LE RADIAZIONI IONIZZANTI

Marta Bucciolini

Facoltà di Medicina e Chirurgia

Università di Firenze

SOMMARIO

• Le radiazioni ionizzanti

1. Particelle

2. Fotoni

• Il nucleo atomico

1. Difetto di massa ed energia di legame

2. Fissione – Fusione – Decadimento radioattivo

• Radioprotezione - Aspetti normativi

RADIAZIONI IONIZZANTI

Radiazione: Trasferimento di energia da un punto ad un altro nello spazio senza spostamento macroscopico di materia e senza il supporto di un mezzo materiale

• Radiazione corpuscolare

• Radiazione elettromagnetica

:

Radiazione ionizzante: in grado di produrre la ionizzazione degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato

RADIAZIONI CORPUSCOLARI

• particelle leggere elettricamente cariche ( es: elettroni e positroni)

• particelle pesanti elettricamente cariche (es: protoni, deutoni,

particelle )

• particelle neutre (es: neutroni)

E = mc2

21 omm

= v/c

RADIAZIONI CORPUSCOLARI

particella simbolo carica (e) massa (u.m.a) massa (MeV)

elettroni o particelle -

e-, - -1 5.5 x 10-4 0.511

elettroni o particelle +

e+, + +1 5.5 x 10-4 0.511

protoni p +1 1.0072 938.3

deutoni d +1 2.0136 1875.6

particelle +2 4.0028 3727.3

neutroni n 0 1.0087 939.6

UNITA’ DI MISURA

1 u.m.a. = 1/12 massa atomo 12C= 1.66 x 10-27 kg = 931 MeV

e = 1.6 x 10-19 C

1 eV = energia acquistata da un elettrone nell’attraversare la differenza di potenziale di 1 Volt

1 eV = 1.6 x 10-19 J

1 keV = 103 eV

1 MeV = 106 eV

RADIAZIONE ELETTRO-MAGNETICA

Onda elettromagnetica piana:

T periodo (s) frequenza (Hz) = 1/T

lunghezza d’onda (m) c velocità di propagazione (m/s)

nel vuoto: c = 3 x 108 m/s = c

RADIAZIONE ELETTRO-MAGNETICA

Modello ondulatorio: continuo

Scambi energetici fra radiazione e materia: con

discontinuità

Modello quantizzato

E = h h = 6.62 x 10-34 Js

RADIAZIONI IONIZZANTI

Qualsiasi tipo di radiazione in grado di produrre la ionizzazione degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato

Ordini di grandezza:

• Energia di legame degli elettroni:

- atomo di Idrogeno 13.6 eV

- molecole dei mezzi biologici 15 eV

- strato K atomo di Tungsteno 70 keV

• Energia di legame particella 7 MeV / nucleone

MODELLO ATOMICO

eV

nbZ

W 2

2

6.13

Ultimo strato: 116 eV

Primo strato (n =1, K): 13.6 eV Idrogeno, 115.6 keV Uranio

ASSORBIMENTO DI ENERGIA

= h

Ec

Wi = Wi + Ec

Assorbimento di un fotone

ionizzazione

Wi = h

Wj

Assorbimento di un fotone

eccitazione

= Wi – Wj

EMISSIONE DI ENERGIA

Wi

Wj = Wi – Wj

Emissione di un fotone di fluorescenza

Wi

Wj

Wx

Ec = (Wi – Wj) – Wx

Ec

Emissione di un elettrone Auger

Direttamente ionizzanti: particelle cariche (elettroni, protoni, particelle, etc.) la cui energia cinetica è sufficiente per produrre ionizzazione per collisione

Indirettamente ionizzanti: fotoni, particelle prive di carica elettrica (neutroni) che, interagendo con la materia, possono mettere in moto particelle direttamente ionizzanti o dar luogo a reazioni nucleari

RADIAZIONI IONIZZANTI

INTERAZIONI ELETTRONI-MATERIA

Interazioni fra particelle cariche: forza elettrostatica (Coulomb)

1. Interazioni con gli elettroni atomici (collisioni)

2. Interazioni con i nuclei atomici (frenamento)

1. L’elettrone incidente perde la sua energia cinetica soprattutto tramite numerosi piccoli trasferimenti di energia (rare le grosse perdite): ionizzazioni, eccitazioni, trasferimenti termici

2. Emissione di fotoni di frenamento

PARTICELLE CARICHE PESANTI

Interazioni per collisione

In seguito ad ionizzazioni ed eccitazioni: effetti biologici

Densità lineare di ionizzazione più elevata per le particelle più pesanti rispetto agli elettroni

Efficacia biologica maggiore

Particelle cariche: percorso finito nella materia

Particelle cariche pesanti: percorso più definito e, a parità di energia, più breve rispetto a quello degli elettroni

Fattore di qualità

PARTICELLE CARICHEPercorsi finiti – esempi

da 5 MeV

in aria in tessuto in alluminio

3.5 cm 0.021 cm 0.0021 cm

da 1 MeV

in aria in tessuto in alluminio

420 cm 0.5 cm 0.15 cm

PARTICELLE CARICHE

RAGGI X 

Produzione 

• sorgente di elettroni (effetto Joule effetto termoionico)

• sistema per accelerare gli elettroni prodotti(elevata d.d.p)

• materiale (ad alto Z) con cui far interagire gli elettroni veloci

Frenamento degli elettroni che interagiscono con i nuclei + collisioni con gli elettroni atomici

Raggi X

Necessario:• produrre fasci RX di diversa qualità e di

diversa intensità, utilizzando lo stesso tubo• alimentazione variabile della sorgente di

elettroni• anticatodo sempre positivo rispetto al catodo• smaltimento del calore prodotto

EFFICIENZA PRODUZIONE RX

Tensione

% Calore % Energia RX

60 kV

99.5 0.5

200 kV

99 1.0

4 MV

60. 40.

20 MV

30. 70.

Schema di un impianto auto-rettificante

SISTEMA DI RADDRIZZAMENTO

per avere anticatodo sempre positivo rispetto al catodo con ddp il più possibile costante:

Per dissipare il calore prodotto:

TUBO AD ANODO ROTANTE

TUBO AD ANODO FISSO

LO SPETTRO RX

Spettri teorici per diversi valori di ddp:

spettro effettivo in uscita da un tubo RX:

LO SPETTRO RX

INTERAZIONI DEI NEUTRONI

Le interazioni dei neutroni sono fondamentalmente diverse da quelle dei fotoni e da quelle delle particelle cariche:

• non hanno carica interazioni su base probabilistica

• elevata probabilità di raggiungere i nuclei atomici provocando reazioni nucleari

Reazione nucleare provocata da neutrone: si forma un nucleo composto in uno stato eccitato. Il nucleo composto rimane nello stato eccitato per un tempo molto breve, poi rilascia l’energia in eccesso emettendo una o più particelle. Il caso più probabile è la riemissione di un neutrone.

INTERAZIONI DEI NEUTRONI

Per ogni dato nucleo composto in uno stato eccitato, parecchie differenti reazioni nucleari sono possibili. La probabilità di osservare l’una o l’altra dipende dall’energia dei neutroni e dalla natura dei bersagli

• diffusione elastica (n,n)

• diffusione inelastica (n,n), (n,n), (n,2n)

• cattura radiativa (n,)

• emissione di particelle cariche (n,p), etc.

• fissione (n,f)

• spallazione (n,sciame)

INTERAZIONI DEI FOTONI

• non hanno né massa né carica

• interazione su base probabilistica

Raggi X di origine atomica

Raggi di origine nucleare

Interazioni con:

atomi

elettroni atomici

nuclei atomici

Per energie elevate possono avvenire reazioni nucleari

esempio: (,n)

INTERAZIONI DEI FOTONI

No fotoni primari incidenti

Energia totale = No Eo

N < No fotoni primari trasmessi

Energia trasmessa = N Eo

Energia diffusa Es

Fotoni diffusi

Mat.

(Z,)

DIFFUSIONE

ASSORBIMENTO: Ea=NoEo-NEo-Es

ATTENUAZIONE: xoeNxN )( ,,ZE

FOTONI

in tessuto in piombo

10 keV 0.131 cm 0.00076cm

100 keV 4.05 cm 0.012 cm

1 MeV 9.8 cm 0.89 cm

SPESSORE DI DIMEZZAMENTO

DOSE ASSORBITA

Quando un mezzo biologico viene esposto in un campo di radiazioni ionizzanti, diviene sede di una serie di processi originati dal trasferimento di energia dalle particelle ionizzanti al mezzo EFFETTO BIOLOGICO

Dose assorbita D = Energia/Massa

Unità di misura: 1Gy = 1J/kg

Elettroni, messi in moto dai fotoni, responsabili della dose assorbita

IL NUCLEO ATOMICO

Modello del nucleo a nucleoni

Dato un cero elemento, numero atomico Z

Nucleo formato da Z protoni + N neutroni

A = Z + N numero di massa

Z caratterizza l’elemento

A caratterizza l’isotopo

Massa del neutrone circa 0.1% maggiore della massa del protone

ENERGIA DI LEGAME

Problema delle forze tra nucleoni

M massa di un nuclide

M < Z mP + N mN

ENERGIA DI LEGAME

E = m c2

M = DIFETTO DI MASSA = Z mP + N mN - M

ENERGIA DI LEGAME

A

cMNmZm NP2

Energia di legame per nucleone

1 u.m.a 1.66 x 10-27 kg 931 MeV

1 u.m.a = 1/12 massa C126

Energia di legame per nucleone, fatta eccezione per i nuclei più leggeri: 8 MeV

M

(u.m.a.)

ZmP+NmN+Zme

(u.m.a.)

En.leg./nucl.

(MeV)

2.0141 2.0165 1.1

4.0026 4.0330 7.1

12.0000 12.0989 7.7

13.0034 13.1078 7.5

55.9349 56.4633 8.8

238.0508 239.9845 7.6

H21

U23892

Fe5626

C136

He42

C126

ENERGIA DI LEGAME

ENERGIA DI LEGAME

STABILITA’/INSTABILITA’ DEI NUCLEI

L’andamento dell’energia di legame/nucleone deve spiegare

• FISSIONE

• FUSIONE

• Instabilità dei nuclei : RADIOATTIVITA’

Z elevato: diventa molto importante l’effetto delle forze Coulombiane

Sempre più diffiocile aggiungere protoni (energeticamente è vantaggioso aggiungere neutroni) cresce N/Z

la forza nucleone-nucleone favorisce la condizione Z=N

NUCLEI STABILI E

RADIOATTIVI

DECADIMENTO XAZ YA

Z42

esempio: U238

92 Th23490

U238

Th234

4.15 MeV4.20 MeVMeVE 05.0

m (Z,A) > m (Z-2,A-4) + m

E=mc2: energia cinetica della particella , energia cinetica del nucleo che rincula, energia di eccitazione del nucleo

: fotone di diseccitazione

nucleare

DECADIMENTO -

XAZ YAZ 1 esempio: Co6027 Ni60

28

Co60

Ni60

MeVE 17.1

m (Z,A) > m (Z+1,A) + me

E=mc2: energia cinetica del nucleo che rincula, energia di eccitazione del nucleo, energia cinetica della particella ,

energia del neutrino

- -

MeVE 33.1

DECADIMENTO -

n P+ + e-

Neutrone libero non stabile, T1/210.8 minuti

In realtà: n p+ + e- +

particella con carica nulla, con cui l’elettrone si

ripartisce l’energia disponibile nel decadimento; m () 0

DECADIMENTO +

XAZ YAZ 1 esempio: O158 N15

7

O15

N15

+ +

Come si può ottenere 15O ?

OnO 158

168 ,

P+ n + e+ + Ipotesi:

ANNICHILAZIONE+

+ = elettrone positivo, a fine percorso si annichila con un elettrone negativo

sparisce massa

2moc2 = 2 x 511 keV : 2 da 511 keV

si libera energia

e+

e-

Il fenomeno opposto: CREAZIONE DI COPPIE

Un fotone di energia > 1022 keV interagisce con il campo

elettrico del nucleo, sparisce e si formano e+ ed e-

hve+

e-h = 1022 keV + E+ + E-

CATTURA ELETTRONICA

XAZ YAZ 1

C.E

Ipotesi: p + e = n

Isotopi radioattivi naturali:

Isotopi radioattivi artificiali: anche C.E.

DECADIMENTO RADIOATTIVO

• Fenomeno di tipo probabilistico

• Costante di radioattività = probabilità di decadimento per unità di tempo: (s-1)

toeNtN )(

Tempo di dimezzamento: T1/2 = ln2/

Vita media: 1/

ATTIVITA’

Attività = numero di decadimenti per unità di tempo = N

Unità di misura: Bq (1 decadimento al secondo)

Vecchia unità: 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq

( attività di un grammo di Radio)

toeAtA )(

ORDINI DI GRANDEZZA

• CONTAMINAZIONI ALIMENTARI

(es:137Cs) 100Bq/l 2nCi/l

• MEDICINA NUCLEARE

(es: scintigrafia ossea con 99Tcm)

800 MBq 20mCi

• BRACHITERAPIA

•(es. sferette di 137Cs per applicatore utero-vaginale)

12 GBq 300 mCi

• TELETERAPIA

(es. sorgente di 60Co per trattamenti dall’esterno)

105 GBq 3000 Ci

FAMIGLIE RADIOATTIVE

1. del Torio Capostipite 232Th T1/2 = 1.4 x 1010 anni

2. dell’Attinuranio Capostipite 235U T1/2 = 7.1 x 108 anni

3. dell’Uranio Capostipite 238 U T1/2 = 4.5 x 109 anni

Pb

Rispettivamente: 208Pb, 207Pb, 206Pb

Nelle 3 famiglie: Radon (Z=86) 220Rn, 219Rn, 222Rn

LA FAMIGLIA RADIOATTIVA

DEL Ra226

FUSIONE

Se si combinano due nuclei leggeri per formare un nucleo fortemente legato, con A medio, si libera energia.

2D + 2D n + 3He + 3.269 MeV

2D + 2D 1H + 3H + 4.033 MeV

In media: circa 1 MeV/nucleone liberata, confrontabile con quella liberata nella fissione di un elemento pesante

Problema della repulsione Coulombiana

Temperature molto elevate (107 K)

FISSIONESe un nucleo pesante come l’uranio si divide in due frammenti più piccoli, viene rilasciata un’energia di circa 1 MeV per nucleone. Questi processi di fissione costituiscono la sorgente di energia nei reattori nucleari di potenza e nelle armi a fissione.

Il tempo di dimezzamento per fissione spontanea è di circa 700 milioni di anni per l’235U e ancora molto maggiore per l’238U.

Alcuni nuclidi possono subire una fissione indotta quando sono bombardati con neutroni termici, cioè neutroni lenti (1eV)

n

235U 236U*n

n

n

FISSIONE

L’238U invece non si fissiona quando cattura un neutrone termico. E’ necessario che catturi un neutrone veloce (almeno 1.8 MeV), ma la sua “sezione d’urto”di fissione per neutroni veloci è 2000 volte minore della sezione d’urto per neutroni termici relativa all’ 235U.

Uranio naturale: 99.3% 238U e 0.7 % 235U arricchimento

I rammenti di fissione hanno relativamente troppi neutroni, per cui emettono quasi immediatamente uno o più neutroni pronti, poi subiscono 3 o 4 decadimenti -.

In media: 2.6 neutroni pronti per ciascuna fissione

FISSIONEI neutroni emessi in una fissione indotta dell’ 235U possono essere catturati da altri nuclei di 235U

reazione a catena

Se i 2.6 neutroni emessi in una fissione inducono, in media, più di una ulteriore fissione, il rapporto di fissione è maggiore di 1 e la reazione aumenterà esponenzialmente.

Se invece un numero sufficiente di neutroni sfuggono dall’ 235U o sono assorbiti da altri materiali (barre di controllo) il rapporto di fissione è minore di 1e il processo cesserà.

Quando ciascuna fissione produce esattamente una ulteriore fissione il rapporto di fissione vale 1 e la reazione continua a velocità costante. Si dice allora che l’ 235U ha una massa critica.

REATTORE AUTOFERTILIZZANTE

Viene prodotto più materiale fissile di quanto ne venga consumato.

Esempio: produzione di 239Pu, che può essere fissionato per mezzo di neutroni termici, come l’235U

UnU 23992

23892

NpU 23993

23992

PuNp 23994

23993

Il Plutonio decade con un tempo di dimezzamento di 24000 anni, quindi è relativamente stabile. E’ un materiale adatto tanto per reattori a neutroni termici, quanto per la costruzione di bombe. E’ altamente tossico.

n: neutrone veloce

CHERNOBYLI radioisotopi rilasciati nell’incidente di Chernobyl:

T1/2 T1/2

99Mo 66 h 134Cs 2.06 y103Ru 39.4 d 136Cs 13 d106Ru 1 y 137Cs 30.2 y

131I 8.02 d 140Ba 12.8 d132I 2.28 h 140La 40.3 y

132Te 3.3 d 90Sr 29.12 y

EFFETTI DELLE RADIAZIONI

DOSE ASSORBITAEFFETTI SOMATICI

EFFETTI STOCASTICI

La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore di qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T.

L.E.T.=Trasferimento lineare di energia E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa LET EBR Q

Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg

FATTORE DI QUALITA’

LET in acqua

(keV/m)

Fattore di qualità

Q

< 3.5 1

7 2

23 5

53 10

>175 20

FATTORE DI QUALITA’

Tipo di radiazione Fattore di qualità

Q

Raggi X, , 1

Neutroni 10

Protoni 10

Particelle 20

DOSE EFFICACE

Ht = Qt Dt Dose media equivalente ad un organo

HE = Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace

TT

TE HwH

Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per la Dose Efficace:

Intera Popolazione: 1 mSv

Lavoratori Esposti: 20 mSv

ORDINI DI GRANDEZZA• Dose totale assorbita in un trattamento radioterapico 60 Gy (es. 30 frazioni da 2 Gy, 5 volte alla settimana)

• Dose assorbita in un esame RX diagnostico qualche mGy (in superficie) Dose Efficace dell’ordine dei 100Sv/mGy

• Dose assorbita in esame di Medicina Nucleare (es.scintigrafia ossea)

Dose superfici ossee 10.5 mGy

Midollo osseo 1.22 mGy

Dose (total body) 1.03 mGy

Dose efficace 1.82 mSv

• Dose efficace annuale da sorgenti di radiazione naturale 2.0 mSv

(in aree particolari si può arrivare a circa 17 mSv)