LE RADIAZIONI IONIZZANTI

1
LE RADIAZIONI IONIZZANTI

• Marta Bucciolini
• Facoltà di Medicina e Chirurgia
• Università di Firenze

2
SOMMARIO

• Le radiazioni ionizzanti
• Particelle
• Fotoni

• Il nucleo atomico
• Difetto di massa ed energia di legame
• Fissione Fusione Decadimento radioattivo

• Radioprotezione - Aspetti normativi

3
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

4
RADIAZIONI CORPUSCOLARI

• particelle leggere elettricamente cariche ( es
  elettroni e positroni)
• particelle pesanti elettricamente cariche (es
  protoni, deutoni, particelle a)
• particelle neutre (es neutroni)

5
RADIAZIONI CORPUSCOLARI
particella simbolo carica (e) massa (u.m.a) massa (MeV)
elettroni o particelle b- e-, b- -1 5.5 x 10-4 0.511
elettroni o particelle b e, b 1 5.5 x 10-4 0.511
protoni p 1 1.0072 938.3
deutoni d 1 2.0136 1875.6
particelle a a 2 4.0028 3727.3
neutroni n 0 1.0087 939.6
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 nellattraversare la
differenza di potenziale di 1 Volt 1 eV 1.6 x
10-19 J 1 keV 103 eV 1 MeV 106 eV
7
RADIAZIONE ELETTRO-MAGNETICA
Onda elettromagnetica piana

• T periodo (s) n frequenza (Hz) n n
  1/T
• lunghezza donda (m) c velocità di
  propagazione (m/s) nel vuoto c 3 x 108 m/s
  l n c

8
RADIAZIONE ELETTRO-MAGNETICA
Modello ondulatorio continuo Scambi energetici
fra radiazione e materia con discontinuità ? Mode
llo quantizzato E h n h 6.62 x 10-34 Js
9
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 a ? 7 MeV /
  nucleone

10
MODELLO ATOMICO
Ultimo strato 1?16 eV Primo strato (n 1, K)
13.6 eV Idrogeno, 115.6 keV Uranio
11
ASSORBIMENTO DI ENERGIA
Assorbimento di un fotone
ionizzazione
e hn
e Wi Ec
Assorbimento di un fotone
eccitazione

• Wi Wj

12
EMISSIONE DI ENERGIA
e Wi Wj
Emissione di un fotone di fluorescenza
Ec
Wj
Emissione di un elettrone Auger
Wi
Ec (Wi Wj) Wx
Wx
13
RADIAZIONI IONIZZANTI
Direttamente ionizzanti particelle cariche
(elettroni, protoni, particelle a, 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
14
INTERAZIONI ELETTRONI-MATERIA

• Interazioni fra particelle cariche forza
  elettrostatica (Coulomb)
• Interazioni con gli elettroni atomici
  (collisioni)
• Interazioni con i nuclei atomici (frenamento)

1. Lelettrone 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

15
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
Fattore di qualità
Particelle cariche percorso finito nella
materia Particelle cariche pesanti percorso più
definito e, a parità di energia, più breve
rispetto a quello degli elettroni
16
PARTICELLE CARICHE
Percorsi finiti esempi
a da 5 MeV a da 5 MeV a da 5 MeV
in aria in tessuto in alluminio
3.5 cm 0.021 cm 0.0021 cm
b da 1 MeV b da 1 MeV b da 1 MeV
in aria in tessuto in alluminio
420 cm 0.5 cm 0.15 cm
17
PARTICELLE CARICHE
18
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
19
(No Transcript)
20
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
21
Schema di un impianto auto-rettificante



22
SISTEMA DI RADDRIZZAMENTO
per avere anticatodo sempre positivo rispetto al
catodo con ddp il più possibile costante
23
Per dissipare il calore prodotto TUBO AD ANODO
ROTANTE



24
TUBO AD ANODO FISSO
25
LO SPETTRO RX



Spettri teorici per diversi valori di ddp

26
LO SPETTRO RX
spettro effettivo in uscita da un tubo RX
27
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 lenergia in
eccesso emettendo una o più particelle. Il caso
più probabile è la riemissione di un neutrone.
28
INTERAZIONI DEI NEUTRONI
Per ogni dato nucleo composto in uno stato
eccitato, parecchie differenti reazioni nucleari
sono possibili. La probabilità di osservare luna
o laltra dipende dallenergia dei neutroni e
dalla natura dei bersagli

• diffusione elastica (n,n)
• diffusione inelastica (n,n), (n,ng), (n,2n)
• cattura radiativa (n,g)
• emissione di particelle cariche (n,p), etc.
• fissione (n,f)
• spallazione (n,sciame)

29
INTERAZIONI DEI FOTONI
Raggi X di origine atomica Raggi g di origine
nucleare

• non hanno né massa né carica
• interazione su base probabilistica

• Interazioni con
• atomi
• elettroni atomici
• nuclei atomici

Per energie elevate possono avvenire reazioni
nucleari esempio (g,n)
30
INTERAZIONI DEI FOTONI

DIFFUSIONE
ASSORBIMENTO EaNoEo-NEo-Es
ATTENUAZIONE
31
FOTONI
SPESSORE DI DIMEZZAMENTO
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
32
DOSE ASSORBITA
Dose assorbita D Energia/Massa Unità di
misura 1Gy 1J/kg
Elettroni, messi in moto dai fotoni, responsabili
della dose assorbita
33
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 lelemento A caratterizza
lisotopo Massa del neutrone circa 0.1 maggiore
della massa del protone
34
ENERGIA DI LEGAME
Problema delle forze tra nucleoni M massa di un
nuclide M lt Z mP N mN
E m c2
ENERGIA DI LEGAME
? M DIFETTO DI MASSA Z mP N mN - M
35
ENERGIA DI LEGAME
Energia di legame per nucleone
1 u.m.a ? 1.66 x 10-27 kg
931 MeV
1 u.m.a 1/12 massa
Energia di legame per nucleone, fatta eccezione
per i nuclei più leggeri ? 8 MeV
36
ENERGIA DI LEGAME
M (u.m.a.) ZmPNmNZme (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
37
ENERGIA DI LEGAME
38
STABILITA/INSTABILITA DEI NUCLEI

• Landamento dellenergia di legame/nucleone deve
  spiegare
• FISSIONE
• FUSIONE
• Instabilità dei nuclei RADIOATTIVITA

Z elevato diventa molto importante leffetto
delle forze Coulombiane
Sempre più diffiocile aggiungere protoni
(energeticamente è vantaggioso aggiungere
neutroni)

• la forza nucleone-nucleone favorisce la
  condizione ZN

39
NUCLEI STABILI E RADIOATTIVI
40
DECADIMENTO a
?
?
esempio
m (Z,A) gt m (Z-2,A-4) ma
g fotone di diseccitazione nucleare
EDmc2 energia cinetica della particella a,
energia cinetica del nucleo che rincula, energia
di eccitazione del nucleo
41
DECADIMENTO b-
?-
?-
esempio
m (Z,A) gt m (Z1,A) me
EDmc2 energia cinetica del nucleo che rincula,
energia di eccitazione del nucleo, energia
cinetica della particella b, energia del neutrino
42
DECADIMENTO b-
Neutrone libero non stabile, T1/2?10.8 minuti
In realtà
n
p e- no
no particella con carica nulla, con cui
lelettrone si ripartisce lenergia disponibile
nel decadimento m (no) ? 0
43
DECADIMENTO b
?
?
esempio
Come si può ottenere 15O ?
n e no
P
Ipotesi
44
ANNICHILAZIONE b
? elettrone positivo, a fine percorso si
annichila con un elettrone negativo sparisce
massa 2moc2 2 x 511 keV 2 g da 511 keV
g
si libera energia
Il fenomeno opposto CREAZIONE DI COPPIE
Un fotone di energia gt 1022 keV interagisce con
il campo elettrico del nucleo, sparisce e si
formano e ed e-
e
hv
hn 1022 keV E E-
e-
45
CATTURA ELETTRONICA
C.E
Ipotesi p e n
Isotopi radioattivi naturali a, b-, g Isotopi
radioattivi artificiali anche b, C.E.
46
DECADIMENTO RADIOATTIVO

• Fenomeno di tipo probabilistico
• Costante di radioattività probabilità di
  decadimento per unità di tempo l (s-1)

Tempo di dimezzamento T1/2 ln2/l
Vita media t 1/l
47
ATTIVITA
Attività numero di decadimenti per unità di
tempo lN Unità di misura Bq (1 decadimento al
secondo) Vecchia unità 1 Ci 3.7 x 1010 Bq (?
attività di un grammo di Radio)
48
ORDINI DI GRANDEZZA

• CONTAMINAZIONI ALIMENTARI
• (es137Cs) 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
  dallesterno)
• 105 GBq 3000 Ci

49
FAMIGLIE RADIOATTIVE

• del Torio Capostipite 232Th
  T1/2 1.4 x 1010 anni
• dellAttinuranio Capostipite 235U
  T1/2 7.1 x 108 anni
• dellUranio Capostipite 238 U
  T1/2 4.5 x 109 anni

Pb
Rispettivamente 208Pb, 207Pb, 206Pb
Nelle 3 famiglie Radon (Z86) 220Rn, 219Rn,
222Rn
50
LA FAMIGLIA RADIOATTIVA DEL Ra226
51
FUSIONE
Se si combinano due nuclei leggeri per formare un
nucleo fortemente legato, con A medio, si libera
energia.
n 3He 3.269 MeV
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)
52
FISSIONE
Se un nucleo pesante come luranio si divide in
due frammenti più piccoli, viene rilasciata
unenergia 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 l235U e ancora molto maggiore per
l238U. Alcuni nuclidi possono subire una
fissione indotta quando sono bombardati con
neutroni termici, cioè neutroni lenti (?1eV)
53
FISSIONE
L238U invece non si fissiona quando cattura un
neutrone termico. E necessario che catturi un
neutrone veloce (almeno 1.8 MeV), ma la sua
sezione durtodi fissione per neutroni veloci è
2000 volte minore della sezione durto 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 b-.
In media 2.6 neutroni pronti per ciascuna
fissione
54
FISSIONE
I 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.
55
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 l235U
n neutrone veloce
Il Plutonio decade a 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.
56
CHERNOBYL
I radioisotopi rilasciati nellincidente di
Chernobyl
T1/2 T1/2
99Mo 66 h 134Cs 2.06 y
103Ru 39.4 d 136Cs 13 d
106Ru 1 y 137Cs 30.2 y
131I 8.02 d 140Ba 12.8 d
132I 2.28 h 140La 40.3 y
132Te 3.3 d 90Sr 29.12 y
57
EFFETTI DELLE RADIAZIONI
EFFETTI SOMATICI
DOSE ASSORBITA
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
58
FATTORE DI QUALITA
LET in acqua (keV/mm) Fattore di qualità Q
lt 3.5 1
7 2
23 5
53 10
gt175 20
59
FATTORE DI QUALITA
Tipo di radiazione Fattore di qualità Q
Raggi X, g, b 1
Neutroni 10
Protoni 10
Particelle a 20
60
DOSE EFFICACE
Ht Qt Dt Dose media equivalente ad un organo HE
Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace
Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per
la Dose Efficace Intera Popolazione 1
mSv Lavoratori Esposti 20 mSv
61
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
  dellordine dei 100mSv/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)