Radioattivita (radiazioni ionizzanti) e salute. 1a parte

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Flavia Ruggeri
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1 Radioattivita (radiazioni ionizzanti) e salute Cristiana Peroni Dipartimento di Fisica Sperimentale dell Universita di Torine e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 1a parte 4/11/2005 C.Peroni 1

2 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti? Spettro della radiazione alta frequenza alta energia bassa frequenza bassa energia radiazioni ionizzanti E=hf 4/11/2005 C.Peroni 2

3 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti? (continua) Radiazione E.M. : fotoni di frequenza energia diversa raggi X e γ: stessa forma di energia contraddistinta soltanto dall origine X = interazioni atomiche γ = interazioni nucleari anche altri tipi di particelle sono importanti e devono essere incluse in una trattazione delle radiazioni ionizzanti elettrone (e) protone (p) neutrone (n) muone (µ)... Ma cosa intendo per ionizzanti? 4/11/2005 C.Peroni 3

4 Meccanismo della ionizzazione elettrone proiettile ione positivo il proiettile (fotone, elettrone, protone ) urta uno degli elettroni dell atomo cedendogli parte o tutta la sua energia l elettrone urtato e proiettato fuori dall atomo (e puo divenire a sua volta un proiettile) lo stato finale consiste del proiettile deviato (o assorbito), l elettrone liberato e dell atomo che e ora uno ione 4/11/2005 C.Peroni 4

5 Regimi di energia Per riuscire a ionizzare l atomo il fotone (elettrone, protone ) deve avere un energia almeno > di quella di legame degli elettroni: E kev, ma lo spettro energetico spazia dai Tev (10 12 ev) e oltre dei raggi cosmici fino a E 10-5 ev delle radiazione di f GHz del cellulare e del forno a micro onde (radiazioni Non Ionizzanti: NIR). In genere: maggiore e l energia della radiazione maggiore e la sua capacita di penetrazione nella materia. 4/11/2005 C.Peroni 5

6 1. naturali: raggi cosmici, emissioni terrestri (rocce ) e emissioni del cemento (radon) 2. artificiali: dovute alle attivita umane essenzialmente legate alla medicina (ma anche produzione di energia, applicazioni industriali, belliche, ricerca ) 4/11/2005 C.Peroni 6

7 Effetti biologici della radiazione Attraverso la ionizzazione ed eccitazione delle molecole del tessuto si ha danno cellulare: danno diretto al DNA per rottura dei legami molecolari danno indiretto con la ionizzazione delle molecole di H 2 O (65% del peso corporeo) e produzione di radicali liberi H e OH molto reattivi che attaccano chimicamente la cellula 4/11/2005 C.Peroni 7

8 Danno al DNA prima dopo radiazione rottura della doppia elica e conseguente morte della cellula 4/11/2005 C.Peroni 8

9 La misura della radiazione La quantita di radiazione ricevuta da un corpo relativamente alla sua massa e la Dose = E m 1J che viene misurata in gray (Gy), o in rad (1Gy = 100 rad); 1 Gy = 1kg L effetto biologico di una data dose dipende dal tipo di radiazione (α,β,γ) e dalla sua energia; se ne tiene conto introducendo il RBE (Efficacia Biologia Relativa) e la dose equivalente che si misura in sievert (Sv) = Q x Gy o in rem (100 rem = 1Gy). L effetto biologico sara anche diverso a seconda del tipo di tessuto/organo irradiato.particolarmente sensibili sono: gli organi ematopoietici, il sistema vascolare, gli organi riproduttivi, l occhio. 4/11/2005 C.Peroni 9

10 Effetti sul corpo umano Due classi di effetti somatici: alla persona irradiata ereditari: alla progenie In caso di esplosione di ordigni nucleari o gravi incidenti a reattori, dosi fino a decine di Sv al corpo intero per piu ore sono possibili, con danni letali al sistema nervoso ed a quello digerente seguiti da imponenti infezioni batteriche. Per dosi superiori ad 1 Sv si manifesta la radiation sickness con nausea, vomito e danni all intestino. Il rischio di morte e basso a 1.5 Sv e molto alto a 8 Sv, solitamente a causa della distruzione dei leucociti. Dosi di 0.5 Sv, 2-3 Sv sono dannose per il midollo osseo, il sistema circolatorio, gli organi riproduttivi e l occhio (radioterapia). 4/11/2005 C.Peroni 10

11 Il pericolo delle basse dosi Basse dosi di radiazione (i.e. il cui effetto non e immediatamente apparente) possono indurre effetti che insorgono a distanza di 5 a 30 anni. Il cancro puo insorgere a causa di un danno genetico ad una cellula che si propaga nelle successive divisioni dando luogo ad una riproduzione incontrollata. La leucemia puo insorgere a 6-7 anni dall irradiazione, il rischio per altri tumori aumenta con il tempo. Mutazioni genetiche (aberrazioni cromosomiche) possono venire ereditate dalla prole di persone irradiate e produrre individui con difetti genetici (danno ereditario). 4/11/2005 C.Peroni 11

12 Dose totale annuale 2.2 msv 87% naturale 13% artificiale 4/11/2005 C.Peroni 12

13 Uso delle radiazioni ionizzanti in medicina La radiazione ionizzante di natura artificiale e prevalentemente da associarsi a attivita mediche in diagnostica Radiografia (raggi X) Tomografia assiale computerizzata (TAC) Positron emission tomography (PET) in trattamenti radioterapeutici 4/11/2005 C.Peroni 13

14 I pionieri 1896 W.K.Roentgen Scoperta dei raggi X 4/11/2005 C.Peroni 14

15 Tre mesi dopo la scoperta dei raggi X A.H.Bequerel scopre la radioattivita : la radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti (sali d uranio ) 2 marzo 1896 I pionieri 1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio ed il radio nella pechblenda 4/11/2005 C.Peroni 15

16 La natura della radioattivita 1900 E.Rutherford studia le proprieta di ionizzazione della radiazione emessa dall uranio: classifica in raggi α, β, γ Ipotesi: il decadimento radioattivo implica una trasformazione dell atomo da un elemento chimico ad un altro: trasmutazione E.Rutherford 4/11/2005 C.Peroni 16

17 La legge del decadimento radioattivo, attivita, vita media di una sorgente Tutti i radionuclidi naturali primordiali sono raggruppati in tre famiglie costituite da elementi che decadono a catena fino ad un isotopo stabile del Pb con legge temporale esponenziale: N t =N o e -λ t con un tempo caratteristico τ = 1/λ vita media Il numero di disintegrazioni nell unita di tempo e l attivita di una sorgente 4/11/2005 C.Peroni 17

18 La radioattivita artificiale Si possono ottenere radionuclidi artificiali bombardando atomi con proiettili come particelle α, n, p (~2500 ad oggi). I. Curie e F.Joliot(1934) Sorgenti radioattive 4/11/2005 C.Peroni 18

19 Lettera di Fermi del /11/2005 C.Peroni 19

20 La fissione dell uranio Alla ricerca di elementi transuranici bombardando l uranio con neutroni, si scopri che il nucleo del U235 (0.7 %) si spezza in frammenti piu leggeri e 2 o 3 neutroni e rilasciando una grande quantita di energia Enrico Fermi 4/11/2005 C.Peroni 20

21 La bomba atomica e la produzione di energia nucleare La reazione a catena viene controllata nei reattori nucleari per produrre energia 4/11/2005 C.Peroni 21

22 Acceleratori di particelle Per lo studio delle radiazioni ionizzanti e della struttura nucleare e sub-nucleare sono stati importantissimi gli acceleratori di particelle: macchine in grado di produrre ed accelerare ad alte energie elettroni, protoni, ioni 10cm Ciclotrone di E. Lawrence (1929) 4/11/2005 C.Peroni 22

23 LHC (Large Hadron Collider) CERN Ginevra (27 km) 4/11/2005 C.Peroni 23

24 Acceleratori per la medicina LINAC: acceleratore lineare di elettroni per la radioterapia 4/11/2005 C.Peroni 24

25 Alcuni cenni sulla diagnostica medica con radiazioni ionizzanti Radiografia (raggi X) Tomografia assiale computerizzata (TAC) Positron Emission Tomography (PET) 4/11/2005 C.Peroni 25

26 Radiografia 1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 0.1 msv (equivalente a circa 2 mesi di radioattivita' naturale.) 4/11/2005 C.Peroni 26

27 Tomografia assiale computerizzata (TAC) 2) TAC: Dose equivalente 10 msv (equivalente a circa 5-10 anni di radioattivita' naturale.) 4/11/2005 C.Peroni 27

28 Tomografia ad emissione di positroni (PET) 18 F-FDG γ e+ e+ e- γ 4/11/2005 C.Peroni 28

29 PET a riposo 4/11/2005 C.Peroni 29

30 PET durante l ascolto di musica 4/11/2005 C.Peroni 30

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