ricevuta soltanto sulla base di considerazioni statistiche Effetti deterministici Effetti stocastici

Dose Regione degli effetti stocastici Regione degli effetti deterministici Curva dose-effetto sugli esseri umani

Coefficienti nominali di probabilità per effetti stocastici

TIPI DI DANNO RADIOLOGICO Molecolare Subcellulare Cellulare Tessuto/Organo Animale in toto Popolazione di animali RNA DNA INTERFERENZE PROCESSI METABOLICI MEMBRANE NUCLEI CROMOSOMI MITOCONDRI LISOSOMI INIBIZIONE DIVISIONE CELLULARE MORTE CELLULARE DEGENERAZIONE MALIGNA SISTEMA NERVOSO MIDOLLO OSSEO INTESTINO INDUZIONE DI NEOPLASIE MORTE ACCORCIAMENTO DELLA VITA MUTAZIONI GENETICHE MUTAZIONI CROMOSOMICHE

Irradiazione esterna globale acuta

DL 50/30 UOMO MAIALE CANE BUE RATTO CONIGLIO TOPO POLLO CHIOCCIOLA AMEBA 4 Gy 2.8 ÷3.4 Gy 5.4 ÷8 Gy 10 Gy 100 Gy 1000 Gy

SORGENTI DI RADIAZIONE Sorgenti naturali Raggi cosmici Radiazione terrestre Sorgenti naturali modificate Case, tufo, gessi, ceneri carbon fossile, carbone Viaggi in aereo Sorgenti in prodotti di consumo Orologi, apparecchi TV, video terminali Protesi dentali Lenti Sorgenti da fall-put Produzione di energia elettrica Sorgenti diagnostica e terapia Sorgenti sui luoghi di lavoro Acceleratori, impianti speciali

EQUIVALENTE DI DOSE EFFICACE ANNUALE DOVUTO A SORGENTI NATURALI DI RADIAZIONI

Confronto fra vari tipi di rischio

ESPOSIZIONI A SORGENTI ARTIFICIALI ESPRESSE COME PERIODO EQUIVALENTE DI ESPOSIZIONE A SORGENTI NATURALI

Il sistema della protezione radiologica Principio di giustificazione Nessuna pratica che coinvolga esposizione alle radiazioni dovra’ essere adottata a meno che non produca beneficio sufficiente agli individui esposti o alla societa’ tale da compensare il detrimento radiologico che provoca. Principio di ottimizzazione In relazione ad una certa sorgente nell’ambito di una pratica, i valori delle dosi individuali, il numero delle persone esposte, e la probabilita’ delle esposizioni potenziali devono essere tutti mantenuti tanto bassi quanto ragionevolmente ottenibile, anche in considerazione di fattori sociali ed economici. ALARA ( as low as reasonably achievable). Principio di limitazione delle dosi individuali L’esposizione degli individui, dovuta alla combinazione di tutte le pratiche di interesse, deve essere soggetta a limiti di dose. Questi limiti hanno lo scopo di garantire che nessun individuo sia esposto a rischi radiologici che siano inaccettabili, in relazioni a tali pratiche in condizioni normali.

Grandezze usate in radioprotezione Dose equivalente all’organo T H T Dose efficace E Grandezze operative H*(10),H’(0.07) Hp(10) ALI Kkerma DDose assorbita  FluenzadN/da DAC Limite primario Garantisce ai singoli la limitazione degli effetti deterministici e mantiene entro livelli accettabili gli effetti stocastici Limite secondario Garantisce il rispetto del limite primario Limite derivato Garantisce il rispetto del limite primario e del Limite secondario Grandezze Limite Tipo di Limite

Criteri utilizzati nella scelta dei limiti di dose nell’esposizione professionale Limiti di baseConsiderazioni sociali Considerazioni sanitarie Inaccettabili Limite raccomandato EsposizioniTollerabili Accettabili

Evoluzione limiti equivalente di dose nel tempo

Limiti annuali raccomandati per il corpo intero per lavoratori professionalmente esposti Limiti di dose attuali

Rischio = Probabilità x Conseguenze 1/10 x 1 morto = 1/10 Stesso fattore di rischio 1/ x morti = 1/10 Considerati diversamente sotto il profilo dell’impatto psicologico

PREFISSI