Radiazioni e radioatività

Radiazioni e radioatività a.a. 2010/2011 Prof Nicola Perna

RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI Le Le radiazioni non ionizzanti (onde radio, microonde, raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti) non sono in in grado di di produrre ionizzazione, ma possono danneggiare i i tessuti biologici che attraversano (riscaldamento, ustioni, ecc.). Le Le radiazioni ionizzanti possono essere sia onde elettromagnetiche (raggi X, X, raggi γ) γ) sia particelle (α, (α, β) β) dette anche raggi corpuscolari. Esse sono in in grado di di produrre coppie di di ioni al al loro passaggio nella materia. 2

RADIAZIONI IONIZZANTI RADIAZIONI IONIZZANTI Le Le radiazioni ionizzanti trovano largo impiego in in medicina, dove sono utilizzate sia sia a scopo diagnostico sia sia a scopo terapeutico. Il Il passaggio delle radiazioni ionizzanti attraverso la la materia vivente provoca sempre danni di di tipo radiobiologico, per cui il il loro impiego è giustificato solo se se i i vantaggi sono superiori ai ai danni. 3

RADIAZIONI IONIZZANTI RADIAZIONI IONIZZANTI L entità del danno prodotto dipende dal tipo di di radiazione e dalla dose assorbita. Gli Gli effetti biologici delle radiazioni possono essere distinti in in effetti somatici (che coinvolgono gli gli individui irradiati) ed ed effetti genetici (che coinvolgono la la loro discendenza). 4

RAGGI X RAGGI X I I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche di di frequenza 5 10 16 16 10 19 19 Hz Hz che si si producono quando atomi pesanti sono investiti da da fasci di di elettroni di di elevata energia. Due distinti processi di di emissione possono dar luogo a: a: (a) (a) Radiazione di di frenamento (spettro continuo); (b) (b) Raggi X caratteristici (spettro a righe). 5

RAGGI X RAGGI X Tubo di Coolidge Tubo di Coolidge Produzione di di raggi X Si Si generano raggi X quando gli gli elettroni emessi da da un un filamento incandescente F per effetto termoionico, accelerati dalla differenza di di potenziale V, V, colpiscono un un bersaglio metallico T posto in in un un tubo a vuoto C. C. La La finestra W è trasparente ai ai raggi X. X. 6

RAGGI X RAGGI X I I raggi X sono radiazioni molto penetranti che attraversano con piccola attenuazione i i tessuti molli, ma sono assorbiti da da ossa, mezzi di di contrasto, ecc. I = I o e µ d d: d: spessore µ: µ: coeff. di di assorbimento Si Si definisce spessore di di dimezzamento (H.V.T. = half value thickness) lo lo spessore per cui l intensità incidente si si riduce alla metà. In In medicina sono sono utilizzati per diagnostica (radioscopia, radiografia, tomografia assiale computerizzata-tac) e terapia (irradiazione di di cellule cancerose). 7

NUCLEO ATOMICO NUCLEO ATOMICO Ogni nucleo è costituito da da protoni e neutroni legati da da forze attrattive molto intense, dette forze nucleari. Massa Carica Protone p 1.67 10 27 kg 1.6 10 19 C Neutrone n 1.67 10 27 kg 0 il A Un nucleo è indicato con il simbolo, Z X, dove: X = simbolo dell atomo; A = numero di di massa (protoni+neutroni); Z = numero atomico (protoni). 8

ISOTOPI E NUCLIDI ISOTOPI E NUCLIDI Le Le specie atomiche sono 114, di di cui 90 90 naturali. Di Di queste, 81 81 hanno almeno un un isotopo stabile. Tutti gli gli elementi hanno due o più isotopi. Isotopo: nuclide di di uno stesso elemento. Nuclide: ciascuna specie atomica caratterizzata da da un un definito numero di di protoni e neutroni. In In altri termini, si si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo lo stesso numero atomico (Z), ma diverso numero di di massa (A), cioè lo lo stesso numero di di protoni ma diverso numero di di neutroni. 9

TAVOLA DEI NUCLIDI TAVOLA DEI NUCLIDI numero di protoni Z numero di neutroni N 10

ISOTOPI Gli Gli isotopi hanno proprietà fisiche molto diverse ma identiche proprietà chimiche: se se un un atomo è sostituito da da un un suo isotopo radioattivo, la la molecola di di cui fa fa parte mantiene inalterate le le sue proprietà biochimiche e metaboliche. Il Il destino di di una tale molecola sostituita all interno dell organismo può essere seguito con rilevatori di di radiazioni. Questo principio è alla base della medicina nucleare. 11

RADIOATTIVITÀ La radioattività consiste nell emissione di di radiazioni α, α, β, β, oppure γ da parte di di un nucleo atomico instabile. Radiazioni α :: nuclei di di He; Radiazioni β :: elettroni (e (e ) o positroni (e (e + + ); ); Raggi γ :: radiazioni elettromagnetiche di di frequenza superiore a 10 19 19 Hz. 12

ALCUNI ISOTOPI ALCUNI ISOTOPI 1 1 2 1 H : H : protone (stabile) deuterio (stabile) 3 1 H : trizio (instabile - radioattivo) 11 6 12 6 13 6 14 6 C : C : C : C : carbonio (stabile) carbonio (stabile) carbonio (stabile) carbonio (instabile - radioattivo) 13

RADIOATTIVITÀ In un decadimento radioattivo il il nucleo emette alcune particelle (α o β) trasformandosi in in un altro nucleo ed eventualmente emettendo energia sotto forma di di radiazione elettromagnetica (raggi γ). 14

DECADIMENTO ALFA DECADIMENTO ALFA A Esempio : A 4 X X + Z Z 2 226 4 2 222 He Ra Rn + 88 86 4 2 He 138 88 n p 136 86 n p + 226 222 4 88Ra 86Rn 2He 2 2 n p L esposizione a sorgenti α esterne al corpo non è particolarmente pericolosa: eventuali particelle che riescano a colpire l operatore,si fermano comunque nello strato morto della pelle. Diventa invece molto pericolosa se la sorgente è interna, perchè l operatore ha inalato o ingerito atomi radioattivi, oppure questi sono entrati attraverso una ferita. 15

DECADIMENTO BETA DECADIMENTO BETA Decadimento β Decadimento β A Z n p + A X Z + 1X + e + ν e + ν Decadimento β + Decadimento β + 14 6 C 14 N 7 + e + ν 19 10 Ne 19 F 9 + + e + ν ν: ν: neutrino ν: ν: antineutrino L esposizione a particelle beta provenienti da sorgenti esterne al corpo può provocare danni alla pelle, perchè la maggior parte delle particelle riesce a penetrare oltre lo strato morto, e a agli occhi. 16

DECADIMENTO GAMMA DECADIMENTO GAMMA A Z X A Z X + γ A Z X : stato eccitato del nucleo A Z X 60 Ni * 60 28 Ni 60 28 Ni + γ 60 Ni γ 17

RADIAZIONI IONIZZANTI

LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO Dato un un campione macroscopico composto da da un un gran numero di di isotopi radioattivi, il il numero di di decadimenti N che avvengono in in un un certo intervallo di di tempo t t è dato dalla legge del decadimento radioattivo: N = λ N t N N = = N N 0 0 e e λ t t τ N :: numero di di nuclei all istante tt N 0 0 :: numero iniziale di di nuclei λ :: costante di di decadimento τ = 1/λ :: tempo di di vita media 19

LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO Rappresentazione grafica della legge del decadimento radioattivo per un un campione di di C 14 6 20

EMIVITA La La emivita fisica (o (o tempo di di dimezzamento) di di una sostanza radioattiva è il il tempo necessario affinché decada la la metà dei nuclei iniziali: T 1 2 = ln2 λ = 0.693 λ I I tempi di di dimezzamento degli isotopi radioattivi conosciuti variano approssimativamente da da 10 10 22 22 s fino a 10 10 28 28 s (circa 10 10 21 21 anni). 21

EMIVITA La La emivita biologica di di una sostanza radioattiva è il il tempo necessario affinché la la metà dei nuclei iniziali sia eliminata dall organismo mediante processi metabolici. La La emivita efficace di di una sostanza radioattiva è la la combinazione di di quella fisica e di di quella biologica. T 1 eff = 1 T f + 1 T b 22

EMIVITA Tempi di di dimezzamento fisici e biologici di di alcuni isotopi radioattivi T f (giorni) T b (giorni) 3 1 14 6 H C corpo grasso 4 2 10 10 3 6 19 35 ossa 2 10 6 180 32 15 P ossa 14.3 1200 45 20 Ca ossa 152 18 10 3 59 26 Fe sangue 46 65 64 29 Cu fegato 0.54 39 131 51 I tiroide 8 180 23

ATTIVITÀ L attività di di un un campione radioattivo è definita come il il numero di di disintegrazioni al al secondo. attività = N t = λ N Nel Nel S.I S.I l unità di di misura dell attività è il il becquerel (Bq) 1 Bq Bq = 1 disintegrazione // sec sec È tuttora in in uso anche l unità di di misura denominata curie (Ci) 1 Ci Ci = 3.7 3.7 10 10 10 10 Bq Bq 24

DOSE ASSORBITA (D) DOSE ASSORBITA (D) La La dosimetria studia l assorbimento di di radiazioni da da parte dei tessuti biologici, anche in in relazione ai ai danni che esse producono. Dose assorbita Quantità di di energia assorbita da da una massa unitaria di di tessuto quando viene irraggiato sia da da radiazione elettromagnetica che da da particelle. D = E // m L unità di di misura della dose assorbita nel S.I. è il il gray (Gy) 1 Gy = 1 joule // kg kg rad (radiation absorbed dose): vecchia unità di di misura oggi sostituita dal gray (1 (1 rad = 0.01 Gy) 25

FATTORE DI PESO PER LA RADIAZIONE FATTORE DI PESO PER LA RADIAZIONE La La probabilità di di subire dei dei danni da da parte di di un un individuo che si si espone a radiazioni ionizzanti dipende non solo dalla quantità di di energia ricevuta in in un un determinato volume di di tessuto, ma anche dal dal tipo di di radiazione, alla quale si si può associare un un fattore di di peso per la la radiazione w. R. Tipo di radiazione Fattore di peso, w R Raggi X e γ, tutte le energie 1 Elettroni, tutte le energie 1 Neutroni, da 0 a 20 MeV 5 20 Protoni 5 Particelle alfa, nuclei pesanti 20 26

DOSE EQUIVALENTE (H) DOSE EQUIVALENTE (H) Dose equivalente Dose equivalente H = D w R L Unità di di misura della dose equivalente nel S.I. è il il sievert (Sv). Nel caso di di esposizione a soli raggi X, X, 1 Sv Sv corrisponde all assorbimento di di 1J kg 1 1 di di energia. rem (roentgen equivalent man): vecchia unità di di misura oggi sostituita dal sievert (1 (1 rem = 0.01 Sv) 27

FATTORE DI PESO PER IL TESSUTO FATTORE DI PESO PER IL TESSUTO I I tessuti umani presentano in in genere una sensibilità differenziata alle radiazioni ionizzanti. Di Di conseguenza la la grandezza dose equivalente non è sufficiente a valutare il il livello di di rischio biologico. Occorre associare ad ad essa un un indice di di sensibilità tissutale alla radiazione, detto fattore di di peso per il il tessuto (w (w T ). T ). Tessuto o organo Fattore di peso, w T (ICRP 60/1990) Gonadi 0.20 Midollo osseo (rosso) 0.12 Polmone 0.12 Mammella femminile 0.05 Tiroide 0.05 Superficie ossea 0.01 Rimanenti organi e tessuti 0.05 28

DOSE EFFICACE (E) DOSE EFFICACE (E) Dose efficace: Dose efficace: E = H w T T Limiti raccomandati Limiti raccomandati Lavoratori Pubblico Dose efficace 20 msv/anno 1 msv/anno Dose equivalente per organo Cristallino 150 msv/anno 15 msv/anno Pelle 500 msv/anno 50 msv/anno Mani e piedi 500 msv/anno 50 msv/anno 29

EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULL UOMO RADIAZIONI IONIZZANTI Gli effetti delle radiazioni sull uomo possono essere classificati in due differenti tipologie: effetti di tipo deterministico ed effetti di tipo stocastico o probabilistico. Per i primi esiste una soglia al di sopra del quale si manifesta l effetto ed è definita una funzione dose-gravità dell effetto. Per gli effetti stocastici - legati ad esposizioni a dosi inferiori alle soglie richieste per gli effetti deterministici, non è definibile una soglia di esposizione. L esposizione in questo caso aumenta la probabilità di comparsa del danno, e non l entità del danno stesso.

EFFETTI DETERMINISTICI (1) RADIAZIONI IONIZZANTI Sindromi da irradiazione acuta L'esposizione ad "alte dosi" di radiazioni ionizzanti, sia per irradiazione esterna che interna, determina l'insorgenza di diverse sindromi in rapporto all'entità della dose ricevuta. Legge di Bergonie e Tribondeau: "la radiosensibilità di un tessuto è direttamente proporzionale all'attività mitotica e inversamente proporzionale al grado di differenziazione delle sue cellule". In pratica non sono i tipi cellulari più o meno radiosensibili, bensì i "processi cellulari" (divisione cellulare) Sindrome del sistema nervoso centrale: si manifesta ad altissime dosi (oltre 10 Gy) in quanto il tessuto nervoso ha un'attività mitotica praticamente nulla. La morte avviene per variazioni (da infiammazione) della permeabilità dei vasi encefalici con conseguente edema cerebrale e ipertensione endocranica. Per dosi molto forti vi è anche un danno diretto sui neuroni. Dopo un iniziale periodo di ipereattività e convulsioni, segue apatia e coma; la morte interviene entro 48 ore. Sindrome gastrointestinale: la superficie dell'intestino è in continuo rinnovamento da parte di cellule ad alto indice mitotico situate nelle cripte. Dopo un'irradiazione acuta (6-10 Gy) si ha una disepitelizzazione dell'intestino per mancato rinnovo della mucosa con conseguente perdita di liquidi ed elettroliti e danno nutrizionale. La perdita della barriera epiteliale facilita inoltre l'insorgenza di infezioni dovute anche alla carenza di leucociti per il contemporaneo insorgere della sindrome emopoietica. La morte sopravviene entro 3-5 giorni dall'irradiazione. Sindrome emopoietica: il midollo osseo contiene tutti i precursori delle cellule del sangue: l'attività mitotica è pertanto intensa in considerazione del continuo rinnovamento delle cellule circolanti (vita media dei leucociti: 3-5 giorni, eritrociti: 120 giorni). Questo fatto spiega la notevole radiosensibilità del midollo osseo e il differente andamento delle curve di sopravvivenza nel midollo e nel sangue circolante (le cellule mature sono molto meno radiosensibili). La sindrome emopoietica si manifesta per dosi di 2-6 Gy. La DL 50/30 (dose letale per il 50% dei soggetti in 30 giorni) dell'uomo si colloca a circa 3 Gy.

EFFETTI DETERMINISTICI (2) RADIAZIONI IONIZZANTI Effetti sulle gonadi: dosi di 1-2 Gy su entrambe le ovaie determinano sterilità temporanea e assenza di mestruazioni per 1-3 anni; 4 Gy causano sterilità permanente. Nell'uomo 0.1 Gy causano oligospermia per 12 mesi; 2.5 Gy: sterilità per 2-3 anni; 4-6 Gy: sterilità definitiva. Effetti sulla cute: sede principale del danno è lo strato germinale dell'epidermide, anche se la risposta più pronta è l'eritema temporaneo dovuto alla dilatazione dei capillari. Dopo 2-3 settimane ricompare l'eritema per danno ai capillari e flittene con necrosi per deficit proliferativo dello strato germinale. Effetti sull'organismo in sviluppo: chiaramente l'embrione e il feto presentano in tutti i propri organi e tessuti un alto indice mitotico. L'irradiazione di 1 Gy nei primi 6 giorni di gravidanza determina la morte del 50% degli embrioni; i sopravvissuti si sviluppano in modo normale. L'esposizione dal 9 al 60 giorno determina una mortalità di grado inferiore e un notevolissimo aumento delle malformazioni anche per dosi relativamente basse. Nel periodo fetale si riduce gradualmente il rischio di malformazioni e la radiosensibilità si avvicina a valori simili a quelli dei bambini. Da qui la raccomandazione per tutte le donne in età feconda di sottoporsi ad esami radiologici esclusivamente nei primi 10 giorni del ciclo (art. 111, comma 2, lett. C), D.Lgs. n. 241/2000)

EFFETTI DETERMINISTICI RADIAZIONI IONIZZANTI

EFFETTI STOCASTICI RADIAZIONI IONIZZANTI L'esposizione a "basse dosi" di radiazioni ionizzanti non determina la comparsa di danni immediati, bensì aumenta le probabilità statistiche di comparsa di danni a distanza. Queste malattie non presentano diversità rispetto a quelle dovute a cause "naturali" e quindi la loro discriminazione è estremamente difficoltosa; i dati finora ottenuti si basano sull'aumento dell'incidenza delle suddette malattie. Le caratteristiche principali degli effetti stocastici sono: 1. Non richiedono il superamento di una dose-soglia. 2. Riguardano solo una piccola frazione degli esposti con frequenza di comparsa proporzionale alla dose. La gravità non dipende dalla dose in quanto sono del tipo tutto o nulla. Radiazioni e tumori: a causa dei danni a carico del materiale cromatidico cellulare, le radiazioni ionizzanti possono indurre l'insorgenza di tumori solidi e leucemie. I tempi di latenza sono estremamente lunghi: da pochi anni per le leucemie a oltre 20 anni per il carcinoma polmonare. I dati attuali ci indicano un rischio totale di cancerogenesi di 1,25 x 10-2 x Sv -1 per cui, ad esempio, ad una dose di 10 msv è associato un rischio pari a 1,25 x 10-4. Effetti genetici: si è visto che le radiazioni ionizzanti provocano il danno maggiore a carico del DNA; è quindi comprensibile che anche basse dosi di radiazioni possano creare dei danni genetici che si evidenzieranno nella prole in prima o successive generazioni. L'incidenza naturale di malformazioni (gravi, lievi, lievissime) è calcolata in 105.000 casi per milione di nati vivi. Studi su animali valutano in 1 Gy la dose di raddoppio: ovvero se 1 milione di individui ricevessero 1 Gy, si avrebbe il raddoppio delle malformazioni. Estrapolando si calcola che 10 mgy provochino 185 nuovi casi per milione, pari ad un incremento dello 0.17% dei casi naturali.