Spettro elettromagnetico Radiazioni termiche: microonde infrarossi Radiazioni ionizzanti: ultravioletti raggi X raggi gamma

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1 LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN BIOLOGIA Spettro elettromagnetico Radiazioni termiche: microonde infrarossi Radiazioni ionizzanti: ultravioletti raggi X raggi gamma

2 SPETTRO ELETTROMAGNETICO (fermi) λ (m) (Å) (nm) (µm) 10 6 (mm) 10 4 (cm) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) GeV λν = c MeV RAGGI X kev 10 3 E = hν ULTRA- -VIOLETTO E (ev) INFRA- -ROSSO VISIBILE MICRO ONDE Hz 600 ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) λ 700 (nm)

3 RADIAZIONI TERMICHE IRRAGGIAMENTO TERMICO intensità I = Q t S LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA cal/(s m 2 ) oppure W/m 2 legge di Stefan I = σ T 4 (W/m 2 ) legge di Wien λ max = /T (cm) I(λ) 0 visibile 4000 K 3000 K 2000 K µm λ Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi

4 LE MICROONDE 300 MHz < ν < 300 GHz 10 6 ev < E = hν < 10 3 ev effetti : calore (diatermia) non ionizzanti Riscaldamento di regioni limitate e profonde in corpi ricchi di acqua. Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari. Esposizione limite per l uomo: I = 10 mw/cm 2 (1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)

5 GLI INFRAROSSI intensità relativa MEDICINA 0.7 µm < λ < 20 µm vicino IR lontano IR 10 visibile vicino I.R K 1200 K emissione termica (Sole) 5 Sole fotografia I.R. immagine termica λ (µm) penetrazione effetto termico λ 0.7 µm x 10 cm λ > 1.4 µm x < 1 mm (termografia)

6 RADIAZIONI IONIZZANTI Ionizzare un atomo = togliergli uno o più elettroni rendendolo ione. Si distrugge così la struttura chimica del materiale. Per togliere (=allontanare) elettroni bisogna compiere un lavoro, cioè fornire energia. Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 ev (potenziale di ionizzazione dell atomo idrogeno). All aumentare dell energia, gli elettroni estratti ricevono energia cinetica e possono ionizzare a catena altri atomi. Sono radiazioni ionizzanti: ultravioletti, raggi X, raggi gamma (solo UVC)

7 GLI ULTRAVIOLETTI Produzione naturale: Sole Produzione artificiale: lampade UV Assorbimento UV in alta atmosfera: ozono (O 3 ) inclinazione raggi nubi - inquinamento materiali: vetro opaco acqua trasparente (penetrazione alcuni cm) Si distinguono in: UVA: λ = nm UVB: λ = nm UVC: λ = nm (ionizzanti) Effetti chimico-biologici: eccitazione atomi e molecole dissociazionelegamec-c (4 ev) benefici... abbronzatura - sintesi vitamina D azione battericida... o malefici eritemi - lesioni oculari tumori alla pelle

8 RADIAZIONI AD ALTA ENERGIA raggi X raggi γ produzione artificiale tubo a raggi X produzione naturale emissione γ da decadimento nuclei instabili (radionuclidi) produzione artificiale acceleratori di particelle

9 RADIAZIONI IONIZZANTI Il passaggio delle radiazioni ionizzanti attraverso la materia vivente provoca sempre danni, per cui il loro impiego è giustificato, se i vantaggi sono superiori ai danni.

10 RADIAZIONI IONIZZANTI L entità del danno prodotto dipende da tipo di radiazione e dalla dose assorbita. Gli effetti biologici delle radiazioni possono essere distinti in effetti somatici (che coinvolgono gli individui irradiati) ed effetti genetici (che coinvolgono la loro discendenza). È bene prendere tutte le possibili precauzioni per evitare di essere irraggiati da radiazioni ionizzanti (ad esempio, usare schermi di piombo)

11 RAGGI X : PRODUZIONE rete Sono radiazioni elettromagnetiche che si producono quando un metallo è colpito da fasci di elettroni di elevata energia. L apparato per la produzione dei raggi X si chiama tubo di Coolidge generatore di corrente catodo K F filamento raggi X vuoto trasformatore + anodo A diodo generatore di alta tensione

12 PRODUZIONE DEI RAGGI X Cannone elettronico - + elettrone veloce

13 RAGGI X : ASSORBIMENTO intensità trasmessa (%) I X, γ I(x) I(x+ x) I o e ASSORBIMENTO ESPONENZIALE x I = I o e µ x x 25 0 x = µ spessore x coefficiente di attenuazione o di assorbimento

14 ASSORBIMENTO DEI RAGGI X I raggi X sono radiazioni molto penetranti che attraversano con piccola attenuazione i tessuti molli, ma sono riflessi da corpi solidi (ossa, mezzi di contrasto, etc.). I = I o e µ d µ: coeff. di assorbimento d: spessore del materiale Si definisce lo spessore di dimezzamento (HVT = half value thickness), cioè lo spessore per cui l intensità incidente è dimezzata.

15 IMMAGINE RADIOLOGICA diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento) µ (cm 1 ) radioscopia radiografia xeroradiografia radiografia digitale (con e senza mezzo di contrasto) ossa (d = 1.8 g cm 3 ) muscoli (d = 1.0 g cm 3 ) grasso (d = 0.9 g cm 3 ) polmoni (d = 0.3 g cm 3 ) (kev) E

16 RADIOGRAFIA tubo a raggi X struttura biologica fascio X incidente muscolo aria osso fascio X trasmesso pellicola radiografica diaframmi schermo fluorescente immagine negativa sviluppo della pellicola radiografia digitale pellicola radiografica

17 PARAMETRI PER LA RADIOGRAFIA contrasto radiologico parametri : potenziale elettrico intensità di corrente tempo di esposizione V 45 kv 130 kv i 3 ma 50 ma t 1/60" 1/120"

18 ESEMPIO: MAMMOGRAFIA

19 RAGGI GAMMA: IMPIEGO DIAGNOSTICO radiodiagnostica radioisotopi radiofarmaci diffusione nell'organismo decadimento radioattivo rivelazione radiazione immagine conteggio dosimetrico

20 RAGGI GAMMA: IMPIEGO TERAPEUTICO cobaltoterapia 60 Co γ (1.3 MeV) fasci di elettroni (acceleratori di particelle) fasci gamma (acceleratori di particelle) adroterapia (acceleratori di particelle) protoni neutroni (BNCT) ioni pesanti Boron Neutron Capture Therapy

21 SPETTRO ELETTROMAGNETICO: produzione λ (m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI INFRA- MICRO X ULTRA- ONDE -VIOLETTO -ROSSO tubo raggi X VISIBILE radiazione termica 10 8 ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) transizioni nucleari e acceleratori transizioni atomiche laser circuiti oscillanti

22 SPETTRO ELETTROMAGNETICO: impiego λ (m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO diagnostica (RX, CT) VISIBILE INFRA- -ROSSO terapia MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) diagnostica (RM) diagnostica (PET, SPET) diagnostica (IR e visibile) terapia

23 SPETTRO ELETTROMAGNETICO: rivelazione λ (m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO VISIBILE INFRA- -ROSSO emulsione fotografica (+ schermi) rivelatori di ionizzazione stato solido, NaI occhio umano sistemi CCD MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) induzione elm antenna

24 RADIOATTIVITÀ Ogni nucleo è costituito da protoni e neutroni legati da forze attrattive molto intense, dette forze nucleari. massa carica Protone kg C Neutrone kg 0 Un nucleo è indicato con il simbolo A X Z X = simbolo dell atomo A = numero di massa (protoni+neutroni) Z = numero atomico (protoni)

25 RADIOATTIVITÀ Si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo stesso numero atomico (Z), ma diverso numero di massa (A), cioè stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni. Gli isotopi hanno identiche proprietà chimiche, ma proprietà fisiche molto diverse. Se un atomo è sostituito da un suo isotopo radioattivo, la molecola di cui fa parte mantiene inalterate le sue proprietà biochimiche e metaboliche. Il suo destino all interno dell organismo può essere seguito con rilevatori di radiazioni. Tale principio è alla base della medicina nucleare.

26 RADIOATTIVITÀ 1 H 1 protone Alcuni isotopi: Alcuni isotopi: 2 H 1 deuterio 3 H 1 trizio C 6 carbonio stabile C 6 carbonio radioattivo

27 RADIOATTIVITÀ In un decadimento radioattivo il nucleo emette alcune particelle (α o β) trasformandosi in un altro nucleo ed emettendo energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (raggi γ). La particelle α sono nuclei di elio 4 He 2 Le particelle β sono elettroni (e ) o positroni (e + )

28 α γ β LA STRA Campo magnetico B Collimatore di piombo Sorgente Radioattiva α sono particelle cariche positivamente e percorrono tratti molto brevi nella materia; noi ora sappiamo che sono nuclei di elio ( 2 H 4 ) β sono particelle cariche negativamente e percorrono tratti molto piu lunghi nella materia; noi ora sappiamo che sono elettroni γ sono privi di carica e sono i piu penetranti; noi ora sappiamo che sono fotoni

29 Possiamo descrivere il decadimento nucleare come un processo casuale e per il quale quindi e' definibile un tempo di dimezzamento T che rappresenta il tempo richiesto perche' la meta' dei nuclei presenti decadano. Se la tempo t=0 ci sono N 0 nuclei al tempo t=t ne rimangono in media N 0 /2. Al tempo t=2t ne rimarranno in media N 0 /4. Al tempo t=3t ne rimarranno in media N 0 /8 e cosi' via... A seconda del tipo di nuclide il tempo T puo' variare da frazioni di secondo a bilioni di anni.

30 N N N N 0 = e -λ t In generale la variazione del numero di nuclei presenti N sara proporzionale al numero di nuclei presenti N ed all intervallo di tempo trascorso t 0.2 N = - λ N t t T il segno negativo indica che N e una diminuizione. La costante λ e detta costante di decadimento. Integrando e supponendo che al tempo t=0 ci siano N 0 nuclei avremo N = N 0 e -λt

31 Si definisce vita media τ il tempo che occorre affinche il numero di nuclei presenti si riduca di un fattore e. Evidentemente vale τ = 1 λ Inoltre la vita media τ e legata al tempo di dimezzamento T dalla relazione τ = T ln 2 = T 0.693

32 RADIOATTIVITÀ Esempi di decadimento radioattivo Emissione α Emissione α 226 Ra Rn He Ra Rn He 2 Emissione β Emissione β 60 Co Ni 28 + β 60 Co Ni 28 + β Emissione β + Emissione β + 22 Na Ne 10 + β + 22 Na Ne 10 + β +

33 RADIOATTIVITÀ La legge del decadimento radioattivo è N = N o e t τ nuclei radioattivi tempo (giorni) N = numero di nuclei sopravvissuti al tempo t N o = numero di nuclei iniziali τ = vita media

34 RADIOATTIVITÀ La emivita fisica di una sostanza radioattiva è il tempo necessario affinché siano decaduti la metà dei nuclei iniziali. La emivita biologica di una sostanza radioattiva è il tempo necessario affinché la metà dei nuclei iniziali siano eliminati dall organismo dai processi metabolici. La emivita efficace di una sostanza radioattiva è la combinazione di quella fisica e di quella biologica. T 1 eff = T 1 f + 1 T b

35 RADIOATTIVITÀ Tempi di dimezzamento (giorni) fisico biologico 3 H 1 corpo C 6 grasso ossa P 15 ossa Ca 20 ossa Fe 26 sangue Cu 29 fegato I 51 tiroide 8 180

36 RADIOATTIVITÀ Una quantità di materiale radioattivo è rappresentata dalla sua attività attività = numero di disintegra tempo trascorso zioni 1 Ci = disintegrazioni/s 1 mci = disintegrazioni/s 1 µci = disintegrazioni/s 1 nci = 37 disintegrazioni/s 1 Bq = 1 disintegrazione/s

37 RADIOATTIVITÀ La dosimetria studia l assorbimento di radiazioni da parte dei tessuti biologici, anche in relazione ai danni che esse producono. Unità di misura: 1 rad = 100 erg di energia assorbita da 1 g di materia 1 gray = 1 Gy = 100 rad

38 RADIOATTIVITÀ Per valutare gli effetti prodotti si usa il rem. 1 rem è la dose assorbita che produce gli stessi effetti biologici prodotti dall assorbimento di 1 rad di raggi X (o raggi γ o raggi β). 1 rem = 0.5 rad di neutroni 1 rem = 0.1 rad di raggi α Per le persone professionalmente esposte, la legge stabilisce che la dose assorbita non superi la quantità di 5 rem/anno.