Le radiazioni ionizzanti sono ovunque. Arriva dallo spazio come raggi cosmici. È nell'aria sotto forma di emissioni di radon radioattivo e della sua progenie. Gli isotopi radioattivi presenti in natura entrano e rimangono in tutti gli esseri viventi. È inevitabile. In effetti, tutte le specie su questo pianeta si sono evolute in presenza di radiazioni ionizzanti. Mentre gli esseri umani esposti a piccole dosi di radiazioni potrebbero non mostrare immediatamente alcun effetto biologico apparente, non c'è dubbio che le radiazioni ionizzanti, se somministrate in quantità sufficienti, possono causare danni. Questi effetti sono ben noti sia in natura che in grado.

Mentre le radiazioni ionizzanti possono causare danni, hanno anche molti usi benefici. L'uranio radioattivo genera elettricità nelle centrali nucleari in molti paesi. In medicina, i raggi X producono radiografie per la diagnosi di lesioni interne e malattie. I medici di medicina nucleare usano materiale radioattivo come traccianti per formare immagini dettagliate delle strutture interne e per studiare il metabolismo. I radiofarmaci terapeutici sono disponibili per il trattamento di disturbi come l'ipertiroidismo e il cancro. I medici di radioterapia usano raggi gamma, fasci di pioni, fasci di elettroni, neutroni e altri tipi di radiazioni per curare il cancro. Gli ingegneri utilizzano materiale radioattivo nelle operazioni di registrazione dei pozzi petroliferi e nei misuratori di densità dell'umidità del suolo. I radiografi industriali utilizzano i raggi X nel controllo di qualità per esaminare le strutture interne dei dispositivi fabbricati. I segnali di uscita negli edifici e negli aerei contengono trizio radioattivo per farli brillare al buio in caso di interruzione di corrente. Molti rilevatori di fumo nelle case e negli edifici commerciali contengono americio radioattivo.

Questi molteplici usi delle radiazioni ionizzanti e dei materiali radioattivi migliorano la qualità della vita e aiutano la società in molti modi. I benefici di ogni utilizzo devono sempre essere confrontati con i rischi. I rischi possono essere per i lavoratori direttamente coinvolti nell'applicazione delle radiazioni o del materiale radioattivo, per il pubblico, per le generazioni future e per l'ambiente o per qualsiasi combinazione di questi. Al di là delle considerazioni politiche ed economiche, i benefici devono sempre superare i rischi quando si tratta di radiazioni ionizzanti.

Radiazione ionizzante

Le radiazioni ionizzanti sono costituite da particelle, compresi i fotoni, che provocano la separazione degli elettroni dagli atomi e dalle molecole. Tuttavia, anche alcuni tipi di radiazioni di energia relativamente bassa, come la luce ultravioletta, possono causare ionizzazione in determinate circostanze. Per distinguere questi tipi di radiazioni dalle radiazioni che causano sempre la ionizzazione, un limite di energia inferiore arbitrario per le radiazioni ionizzanti di solito è fissato a circa 10 kiloelettronvolt (keV).

Le radiazioni direttamente ionizzanti sono costituite da particelle cariche. Tali particelle includono elettroni energetici (a volte chiamati negatroni), positroni, protoni, particelle alfa, mesoni carichi, muoni e ioni pesanti (atomi ionizzati). Questo tipo di radiazione ionizzante interagisce con la materia principalmente attraverso la forza di Coulomb, respingendo o attirando elettroni da atomi e molecole in virtù delle loro cariche.

Le radiazioni ionizzanti indirettamente sono costituite da particelle prive di carica. I tipi più comuni di radiazioni ionizzanti indirettamente sono i fotoni superiori a 10 keV (raggi X e raggi gamma) e tutti i neutroni.

I fotoni dei raggi X e dei raggi gamma interagiscono con la materia e causano la ionizzazione in almeno tre modi diversi:

1. I fotoni a bassa energia interagiscono principalmente tramite l'effetto fotoelettrico, in cui il fotone cede tutta la sua energia a un elettrone, che poi lascia l'atomo o la molecola. Il fotone scompare.
2. I fotoni di energia intermedia interagiscono principalmente attraverso l'effetto Compton, in cui il fotone e un elettrone si scontrano essenzialmente come particelle. Il fotone continua in una nuova direzione con energia ridotta mentre l'elettrone rilasciato si spegne con il resto dell'energia in arrivo (meno l'energia di legame dell'elettrone all'atomo o alla molecola).
3. La produzione di coppie è possibile solo per fotoni con energia superiore a 1.02 MeV. (Tuttavia, vicino a 1.02 MeV, l'effetto Compton domina ancora. La produzione di coppie domina a energie più elevate.) Il fotone scompare e al suo posto appare una coppia elettrone-positrone (questo si verifica solo in prossimità di un nucleo a causa della considerazioni energetiche). L'energia cinetica totale della coppia elettrone-positrone è uguale all'energia del fotone meno la somma delle energie di massa a riposo dell'elettrone e del positrone (1.02 MeV). Questi elettroni e positroni energetici procedono quindi come radiazioni ionizzanti direttamente. Man mano che perde energia cinetica, un positrone alla fine incontrerà un elettrone e le particelle si annichileranno a vicenda. Due (solitamente) fotoni da 0.511 MeV vengono quindi emessi dal sito di annichilazione a 180 gradi l'uno dall'altro.

un dato fotone può verificarsi uno qualsiasi di questi, tranne che la produzione di coppie è possibile solo per fotoni con energia maggiore di 1.022 MeV. L'energia del fotone e il materiale con cui interagisce determinano quale interazione è più probabile che si verifichi.

La Figura 1 mostra le regioni in cui ogni tipo di interazione fotonica domina in funzione dell'energia del fotone e del numero atomico dell'assorbitore.

Figura 1. Importanza relativa delle tre principali interazioni dei fotoni nella materia

Le interazioni più comuni dei neutroni con la materia sono le collisioni anelastiche, la cattura (o attivazione) dei neutroni e la fissione. Tutte queste sono interazioni con i nuclei. Un nucleo che collide in modo anelastico con un neutrone viene lasciato a un livello di energia più elevato. Può rilasciare questa energia sotto forma di raggi gamma o emettendo una particella beta, o entrambi. Nella cattura di neutroni, un nucleo interessato può assorbire il neutrone ed espellere energia sotto forma di raggi gamma o raggi X o particelle beta, o entrambi. Le particelle secondarie quindi causano la ionizzazione come discusso sopra. Nella fissione, un nucleo pesante assorbe il neutrone e si divide in due nuclei più leggeri che sono quasi sempre radioattivi.

Quantità, unità e definizioni correlate

La Commissione internazionale per le unità e le misure di radiazione (ICRU) sviluppa definizioni formali accettate a livello internazionale di quantità e unità di radiazione e radioattività. La Commissione internazionale per la protezione radiologica (ICRP) stabilisce anche gli standard per la definizione e l'uso di varie quantità e unità utilizzate nella radioprotezione. Segue una descrizione di alcune grandezze, unità e definizioni comunemente usate nella radioprotezione.

Dose assorbita. Questa è la grandezza dosimetrica fondamentale per le radiazioni ionizzanti. Fondamentalmente, è l'energia che le radiazioni ionizzanti impartiscono alla materia per unità di massa. Formalmente,

where D è la dose assorbita, de è l'energia media impartita alla materia di massa dm. La dose assorbita ha unità di joule per chilogrammo (J kg^-1). Il nome speciale per l'unità di dose assorbita è il grigio (Gy).

Attività. Questa quantità rappresenta il numero di trasformazioni nucleari da un dato stato di energia nucleare per unità di tempo. Formalmente,

where A è l'attività, dN è il valore atteso del numero di transizioni nucleari spontanee dal dato stato energetico nell'intervallo di tempo dt. È correlato al numero di nuclei radioattivi N di:

dove l è la costante di decadimento. L'attività ha unità di secondi inversi (s^-1). Il nome speciale per l'unità di attività è il becquerel (Bq).

Decadimento costante (l). Questa quantità rappresenta la probabilità per unità di tempo che si verifichi una trasformazione nucleare per un dato radionuclide. La costante di decadimento ha unità di secondi inversi (s^-1). È correlato all'emivita t_½ di un radionuclide da:

La costante di decadimento l è correlata alla vita media, t, di un radionuclide da:

La dipendenza dal tempo dell'attività A(t) e del numero di nuclei radioattivi N(t) può essere espresso da e  rispettivamente.

Effetto biologico deterministico. Questo è un effetto biologico causato dalle radiazioni ionizzanti e la cui probabilità di accadimento è zero a piccole dosi assorbite ma aumenterà rapidamente fino all'unità (100%) al di sopra di un certo livello di dose assorbita (la soglia). L'induzione della cataratta è un esempio di effetto biologico stocastico.

Dose efficace. La dose efficace E è la somma delle dosi equivalenti pesate in tutti i tessuti e gli organi del corpo. È una quantità di radioprotezione, quindi il suo uso non è appropriato per grandi dosi assorbite erogate in un periodo di tempo relativamente breve. Esso è dato da:

where w _T è il fattore di ponderazione del tessuto e H_T è la dose equivalente per il tessuto T. La dose efficace ha unità di J kg^-1. Il nome speciale per l'unità di dose efficace è il sievert (Sv).

Dose equivalente. La dose equivalente H_T è la dose assorbita mediata su un tessuto o organo (piuttosto che in un punto) e ponderata per la qualità della radiazione che interessa. È una quantità di radioprotezione, quindi il suo uso non è appropriato per grandi dosi assorbite erogate in un periodo di tempo relativamente breve. La dose equivalente è data da:

where D_{T, R} è la dose assorbita mediata sul tessuto o organo T dovuta alla radiazione R e w _R
è il fattore di ponderazione della radiazione. La dose equivalente ha unità di J kg^-1. Il nome speciale per l'unità di dose equivalente è il sievert (Sv).

Metà vita. Questa quantità è la quantità di tempo necessaria affinché l'attività di un campione di radionuclidi si riduca di un fattore della metà. Equivalentemente, è la quantità di tempo necessaria affinché un dato numero di nuclei in un dato stato radioattivo si riduca di un fattore della metà. Ha unità fondamentali di secondi (s), ma è anche comunemente espresso in ore, giorni e anni. Per un dato radionuclide, emivita t_½ è correlato alla costante di decadimento l da:

Trasferimento di energia lineare. Questa quantità è l'energia che una particella carica impartisce alla materia per unità di lunghezza mentre attraversa la materia. Formalmente,

where L è il trasferimento di energia lineare (chiamato anche potere di arresto collisione lineare) e De è l'energia media persa dalla particella nell'attraversare una distanza dl. Il trasferimento lineare di energia (LET) ha unità di J m^-1.

Vita media. Questa quantità è il tempo medio in cui uno stato nucleare sopravvive prima di subire una trasformazione in uno stato energetico inferiore emettendo radiazioni ionizzanti. Ha unità fondamentali di secondi (s), ma può anche essere espresso in ore, giorni o anni. È correlato alla costante di decadimento da:

dove t è la durata media e l è la costante di decadimento per un dato nuclide in un dato stato energetico.

Fattore di ponderazione delle radiazioni. Questo è un numero w _R che, per un dato tipo ed energia di radiazione R, è rappresentativo dei valori dell'efficacia biologica relativa di quella radiazione nell'indurre effetti stocastici a basse dosi. I valori di w _R sono correlati al trasferimento lineare di energia (LET) e sono riportati nella tabella 1. La figura 2 (sul retro) mostra la relazione tra w _R e LET per i neutroni.

Tabella 1. Fattori di ponderazione della radiazione w_R

¹ Tutti i valori si riferiscono alla radiazione incidente sul corpo o, per sorgenti interne, emessa dalla sorgente.

² Escludendo gli elettroni Auger emessi dai nuclei legati al DNA.

Efficacia biologica relativa (RBE). L'RBE di un tipo di radiazione rispetto a un altro è il rapporto inverso delle dosi assorbite che producono lo stesso grado di un punto finale biologico definito.

Figura 2. Fattori di ponderazione della radiazione per i neutroni (la curva liscia deve essere trattata come un'approssimazione)

Effetto biologico stocastico. Si tratta di un effetto biologico causato dalle radiazioni ionizzanti la cui probabilità di accadimento aumenta all'aumentare della dose assorbita, probabilmente senza soglia, ma la cui gravità è indipendente dalla dose assorbita. Il cancro è un esempio di effetto biologico stocastico.

Fattore di ponderazione dei tessuti w _T. Questo rappresenta il contributo del tessuto o dell'organo T al danno totale dovuto a tutti gli effetti stocastici derivanti dall'irraggiamento uniforme di tutto il corpo. Viene utilizzato perché la probabilità di effetti stocastici dovuti a una dose equivalente dipende dal tessuto o dall'organo irradiato. Una dose equivalente uniforme su tutto il corpo dovrebbe fornire una dose efficace numericamente uguale alla somma delle dosi efficaci per tutti i tessuti e gli organi del corpo. Pertanto, la somma di tutti i fattori di ponderazione dei tessuti è normalizzata all'unità. La tabella 2 fornisce i valori per i fattori di ponderazione dei tessuti.

Tabella 2. Fattori di ponderazione dei tessuti w_T

¹ I valori sono stati sviluppati da una popolazione di riferimento composta da un numero uguale di entrambi i sessi e da un'ampia gamma di età. Nella definizione di dose efficace si applicano ai lavoratori, all'intera popolazione e all'uno o all'altro sesso.

² Ai fini del calcolo, il resto è composto dai seguenti tessuti e organi aggiuntivi: ghiandole surrenali, cervello, intestino crasso superiore, intestino tenue, reni, muscoli, pancreas, milza, timo e utero. L'elenco include organi che possono essere irradiati selettivamente. Alcuni organi nell'elenco sono noti per essere suscettibili all'induzione del cancro.

³ Nei casi eccezionali in cui uno solo dei restanti tessuti o organi riceve una dose equivalente in eccesso rispetto alla dose più elevata in uno qualsiasi dei dodici organi per i quali è specificato un fattore di ponderazione, a tale tessuto dovrebbe essere applicato un fattore di ponderazione di 0.025 o organo e un fattore di ponderazione di 0.025 alla dose media nel resto del resto come sopra definito.

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