LA RADIOATTIVITA’

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 dell’International Committee on X-ray and Radium Protection 1932 Chadwick scopre il neutrone 1934 Primo isotopo radioattivo artificiale P-30 1938 Scoperta della fissione nucleare 1942 Pila di uranio e grafite: Fermi crea il prototipo del reattore nucleare

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 un’“orbita elettronica” (livello energetico) ben precisa. Gli elettroni hanno carica negativa.

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

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

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

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.

Il decadimento è quindi un fenomeno nucleare, anche se si parla poi in generale di atomi radioattivi  radionuclidi. A seguito di un decadimento l’atomo 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 l’atomo 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).

IN CHE FORMA E’ L’ENERGIA RILASCIATA? Particelle  (decadimento  ): nucleo di elio (He): 2 protoni e 2 neutroni. 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  (decadimenti ): positive o negative (positroni o elettroni provenienti dal nucleo). 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.

Le particelle : 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). 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.

NOTA: Esiste un terzo tipo di decadimento: la cattura elettronica, che sostanzialmente ha l’effetto sul nucleo di un decadimento + (diminuzione di un protone).

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).

Esempio di decadimento beta con emissione di raggi gamma

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

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 dell’85 % 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 all’attività di un elemento dal numero dei raggi  registrati dagli strumenti. Ricordare: un elemento che emette più raggi  ha una resa  per ogni raggio.

I RAGGI X Sempre in seguito a un decadimento può succedere che le particelle  o  o i raggi  interferiscano con gli elettroni dell’atomo  emissione di raggi X (fotoni) o di elettroni (l’atomo diventa ione positivo). I raggi X generati da un elemento hanno sempre la stessa energia (e sempre quella).

SPETTRO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE

RICORDARE I decadimenti sono  o , i raggi  sono una conseguenza, anche se sono originati anch’essi nel nucleo. Con il termine “radiazioni” vengono identificate tutte le emissioni di energia (, , , X). Dopo un decadimento l’atomo 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.

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

COME SI MISURA LA RADIOATTIVITA’ COME SI MISURA LA RADIOATTIVITA’? ATTIVITA’= numero di decadimenti o disintegrazioni nell’unità di tempo. L’unità di misura è il Bequerel: 1 Bq = 1 dis./sec esiste ancora la vecchia unità di misura (Curie): 1 Ci = 3,7  1010 Bq L’attività diminuisce nel tempo: se all’istante iniziale c’è un certo numero di decadimenti al secondo, dopo un po’ di tempo ce n’è un numero minore.

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 

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 l’attività si riduca alla metà dell’attività iniziale. N.B. A volte la diminuzione dell’attività nel tempo viene chiamata decadimento esponenziale dell’attività.

NON CONFONDERE DECADIMENTO NUCLEARE è il decadimento di un nucleo radioattivo in un altro elemento con l’emissione di energia (particelle , ecc…). DECADIMENTO (ESPONENZIALE) DELL’ATTIVITA’ indica solamente la diminuzione, secondo legge esponenziale, dell’attività di una sostanza radioattiva nel tempo.

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

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).

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 dell’atmosfera; 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).

Sorgenti artificiali di radiazioni ionizzanti Pratiche medico-diagnostiche. Fall-out da esplosioni nucleari in atmosfera negli anni ‘50-’60 (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.

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).

TUBO A RAGGI X (tubo catodico)

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

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

IMPIEGHI DELLA RADIOATTIVITA’ IN MEDICINA 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, …). 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 …).

IMPIEGHI DELLA RADIOATTIVITA’ NELL’INDUSTRIA 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).

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

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

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

QUALI SONO GLI EFFETTI DELL’ESPOSIZIONE? DETERMINISTICI si manifestano sull’individuo 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).

CONCETTI DI DOSIMETRIA Per “radiazioni” si intendono tutti i tipi di emissioni (, , raggi  e raggi X). La dose (dose assorbita) è l’energia 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.

L’esposizione è l’”antenata” della dose: si riferisce solo ai fotoni e solo in aria. Si misura in Roentgen (R). 1 R = 0.0087 Gy Quando invece ci si riferisce al corpo umano si parla invece di dose equivalente: è la dose già ponderata sull’effetto 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 l’equivalenza 1 Sv = 1 Gy. Non è così per particelle alfa, protoni e neutroni.

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).

Nel caso di esposizione di più individui si parla di dose collettiva 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.

NON CONFONDERE L’ATTIVITA’ (Bq) misura la quantità di energia emessa. La DOSE (Gy, Sv) misura l’energia depositata nella materia.

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.

Irradiazione dell’intero 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 %.

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 c’è un fattore circa 1000 di differenza

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

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 all’addome. POPOLAZIONE dose efficace 1 mSv/anno; cristallino 15 mSv/anno; pelle 50 mSv/anno.

UN PO’ DI STORIA…. (per chi volesse approfondire…) 1977: PUBBLICAZIONE ICRP 26 1990: PUBBLICAZIONE ICRP 60 1995: D.Lvo 17 marzo n° 230 1996: DIRETTIVA 96/29/EURATOM 1997: DIRETTIVA 97/43/EURATOM 2000: D.Lvo 27 maggio n° 241 2001: D.Lvo 9 maggio n° 257