ESA LE BASI FISICHE DELLA RADIOPROTEZIONE

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1 ESA Unità Didattica n _2 LE BASI FISICHE DELLA RADIOPROTEZIONE A cura di MARIA GUERRISI

2 UNITA DUE: LE BASI FISICHE DELLA RADIOPROTEZIONE 2.1 La struttura della materia: Atomi, molecole, ioni, isotopi La materia è costituita dalla combinazione di un certo numero di elementi raggruppati e classificati, con il loro simbolo chimico, nel sistema periodico. In tabella i simboli di alcuni elementi chimici. elementochimico simbolo elemento chimico simbolo idrogeno H stronzio Sr elio He iodio I calcio Ca cesio Cs carbonio C radon Rn ossigeno O radio Ra potassio K uranio U ferro Fe plutonio Pu Con il termine atomo si indica la più piccola quantità di un elemento che conserva tutte le caratteristiche chimiche e fisiche dell'elemento stesso. L atomo è costituito da un nucleo centrale con carica elettrica positiva, circondato da elettroni con carica elettrica negativa (detta anche nuvola elettronica) in numero tale che il complesso risulti elettricamente neutro. Il nucleo, nel quale è praticamente concentrata tutta la massa di un atomo, è a sua volta costituito da neutroni e protoni, che sono all'incirca della stessa massa, ma con diverse caratteristiche elettriche: il neutrone è infatti elettricamente neutro, mentre il protone è carico positivamente. La struttura di un atomo è di consueto indicata con il simbolo: A ZX, in cui X è il simbolo chimico dell'elemento considerato, A è il numero di massa, cioè il numero totale di protoni e neutroni del nucleo, e Z è il numero atomico dell'elemento, cioè il numero dei protoni del nucleo o, ciò che è lo stesso, il numero di elettroni che circondano il nucleo. Conseguentemente, la differenza A-Z esprime il numero di neutroni che si trovano nel nucleo. 2

3 L atomo può essere immaginato come un sistema planetario, costituito dagli elettroni in movimento attorno al nucleo (vedi figura). A differenza di quanto avviene nei moti astronomici, gli elettroni possono ruotare solo su particolari orbite, ellittiche o circolari, di dimensioni lineari molto maggiori di quelle del nucleo. Ad esse corrispondono livelli energetici (o quantici) ben definiti, che vengono indicati in due modi,o per mezzo di lettere (K, L, M, N,O, P, Q), o per mezzo di numeri (l, 2, 3, 4, 5,6,7). Per descrivere tuttavia in modo completo lo stato energetico di un elettrone, sono necessari quattro numeri quantici (n, l,m,s) tra loro indipendenti. Secondo il principio di Pauli in un atomo non possono coesistere ele-ttroni identici, cioè con i quattro numeri quantici uguali. Gli elementi chimici si differenziano per il numero di protoni nel nucleo. Quelli naturali sono 92: il più leggero, l idrogeno, contiene un solo protone; il più pesante, con 92 protoni, è l'uranio. Gli elementi conosciuti sono poco più di cento, i rimanenti sono stati prodotti artificialmente. Atomo di elio (He): Nucleo: 2 protoni ; 2 neutroni Nuvola elettronica: 2 elettroni Atomo di Uranio (U): Nucleo: 92 protoni;146 neutroni Nuvola elettronica: 92 elettroni 3

4 Quando due o più atomi si uniscono, si forma una molecola. Due atomi d'idrogeno (H) e un atomo d'ossigeno(o), per esempio, formano una molecola d acqua (H 2 O) Ionizzazione Se il numero di elettroni esterni è uguale al numero di protoni nel nucleo, l atomo nel suo insieme è neutro, ovvero privo di carica; se tale numero, invece, è superiore o inferiore, l'atomo ha rispettivamente una carica negativa o positiva, ovvero è ionizzato. Con il termine di ionizzazione si indica il processo per il quale un atomo o una molecola possono perdere o acquistare elettroni, dando luogo a particelle che prendono il nome di ioni per il fatto e si pongono in movimento quando sono sottoposti all'azione di un campo elettrico. Uno ione è elettricamente carico e la sua carica è appunto determinata dal numero di elettroni perduti od acquistati nel processo di ionizzazione. Quando un atomo o una molecola perdono un elettrone si ha come conseguenza la creazione di una coppia di ioni: l'elettrone libero e il residuo atomico (carico positivamente). Un atomo in cui il numero degli elettroni esterni è superiore o inferiore a quello dei protoni nel nucleo, è uno ione Isotopi È stato già detto che a tutt'oggi sono noti più di 100 elementi, ognuno dei quali è caratterizzato dal suo numero atomico Z. È stato peraltro trovato che esistono elementi con lo stesso numero atomico ma con diversi numeri di massa A; ad essi si dà il nome di isotopi. Gli isotopi un dato elemento, che possono essere uno o più di uno hanno lo stesso numero di protoni e differiscono per il numero dei neutroni contenuti nel nucleo; conseguentemente, hanno masse atomiche differenti. Tra essi, alcuni sono instabili, vale a dire posseggono un eccesso di energia che viene liberata sottoforma di particelle e/o radiazioni elettromagnetiche con un processo di decadimento o disintegrazione che prende il nome di radioattività. Tra le particelle esistenti nell'interno del nucleo si esercitano forze di diversa natura, quali le forze repulsive tra i protoni (di natura Coulombiana), che sono relativamente a lungo raggio, e le forze attrattive tra protoni e neutroni (di natura nucleare), che sono a corto raggio. Le prime tendono ad allontanare i protoni l'uno dall altro, le seconde a tenere uniti nel nucleo i neutroni e i protoni: è dalla loro risultante, quindi, che si determina se una certa composizione del rapporto neutroni-protoni è da considerarsi 4

5 stabile, o no. Sperimentalmente si è riscontrato che per gli elementi più leggeri, nei quali i protonì e i neutroni sono all'incirca in ugual numero, si ha una grande stabilità; negli elementi con numero atomico maggiore di 20, invece, per avere un nuclide stabile è necessario che ci sia un eccesso di neutroni. Gli isotopi sono indicati aggiungendo al simbolo dell'elemento la somma dei protoni e dei neutroni contenuti. Sono per esempio noti 8 isotopi del carbonio: tutti hanno 6 protoni, ma un numero diverso di neutroni nel nucleo. Quello più frequente in natura è il carbonio-12, con 6 neutroni. Isotopi dell'idrogeno Idrogeno Deuterio Trizio (radioattivo) H-1 1 protone nessun neutrone 1 elettrone H-2 1 protone 1 neutrone 1 elettrone H-3 1 protone 2 neutroni 1 elettrone 5

6 Per designare nuclei della stessa composizione si è coniato il termine di nuclidi. Anche i nuclei d'isotopi sono dei nuclidi. Attualmente si conoscono ca nuclidi. Gli atomi di un elemento che si differiscono soltanto per il numero di neutroni sono detti isotopi di questo elemento. Gli isotopi di un elemento presentano proprietà chimiche quasi identiche, ma proprietà fisiche diverse: certi isotopi sono radioattivi 2.2 Radioattività - Sorgenti di Radiazioni Dei ca nuclidi oggi conosciuti, solo 250 sono stabili. Gli altri si trasformano, ossia si disintegrano da soli, indipendentemente da influssi esterni. Questi nuclidi instabili sono radioattivi e sono denominati radionuclidi. La loro disintegrazione, che non può essere arrestata né influenzata, nella maggior parte dei casi produce atomi di un altro elemento. Tali atomi possono essere stabili oppure a loro volta radioattivi (in questo caso si parla di prodotti di decadimento radioattivi). Esistono radionuclidi naturali e radionuclidi prodotti artificialmente. Carbonio-12 6 protoni 6 neutroni Stabile Carbonio-13 6 protoni 7 neutroni stabile Carbonio-14 6 protoni 8 neutroni radioattivo Piombo protoni 124 neutroni stabile Radon protoni 136 neutroni radioattivo Radio protoni 138 neutroni radioattivo Uranio protoni 143 neutroni radioattivo Uranio protoni 146 neutroni radioattivo 6

7 La maggior parte degli elementi ha uno o più isotopi stabili. Tutti gli elementi hanno inoltre un numero più o meno elevato di isotopi radioattivi. Così, per esempio, l'idrogeno comune e il deuterio sono stabili, mentre il trizio è radioattivo; il carbonio-12 e il carbonio-13 sono stabili, mentre il carbonio-14 è radioattivo; il cesio ha un solo isotopo stabile (ossia il cesio-133). mentre se ne conoscono oltre 30 radioattivi (tra cui il cesio-134 e il cesio-137, entrambi di origine artificiale); non esiste alcun isotopo stabile né del radon né dell'uranio. I nuclei radioattivi si disintegrano. Questo processo viene chiamato decadimento radioattivo. Il processo di decadimento produce quasi sempre nuclei di un altro elemento La legge del decadimento radioattivo Non è possibile prevedere quando un nucleo radioattivo inizia a disintegrarsi. Si conosce invece il tempo necessario perché un elevato numero di nuclei di una sostanza radioattiva diminuisca della metà. Questo periodo, detto tempo di dimezzamento (fisico), è caratteristico di ogni radionuclide e oscilla tra poche frazioni di secondo e miliardi di anni Esempi di radionuclidi e dei loro tempi di dimezzamento Radionuclidi naturali T 1/2 Radionuclidi artificiali T 1/2 Carbonio anni Stronzio anni Potassio-40 1,3 miliardi di anni lodio giorni Radon-222 3,8 giorni Cesio anni Radio anni Cesio anni Uranio milioni di anni Plutonio anni Uranio-238 4,5 miliardi di anni Il tempo di dimezzamento di un radionuclide è il periodo necessario affinché una data quantità iniziale di nuclei diminiuisca della metà. 7

8 Per illustrare meglio il significato di tempo di dimezzamento, facciamo un esempio: una data quantità di iodio-131 si è ridotta della metà dopo 8 giorni, come pure la sua radioattività. Dopo 16 giorni, quantità e attività sono ridotte di un quarto, dopo 24 giorni di un ottavo, dopo 32 giorni di un sedicesimo, dopo 3 mesi a meno di un per mille (sempre in rapporto alla quantità e all'attività iniziali). ecc. Da ogni atomo di iodio si è formato un atomo di xeno. Lo iodio-131 sprigionatosi dalla catastrofe di Cernobyl, dopo alcuni mesi si era quasi disintegrato, mentre il cesio-137, pure fuoriuscito dalla centrale sovietica, è tuttora rilevabile (e continuerà ad esserlo, visto il suo tempo di dimezzamento di quasi 30 anni) soprattutto nel suolo Decadimenti nucleari e radiazioni ionizzanti Disintegrandosi, i radionuclidi emettono particelle ad alta velocità che, ionizzando il materiale circostante, venqono frenate. La presenza di una particella permette di stabilire che vi è stata una disintegrazione. L'impiego di campi magnetici ha permesso di stabilire che esistono tre distinti tipi di radiazioni naturali indicate come radiazioni alfa ( ), beta ( ) e gamam ( ). I due tipi di disintegrazione più importanti sono il decadimento alfa ( e il decadimento beta ( ). Spesso, l'emissione di queste particelle è accompagnata anche da radiazioni elettromagnetica gamma ( 8

9 La disintegrazione nucleare comporta l'emissione di particelle alfa o beta e spesso anche di raggi gamma. Tipi di decadimento Decadimento alfa (particelle alfa) Nel corso di un decadimento alfa viene emesso dal nucleo del radionuclide una particella alfa. Le particelle, che vengono emesse con una energia ed un tempo di dimezzamento caratteristici per ogni emettitore, sono nuclei di elio (due protoni e due neutroni) e hanno carica positiva: Raggi alfa vengono emessi p. es. durante la disintegrazione del radon- 222, dell'uranio- 238 e del plutonio-239. Decadimento beta (particelle beta) Le particelle non sono altro che elettroni, emessi da nuclei instabili di atomi radioattivi. Questa emissione può constare sia di elettroni negativi, che di elettroni positivi (positroni). Con il termine di particella si comprendono gli uni e gli altri, in quanto differiscono solo per il segno della carica, avendo la stessa massa di riposo. Contrariamente a quanto avviene per le particelle, le particelle non sono emesse con energia ben determinata, ma con uno spettro continuo fino ad un valore massimo di energia caratteristico per ogni radioisotopo. Le radiazioni beta vengono emesse p. es. durante la disintegrazione del trizio, del carbonio- 14, del potassio-40, dello stronzio-90, del cesio-134 e del cesio-137. Radiazione gamma He 4 2 I decadimenti alfa e beta sono spesso accompagnati dall'emissione di raggi gamma, vale a dire radiazioni elettromagnetiche come i raggi X, i raggi ultravioletti delle lampade o la luce del sole. La radiazione gamma accompagna p. es. la disintegrazione del potassio- 40, del cesio-134 e del cesio-137, ma anche la disintegrazione alfa dell'uranio-238 e dei suoi prodotti di decadimento Proprietà delle particelle alfa, beta, dei raggi X e gamma Di seguito verranno esaminate, con qualche dettaglio, le proprietà dei tre tipi di radiazioni,e cioè delle particelle alfa, beta, e gamma relativamente agli aspetti legati ai pericoli che possono derivarne, di maggiore interesse per la 9

10 radioprotezione. Accanto alle proprietà della radiazione gamma verranno esaminate anche le proprietà dei raggi X. Particelle alfa( ) Le particelle provenienti da atomi radioattivi naturali sono emesse con velocità dell'ordine di 1/20 di quella della luce. Hanno quindi energie cinetiche considerevoli generalmente comprese tra 4 e 9 MeV. Interagendo con la materia questa energia viene perduta per ionizzazione e per eccitazione degli atomi della sostanza attraversata. Nell'aria, la radiazione alfa ha una portata di alcuni centimetri, nel corpo umano, di frazioni di millimetro. Di conseguenza una particella è in grado di formare un numero (ionizzazione specifica) elevato di coppie di ioni per unità di percorso. Pericolosità delle particelle alfa ( ): Ogni volta che si considera il rischio di un danno biologico conseguente a radiazioni, si distinguono due modi di interazione con la materia vivente: l'irradiazione esterna e la contaminazione interna. Esse possono presentare un ben diverso grado di pericolosità, come si verifica, in particolare per le particelle, che, dal punto di vista dell irradiazione esterna, risultano poco pericolose. Data la scarsa penetrazione in sostanze dense, le particelle emesse da radioelementi, anche quelle di più alta energia, riescono al massimo a penetrare lo 10

11 strato morto della pelle del corpo umano e non raggiungono il tessuto vivente: non si ha quindi rischio di danno biologico. Dal punto di vista della contaminazione interna, di contro, esse rappresentano un grave pericolo. La scarsa penetrazione nelle sostanze dense, ora che la sorgente è circondata da tessuto vivente, conduce infatti ad una concentrazione dell'effetto intorno al punto di origine delle particelle, dal momento che tutta l'energia delle verrà assorbita in quella zona e non potrà distribuirsi su una massa più grande del tessuto: se quindi una sorgente si fissa in un organo, piccolo ma essenziale, del corpo umano, quest'ultimo potrà esserne gravemente danneggiato. Particelle ( ) Anche le particelle beta (elettroni) interagiscono con la materia fino a perdere tutta la loro energia cinetica, per eccitazione e ionizzazione degli atomi della sostanza attraversata. Inoltre quando i raggi hanno energie elevate l interazione con i nuclei porta all'emissione di raggi X. Rispetto alle particelle, le particelle hanno una massa molto più piccola (circa 1/7300) e una carica ½, per cui le interazioni risultano meno frequenti e la ionizzazione specifica dei raggi è, a parità di altre condizioni, minore di quella delle particelle. Le particelle beta sono più penetranti delle particelle alfa. Nell'aria possono percorrere metri, nel corpo umano alcuni millimetri. In aria i valori della ionizzazione specifica per gli elettroni (particelle ) variano da coppie ioni/cm, contro le corrispondenti coppie ioni/cm, per le particelle. Pericolosità delle particelle beta ( ): I raggi possono costituire un rischio di danno biologico per quanto concerne sia l'irradiazione esterna sia la contaminazione interna. Nel caso di irradiazione esterna si distinguono due processi: a) radiazione diretta: è noto infatti che, per superare lo strato morto della pelle e giungere fino ai tessuti viventi, sono sufficienti b con energie sopra i 70 kev. Tuttavia, i raggi diretti non vengono considerati come un grave pericolo, in quanto possono essere facilmente schermati (basta uno spessore di alluminio); b) radiazione indiretta di frenamento: le schermature previste per fermare i fasci diretti di particelle ad energia relativamente alta possono costituire un pericolo per i raggi X emessi conseguentemente. Si può tuttavia ridurre l'entità di questa radiazione scegliendo opportune sostanze schermanti. Anche nel caso della contaminazione interna le particelle non sono considerate troppo pericolose; quanto meno, non rappresentano un pericolo così grave come le 11

12 . Questo in quanto, pur avendo una maggiore penetrazione nel tessuto vivente, hanno una ionizzazione specifica di gran lunga minore: l'energia perduta viene quindi distribuita su una massa di tessuto molto maggiore, con minore rischio di danno biologico. Raggi gamma ( ) e Raggi X I raggi X e sono onde elettromagnetiche, come la luce visibile. Al pari della luce visibile, si propagano nel vuoto con velocità c = 3 x 10 8 m/s, ma si distinguono dalla luce visibile e dalle altre onde elettromagnetiche per la frequenza molto elevata. Poiché l energia trasportata dalle onde elettromagnetiche è direttamente proporzionale alla frequenza, dal punto di vista della radioprotezione si fa riferimento ai raggi X e gamma perché, data la loro elevata energia, sono capaci di ionizzazione la materia che attraversano e quindi presentano possibilità di pericolo. Occore precisare che, data la loro diversa natura, i meccanismi attraverso i quali i raggi X e gamma ionizzano la materia sono diversi da quelli delle particelle alfa e beta. In generale, la radiazione gamma è più penetrante della radiazione alfa o beta. Attraversando la materia. l'intensità dei raggi gamma si attenua lentamente. Se la sua energia è molto alta, la radiazione gamma può penetrare nell'aria per centinaia di metri e nella materia fino a circa un metro. Pericolosità delle radiazioni X e gamma ( ): I rischi di danno biologico e genetico conseguenti a radiazioni X e, sono strettamente connessi con l elevata capacità di penetrazione che esse hanno in aria e nel tessuto vivente. Dal punto di vista della contaminazione interna, il fatto che i raggi X e siano molto penetranti rappresenta un elemento positivo, analogamente a quanto visto per le 12

13 particelle nel senso che l energia ceduta al tessuto risulta distribuita su un più vasto volume, con conseguente minore pericolosità. Dal punto di vista dell irraggiamento, al contrario, i fotoni presentano un alto grado di pericolosità per due distinti motivi: a) Perché penetrano, con scarso assorbimento, fino a distanze abbastanza grandi dalla sorgente, conseguente necessità di schermature molto più consistenti di quelle usate per le particelle e ; b) Perché, data la facilità con cui attraversano la materia, i tessuti più radiosensibili del corpo risultano esposti ai campi di radiazione esterna, con una possibilità di danno biologico che non rimane limitata, come nel caso delle particelle e, ai tessuti superficiali meno importanti. E infine importante considerare la discontinuità dell interazione dei fotoni con la materia, per la quale, al contrario di quanto avviene con le particelle e, non si ha una scia continua di ioni secondari lungo la traiettoria. Ne segue che, per un organo di piccole dimensioni, il danno biologico provocato da una radiazione sarà minore di quello provocato da una sorgente uguale di radiazioni e. Riepilogando La capacità di ionizzare e di penetrare all interno della materia dipende dall energia e dal tipo di radiazione emessa, e dalla composizione e dallo spessore del materiale attraversato. Le radiazioni alfa (2 protoni + 2 neutroni) possiedono un'elevata capacità ionizzante e una limitata capacità di diffusione in aria, possono essere bloccate con un foglio di carta o un guanto di gomma. Sono pericolose per l organismo se si ingeriscono o inalano sostanze in grado di produrle. Le radiazioni beta (elettroni) sono più penetranti rispetto a quelle alfa -circa un metro in aria e un cm sulla pelle-, possono essere fermate da sottili spessori di metallo, come un foglio di alluminio, o da una tavoletta di legno di pochi centimetri. Le radiazioni x e gamma (fotoni emessi per eccitazione all interno del nucleo o all interno dell atomo) attraversano i tessuti a seconda della loro energia e richiedono per essere bloccate schermature spesse in ferro, piombo e calcestruzzo. 13