RADIOATTIVITÀ E

RADIAZIONI IONIZZANTI

Dott.ssa Sara La Civita

sara.lacivita.fbf@gmail.com

PRIMA PARTE - CONCETTI INTRODUTTIVI

Onde elettromagnetiche

Dualismo onda-particella

I fotoni

Struttura dell’atomo

2

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Sperimentalmente si riscontra che il campo elettromagnetico si propaga sotto forma di

onde che viaggiano senza necessità di supporto materiale.

Nel vuoto la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è una costante ed è

indipendente dalla frequenza

c = 299.792.458 m/s

Le onde elettromagnetiche sono una modificazione dello spazio in cui è presente un

campo elettrico e magnetico

Le onde elettromagnetiche trasportano energia

Definiamo intensità di un onda l’energia l’energia che all’istante t fluisce attraverso una

superficie posta ortogonalmente alla direzione di propagazione dell’onda.

3

Lunghezza

d’onda l

Frequenza n

Nel vuoto

l = c/n

22, HEtrI

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Onde radio, microonde, infrarossi, luce, raggi X e raggi gamma sono tutte onde

elettromagnetiche caratterizzate da frequenza diverse

4

Una grande varietà di fenomeni possono essere correttamente

interpretati ipotizzando che l’energia elettromagnetica (energia

associata ad un campo elettrico e magnetico variabili) si propaghi

nello spazio in forma di onde

Riflessione, rifrazione, fenomeni di interferenza, polarizzazione…

fenomeni macroscopici: la lunghezza d’onda è molto più grande degli

oggetti con cui interagisce

In altri casi, soprattutto quando si ha a che fare con fenomeni di

tipo microscopico (quelli che vogliamo affrontare oggi, in cui le

onde em interagiscono con strutture atomiche), è necessario

interpretare l’onda elettromagnetica come un insieme di particelle

5

EFFETTO FOTOELETTRICO

Fenomeno che si manifesta con l'emissione di particelle elettricamente cariche da parte di un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di varia frequenza

L’onda elettromagnetica colpisce gli elettroni del metallo trasferendo ad essi energia

Se l’onda em incide sull’anodo di un circuito, gli elettroni emessi per effetto fotoelettrico, e attratti dal catodo determinano un passaggio di corrente nel circuito

6

La teoria ondulatoria classica prevedeva però che, all'aumentare

dell'intensità (energia legata al campo elettrico e magnetico) della

luce incidente, aumentasse l'energia degli elettroni emessi

Sperimentalmente si osserva che

L’energia posseduta dai fotoelettroni non dipendeva dall’intensità

di illuminazione, ma unicamente dalla frequenza della radiazione

incidente.

L’intensità della radiazione, al contrario, determinava l’intensità

della corrente, ovvero il numero di elettroni strappati alla superficie

metallica.

L’effetto fotoelettrico non è spiegabile ammettendo la sola natura

ondulatoria delle luce

Gli elettroni vengono

acquistano energia

sufficiente a lasciare

il metallo solo dopo

una certa soglia

DOPPIA NATURA

CORPUSCOLARE/ONDULATORIA DELLA LUCE

Albert Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico con

l'ipotesi che i raggi luminosi trasportassero particelle,

chiamate fotoni, o quanti di luce; pacchetti di

energia, la cui energia è direttamente proporzionale

alla frequenza dell’onda corrispondente.

Secondo la teoria formulata da Einstein, incidendo

sulla superficie di un corpo metallico, i fotoni cedono

in un “urto” l’energia agli elettroni liberi del

conduttore, provocandone l'emissione.

In questa ipotesi, l'energia dell'elettrone liberato

dipende solo dall'energia del fotone mentre

l’intensità della radiazione è direttamente correlata al

numero di fotoni trasportati dall’onda

Un aumento dell’intensità della radiazione

determina un aumento degli elettroni emessi e

quindi della corrente che circola nel cicuito

E = hv = h(1/l

I = N c hv

7

h = costante di Plank

STRUTTURA ATOMO

Esperimenti di Rutherford (1911) Materia è organizzata in atomi e il numero di atomi(o molecole in una mole di

sostanza è NA )

La carica è unitaria e non infinitamente divisibile

Il portatore di carica elementare (negativa) è l’elettrone me = 9.11x10-31 kg (~1/1840 mH ) e = 1,60x 10-19 C

8

STRUTTURA ATOMO

Particelle alfa (nuclei di elio)particelle massive (x8000 massa e-), cariche positivamente ed ad alto potere penetrante

Spessore lamina ~

10-6 m

• fissata un energia la maggior parte delle particelle alfa (proiettili )

vengono deviate ad angoli <1°

•1/8000 viene deflessa ad angoli maggiori di 90°

•Particelle vengono deflesse anche ad angoli intermedi

9

STRUTTA ATOMO

Gran parte del volume

atomico è costituito da spazio

vuoto o compatibilmente da

elettroni

Le deviazioni a bassa

probabilità a grandi angoli

sono compatibili con la

presenza di zone concentrate

ad alta densità

“impenetrabili” a carica

positiva10

STRUTTURA ATOMO (RUTHERFORD 1911)

L’atomo è costituito da un nucleo centrale e da una nuvola elettronica esterna

I nuclei, carichi positivamente, concentrano praticamente tutta la massa dell’atomo

Gli elettroni occupano la periferia dell’atomo in numero pari da eguagliare in modulo la carica nucleare in un atomo neutro

(Modello di Rutherford) Gli elettroni (carichi) orbitano attorno al nucleo per azione della forza di Coulumb come in un sistema gravitazionale F~qQ/r2

Particelle cariche su orbite

circolari perderebbero energia

in modo continuo sotto forma

di onde em11

STRUTTURA ATOMO (BHOR)

Atomi sono stabili

Gas se riscaldati emettono spettri discreti emettono fotoni con energie

fissate e caratteristiche dell’atomo

un elettrone può muoversi soltanto su alcuni determinati livelli stabili (riferimento ad un modello classico orbite), detti stati stazionari

L'atomo irraggia energia solamente quando, per un qualche motivo, un elettrone effettua una transizione da uno stato stazionario ad un altro. La frequenza della radiazione è legata all'energia del livello di partenza e di quello di arrivo 12

STRUTTURA ATOMO (BOHR)

Energia elettrone En = -2,18 x 10-18 / n2 joule

E1 – E2 = hv

v = (E1 – E2 )/hh = costante di Plank

Raggi ammessi

13

LE RADIAZIONI

Con il termine radiazione si indica genericamente un insieme di

fenomeni caratterizzati dal trasporto di energia nello spazio

La radiazione può essere di tipo elettromagnetico (fotoni) o sotto

forma di particelle atomiche/subatomiche dotate di energia cinetica

(elettroni, protoni, neutroni, ioni…)

Se la radiazione interagisce con la materia può trasferire tutta o

parte della sua energia agli atomi costituenti il mezzo

I fenomeni di interazione della radiazione con un mezzo dipendo

principalmente dall’energia della radiazione incidente

Distinguiamo le radiazioni ionizzanti dalle non ionizzanti sulla base

di questi fenomeni di interazione.

14

RADIAZIONI IONIZZANTI

Vengono definite radiazioni ionizzanti quelle radiazioni in grado di

ionizzare (strappare e mettere in moto gli elettroni) degli atomi del

mezzo con cui interagiscono

15

Radiazioni

ionizzanti

Onde elettromagnetiche ad alta

energia: raggi X e raggi gamma

Particelle

Devono avere un energia maggiore dell’energia di

legame degli elettroni al nucleo

ENERGIA DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI

L’energia delle radiazioni ionizzanti è in genere misurata in elettronVolt

16

Un elettronVolt (simbolo eV) è l'energia acquistata da un

elettrone libero quando passa attraverso una differenza di

potenziale elettrico di 1 volt nel vuoto

Sono molto usati i suoi multipli keV (kilo-eV, ossia 1000

elettronvolt), MeV (mega-eV, cioè un milione di elettronvolt) e

GeV (giga-eV, cioè un miliardo di elettronvolt)

L’energia minima di ionizzazione (ordine di grandezza delle energie di

legame degli elettroni atomici più esterni) è dell’ordine di qualche decina di

eV

Le radiazioni per essere definite ionizzanti devono avere energia maggiore

di questa soglia

Di fatto le energie tipiche delle radiazioni ionizzanti partono da qualche

decina/centinaio di keV

SORGENTI DI RADIAZIONI IONIZZANTI

Decadimento sorgenti radioattive naturali

Radioattività gamma

Radioattività beta

Radioattività alfa

Tubi a raggi X

Raggi X con energie caratteristiche ~ 10/100 kV

Macchine acceleratrici

Raggi X con energie caratteristiche ~ 10 MV

Elettroni ~ 10 MeV

Particelle subatomiche/ioni pesanti < 10 MeV17

ESEMPIO: TUBO A RAGGI X

Un tubo a raggi X è costituito da un'ampolla di vetro, all'interno della quale viene fatto il

vuoto, posta dentro un involucro metallico rivestito di piombo. L'emissione dei raggi X

avviene solo da una piccola zona non schermata detta finestra

All'interno dell'ampolla vi sono anodo e catodo. Il catodo è costituito da un filamento,

tipicamente di tungsteno. Il filamento viene attraversato da una corrente intensa che

riscalda il catodo e determina la fuoriuscita degli elettroni di conduzione per emissione

termoionica. Tali elettroni vengono poi accelerati verso l'anodo grazie all'alta differenza di

potenziale che viene applicata tra il catodo e l'anodo.

Le macchine acceleratrici per radioterapia funzionano in modo simile; gli elettroni sono

però accelerati da un acceleratore lineare e non da una differenza di potenziale elettrico.

Si raggiungono energie 1000 volte maggiori

18

elettroni

Fotoni –

raggi x

RADIOATTIVITÀ

Definiamo Radioattività la trasformazione

spontanea o artificiale (isotopi instabili prodotti per

mezzo di reazioni nucleari in lab.) di nuclei in altri

nuclei per mezzo di emissione di radiazione

Corpuscolare (particelle)

Elettromagnetica

19

Esistono 3 tipi distinti di emissioni

radioattive: alfa, beta e gamma

R=mv/qB

Non tutti i

nuclei sono

stabili !!!

Fenomeni riguardanti il

nucleo atomico

IL NUCLEO

In nucleo è composto da protoni e neutroni

Il numero di protoni e neutroni determina le proprietà fisiche dell’atomo

Rnucleo 10-15 m = 1 fm

Ratomo 10-10 m = 1 Å

il nucleo è 100000 volte più piccolo dell’atomo

protoni Z

mp = 1.67 • 10-27 kg

q = +e = 1.6 • 10-19 C

neutroni N

mn = 1.67 • 10-27 kg

q = 0

Gli elettroni determinano le

proprietà chimiche

elettroni (se neutro Z)

me = 9.07 • 10-31 kg

q = -e = -1.6 • 10-19 C

Neutroni e protoni genericamente nucleoni

20

TAVOLA PERIODICA

DI MENDELEEV

Elementi: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92)

artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92)

21

Un particolare elemento è definito da Z

Il numero di neutroni in un dato atomo di un elemento

è variabile

Si indica con A il numero dei nucleoni

I diversi nuclei, intesi come combinazione di N e Z

sono detti nuclidi

Z numero atomico

A numero di massa

Il numero di neutroni N=A-Z

Un nuclide è completamente identificato da A e Z

22

Un nuclide si indica con la dicitura

XA

Z

23

I nuclei contenenti lo stesso numero di protoni Z, ma differente numero di

neutroni sono detti ISOTOPI

Gli isotopi hanno stesse proprietà chimiche ma diversa massa

Gli isotopi possono essere naturali o sintetici, stabili o instabili

Gli isotopi per un certo elemento non si presentano con la stessa

abbondanza

C11

6C12

6 C13

6 C14

6

1.1% 98.9%

Come fanno i protoni a rimanere “vicini” nei nuclei?

24

Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d 10-15 m).

Essi risentono delle forze di:

attrazione

gravitazionale

repulsione

elettrostatica

N102)10(

)1067.1(1067.6

r

mmGF 34

215

22711

2

ppG

N230)10(

)106.1(109

r

qq

4

1F

215

2199

2

pp

0E

In base alle forze gravitazionale (attrattiva ma molto debole) ed

elettromagnetica (repulsiva e 36 ordini di grandezza più intensa

della gravitazionale)

i protoni dovrebbero respingersi violentemente

LA FORZA NUCLEARE FORTE

All’interno dei nuclei atomici si manifesta una ulteriore

nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i

protoni vincendo la loro repulsione coulombiana

25

Caratteristiche della forza nucleare:

• E’ sempre attrattiva

• Si manifesta solo a distanze d 10-15 m

• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni

La sola forza forte è uguale per tutti I nucleoni. In realtà

non basta a spiegare da sola la stabilità dei nuclei in

quanto esiste una relazione tra numero di massa A,

numero atomico Z e stabilita del nuclide Forza debole

Considerando per semplicità nuclei leggeri come l’Idrogeno o l’Elio si vede

che un numero troppo piccolo o troppo grande di neutroni rispetto a quello

di protoni determina una instabilità dell’atomo

26

Idrogeno Z=1 Elio Z=2

H11

H21

H31

Deuterio

Trizio

instabile

He22

He32

He42

Non

esiste

He52 instabile

In natura non sono possibili tutte le combinazioni di protoni e neutroni. L’atomo

tenderà a portarsi ad uno stato energeticamente più stabile modificando il

numero dei suoi nucleoni. I nuclei tenderanno a decadere in tempi più o meno

brevi (da frazioni di secondo ad anni) frantumandosi, emettendo particelle e

radiazione em

RadioattivitàAtomo perde l’energia in

eccesso

DECADIMENTO ALFA

X nucleo padre

Y nucleo figlio

Il decadimento a avviene per nuclei molto grandi dove la forza nucleare forte a corto raggio non riesce a mantenere il nucleo unito a fronte di una forza elettrostatica crescente

Il decadimento avviene solo se la massa (o energia) del nucleo padre è maggiore della massa (o energia) del nucleo figlio e della particella a

La differenza in energia va in energia cinetica della particella a e di rinculo del nucleo figlio

La probabilità che questo decadimento avvenga varia da atomo ad atomo

27

2

4

22

4

2 HeYX N

A

ZN

A

Z

+a

Nuclei pesanti

DECADIMENTO BETA

E’ bene tenere presente che l’elettrone nel decadimento beta negativo non è un elettrone orbitale

L’elettrone positivo è l’antiparticella dell’elettrone ed è detto positrone

Il neutrino e la sua antiparticella, l’antineutrino sono particelle a massa piccolissima e difficilissimi da rilevare (altissima penetrazione); inizialmente fu introdotto per “far tornare il bilancio energetico” 28

n eYX N

AZN

AZ 11- + +

n eYX N

AZN

AZ 11+ + +

DECADIMENTO GAMMA

Il decadimento gamma è la modalità

di decadimento di nuclei in stato

eccitato.

Un atomo un nucleo in uno stato

eccitato torna allo stato fondamentale

emettendo fotoni dell’ordine dei keV

fino a qualche MeV

Un nucleo può trovarsi in uno stato

eccitato in seguito ad un urto od ad

un’altra forma di decadimento

Il decadimento gamma accompagna

spesso il decadimento alfa o beta 29

nhXX N

A

ZN

A

Z * + fotoni

LEGGI DECADIMENTO

L’Attività radioattiva o il tasso di decadimento di un

nuclide è dato dal numero di decadimenti per unità di

tempo

30

Unità di misura SI:

becquerel 1 Bq = 1/s

dimensionalmenteuguale all’hertz

frequenza

1 Bq essendo uguale ad un decadimento

(disintegrazione) al secondo è un unità in genere piccola

Si usa più spesso l’unità pratica Cu (Curie)

curie: attività di 1g di radio

(decadimento a: 234Ra 230Rn, t=1620 anni)

1 Cu = 3.7 1010 Bq

Il numero di decadimenti DN che avviene in un breve intervallo Dt è

proporzionale a Dt e al numero di nuclei presenti N

31

-DN/Dt = l•N l = costante di decadimento

N(t) = N0 e-lt

N(t) = N0 e-t/t1/l = t = vita media

A=DN/Dt =- l•N A(t) = A0 e-lt

Il momento esatto in cui un atomo instabile decadrà in uno più stabile è

assolutamente casuale. Ciò che si può fare, dato un campione di un

particolare isotopo, è notare che il numero di decadimenti rispetta una

precisa legge statistica.

Il decadimento radioattivo è un processo statistico a probabilità

costante (= indipendente dal tempo)

La vita media è la costante caratteristica del fenomeno e

rappresenta il tempo dopo cui i nuclei si riducono del 37%

(1/e)

Il tempo di dimezzamento T1/2 è il tempo dopo il numero

dei nuclei si riduce del 50%

32T1/2

n(t)

t

t0

0.50 n0

0.37 n0

n0

n(T1/2) = n0/2 = n0 e-T1/2/t

e-T1/2/t = ½

-T1/2/t = ln ½ = -ln2 = -0.693

RADIAZIONI IONIZZANTI

INTERAZIONE CON IL MEZZO ATTRAVERSATO

Le radiazioni ionizzanti attraversando un mezzo

interagiscono per lo più con gli elettroni del mezzo

ionizzando gli atomi che lo compongono

Il tipo di interazioni dipende principalmente dalla

carica delle particelle

Le particelle cariche interagiranno con gli elettroni del

mezzo attraverso forze di natura coloumbiana

Le particelle neutre mettono in moto particelle cariche che

a loro volta interagiscono con gli elettroni del mezzo

Il tipo di interazioni dipende, inoltre, dalla massa e

dall’energia delle particelle incidenti

33

ELETTRONI

Come vengono prodotti?

Radioattività beta positiva e beta negativa, acceleratori lineari

Quali sono le caratteristiche?

Hanno una carica e possiedono una massa molto piccola (particelle leggere)

Come si comportano nel mezzo?

A causa della sua piccolissima massa e della carica elettrica negativa unitaria (1-) ogni

volta che un elettrone si avvicina ad elettroni orbitali subisce una deviazione dal suo

percorso; quest’ultimo viene deviato anche dai nuclei atomici positivi. Gli elettroni orbitali

possono essere eccitati o espulsi dall’atomo e determinare ionizzazione a distanza

Per queste ragioni il percorso dell’elettrone, sebbene lungo, è tortuoso e difficile da definire. La

profondità di penetrazione è inferiore alla reale lunghezza di percorso.

La maggiore densità di ionizzazione si produce alla fine del suo percorso Diminuendo

l’energia diminuisce la velocità e aumentano le probabilità di interazione con gli atomi del

mezzo attraversato.

Alternativamente elettroni più energetici possono perdere energia frenando nel campo elettrico

dei nuclei ed emettendo fotoni a tutte le energie (radiazione di frenamento o bremsstrahlung)

Che capacità di penetrazione hanno?

La penetrazione dipende dall’energia, ma in media per energie caratteristiche (ordine MeV), è di

qualche cm in acqua 34

percorso

PARTICELLE ALFA E IONI

35

Come vengono prodotti?

Radioattività, acceleratori

Quali sono le caratteristiche?

Hanno una carica e possiedono una massa confrontabile con quella degli atomi del

mezzo

Come si comportano nel mezzo?

Le particelle pesanti interagiscono principalmente con gli elettroni del mezzo.

A causa della massa molto grande procedono in linea praticamente retta o con deviazioni

minime

A causa della massa molto grande sono relativamente lente e tendono ad ionizzare un

maggior numero di atomi per unità di percorso

Hanno notevole densità di ionizzazione

Perdono l’80% di energia a fine percorso come conseguenza di una diminuzione drastica

della velocità

Che capacità di penetrazione hanno?

La penetrazione è dell’orine del millimetro (foglio di carta per le particelle alfa)

FOTONI

Come vengono prodotti?

Radioattività gamma

Emissione di fotoni in seguito a diseccitamento dei nuclei

Raggi X

Radiazione di frenamento

Emissioni di fotoni per salti elettronici verso livelli energetici più interni

Quali sono le caratteristiche?

Non hanno massa e sono elettricamente neutri. Interazioni peculiari, non producono

ionizzazione diretta, ma mettono in moto elettroni che ionizzano gli atomi del

mezzo.

Comportamento nel mezzo e capacità di penetrazione

I fotoni interagiscono con il mezzo mediante effetto fotoelettrico, effetto Compton o

produzione di coppie di elettroni con prevalenza a basse, medie o alte energie

In ciascuno di questi eventi il fotone originario viene completamente assorbito e

quindi rimosso dal fascio

Alternativamente il fotone può essere deviato senza perdere energia

La probabilità che il fotone venga assorbito è casuale e di conseguenza l’intensità di

fascio di fotoni si riduce in modo esponenziale

Hanno altissima capacità di penetrazione (1MeV dimezzato da 8mm di piombo)

36

37

DOSE, EQUIVALENTE DI DOSE E DOSE

EFFICACE

Radiazioni ionizzanti cedono energia al mezzo

In dosimetria la quantità di interesse è l’energia

assorbita in un mezzo come conseguenza del

passaggio di un fascio di radiazioni ionizzanti

Tale energia si misura in dose

La dose è l’energia assorbita per unità di massa

D = dE/dm (J/kg)

Per la dose si utilizza l’unità di misura speciale Gray

1 Gy = 1J/kg

38

Quando le radiazioni ionizzanti attraversano un mezzo generico la dose dipende solo

dall’energia assorbita dal mezzo.

La dose è indipendente dal tipo di particella che rilascia l’energia nel mezzo

Nel tessuto biologico il passaggio della radiazione può danneggiare strutture vitali per

il corretto funzionamento cellulare quali le catene di DNA

39 Nel tessuto biologico l’entità del danno dipende dal tipo di radiazione considerata

40

Il LET misura la densità di

ionizzazione indotta,

espressa come quantità di

energia ceduta (in KeV) da

una radiazione per di

percorso.

LET (trasferimento lineare di energia)

Unità di misura della DENSITÀ DI IONIZZAZIONE indotta dall’energia radiante

(quantità di energia ceduta in keV)/ di percorso della radiazione.

Radiazione a LET

molto elevato (200

keV/m)

Radiazione a LET

elevato (20-100

keV/m)

Radiazione a LET

ridotto (10 keV/m)

Particelle a

neutroni

protoni

Elettroni veloci

Raggi

Raggi X

Alto LET

Basso

LET

LA DOSE, e quindi la semplice

energia ceduta al mezzo NON

BASTA A DENTIFICARE IL

DANNO BIOLOGICO

41

20

10

1

0.1 1 10 100 1000

Induzione di letalità: Relazione tra EBR

di una radiazione ed il suo LET

EBR

LET

Introducendo un fattore che tiene conto dell’efficacia biologica delle diverse

radiazioni ionizzanti, detto EBR, definiamo l’equivalente di dose, H

H = D (Gy) EBR

L’equivalente di dose è misurato in un unità speciale, il Sv (Sievert), e

rappresenta una stima diretta del danno subito a livello biologico

Fotoni ed elettroni

Ioni pesanti Per fini radioprotezionistici si tiene

conto spesso anche della sensibilità

alle radiazioni dei diversi organi.

Si introduce quindi la dose efficace, E

E = Σ wt H (Sv)

Gonadi 0.20

Midollo osseo (rosso) 0.12

Colon 0.12

Polmone (vie respiratorie) 0.12

Stomaco 0.12

Vescica 0.05

Mammelle 0.05

Fegato 0.05

Esofago 0.05

Tiroide 0.05

Pelle 0.01

Superficie ossea 0.01

Rimanenti organi e tessuti 0.05

Esposizioni annue

popolazione comune

sono < mSv