LE UNITA’ DI MISURA DELLA RADIOATTIVITA’

L’attività di un campione radioattivo è il numero di decadimenti al secondo che avvengono in esso. Nel S.I. la misura dell’attività è sostanzialmente una misura di una frequenza di eventi e viene quindi espressa in Hz, ovvero in secondi-1, più precisamente si definisce Bequerel (Bq) come:

L’attività viene anche misurata in Curie, posto pari al numero di disintegrazioni prodotte in un secondo da 1 grammo di radio; tale numero risulta essere:

Poiché il Bequerel esprime livelli di attività radioattiva ridotta, si usano i suoi multipli. Ad esempio i campioni radioattivi del laboratorio di fisica hanno un’attività pari a:

Per farci un’idea dell’attività di alcune sorgenti radioattive teniamo presente, ad esempio, che nei vecchi quadranti degli orologi da polso per poter essere visti al buio veniva inserita una quantità di radio con un’attività di circa 4x104 Bq mentre l’attività utilizzata nelle terapie per il trattamento dei tumori è circa 1 miliardo di volte maggiore, ovvero 4x1013 Bq.
E’ importante sottolineare che un contatore Geiger non può misurare l’energia delle particelle. Tuttavia, a volte i contatori commerciali riportano scale graduate in grandezze legate all’energia depositata dai campioni radioattivi.

	La scala graduata di questo contatore è tarata in modo corretto perché più riportata una grandezza legata al flusso di eventi cioè ad una frequenza che è espressa in questo caso in conteggi/minuto.
		In questo contatore geiger la scala è anche tarata in unità energetiche mR/h usando il fattore di conversione 1mR/h = 120 Bq per la propria scala con riferimento alla emissione gamma da Cobalto. Altri modelli utilizzano fattori di conversione diversi perché è differente la radiazione a cui fanno riferimento (radiazione gamma del Radio e del Cesio).

Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti

Def. Chiamiamo radiazioni ionizzanti fotoni o particelle in moto con energia sufficiente per estrarre un elettrone da un atomo di una molecola, formando quindi uno ione.

Poiché l’energia di ionizzazione di un atomo o di una molecola è compresa approssimativamente fra 1 eV e 35 eV è evidente che sono ionizzanti i raggi gamma e le particelle beta e alfa emessi dai nuclei radioattivi i quali hanno energie dell’ordine del MeV. Sono pure ionizzanti i raggi X poiché hanno energie di qualche keV e i raggi ultravioletti che hanno energie di decine di eV.

L’azione delle radiazioni ionizzante sui tessuti biologici è complessa e dipende da molti fattori, fra cui la durata dell’esposizione, la struttura del tessuto irraggiato e dal tipo della radiazione che colpisce i tessuti. Gli effetti di tali radiazioni sono studiati soprattutto sull’acqua perché è la sostanza presente in maggior quantità negli esseri viventi.

Tali studi hanno mostrato che le radiazioni ionizzanti provocano un aumento dei radicali liberi cioè frammenti di molecole dotati di un elettrone spaiato (numero dispari di elettroni nell'ultimo strato, quando normalmente gli elettroni sono accoppiati). I radicali liberi sono chimicamente instabili e tendono a prendersi l’elettrone per completare il doppietto da qualche altra molecola ma così facendo creano a loro volta altri radicali instabili e dando inizio a reazioni a catena che finiscono per danneggiare irreversibilmente le strutture cellulari.
Tra i radicali liberi più pericolosi vi sono i composti dell’ossigeno e pertanto gli organi più radiosensibili per l’uomo sono quelli che hanno i tessuti più ossigenati (midollo, intestino, testicoli, ovaie, bronchi, polmoni) e quelli delle persone più giovani che consumano fisiologicamente più ossigeno.

L’azione distruttiva dei radicali liberi è indirizzata soprattutto sulle cellule, in particolare sui grassi che ne formano le membrane (liperossidazione), sugli zuccheri e sui fosfati, sulle proteine del loro nucleo centrale, specialmente sul DNA (acido desossiribonucleico) dove alterano le informazioni genetiche, sugli enzimi, ecc.
L’azione continua dei radicali liberi si evidenzia soprattutto nel precoce invecchiamento delle cellule e nell’insorgere di varie patologie gravi come il cancro, malattie dell’apparato cardiovascolare, diabete, sclerosi multipla, artrite reumatoide, enfisema polmonare, cataratta, morbo di Parkinson e Alzheimer, dermatiti, ecc.

Da notare che alcuni radicali liberi si formano naturalmente nei processi metabolici del nostro organismo, a iniziare dal processo della produzione di energia per mezzo della respirazione cellulare; in tal caso i radicali liberi sono i prodotti di scarto nel caso di “combustioni” incomplete. 
Inoltre, quando la loro concentrazione non è eccessiva i radicali liberi aiutano il sistema immunitario nell'eliminazione dei germi e nella difesa dai batteri.

Per fronteggiare l’attacco dei radicali liberi, l’organismo utilizza gli antiossidanti, molecole presenti in moltissimi alimenti soprattutto vegetali, frutta e…pop corn. In molti casi gli antiossidanti non diventano a loro volta radicali liberi, perché anche se privi di un risultano piuttosto stabili chimicamente.

 

 

 

Esposizione. Dose assorbita

Le radiazioni ionizzanti sono potenzialmente dannose per l’uomo, perché alterano o distruggono la struttura delle molecole presenti nelle cellule. Tuttavia, tali radiazioni vengono impiegate in medicina a scopi diagnostici e terapeutici, per esempio, per la localizzazione di fratture ossee o per il trattamento dei tumori. I rischi dell’esposizione alle radiazioni  possono essere resi minimi utilizzandole in modo consapevole. Da qui la necessità di definire una serie di grandezze atte a stabilire i rischi che corriamo quando siamo esposti ad una certa radiazione.

Come abbiamo visto le radiazioni nucleari sono dette ionizzanti perché ionizzano le molecole colpite o attraversate da esse. Distinguiamo due casi: 

a) Effetti della radiazione sull’aria

 

Consideriamo un fascio di radiazioni che attraversa un massa m di aria. Il fascio produce ioni positivi con carica totale q.

Def. Chiamo esposizione la carica totale q prodotta nell’unità di massa dell’aria:

Nel S.I. l’esposizione si misura ovviamente in ; molto usata è un suo sottomultiplo chiamato roengsten R così definito:

In sostanza, quando un fascio di radiazione produce un’esposizione di 1 roengsteon viene prodotta una carica positiva di 2,58x10-4 C per ogni kg di aria.

b) Effetti della radiazione su altre sostanze

Il concetto di esposizione essendo definito intermini di capacità ionizzante in aria non specifica gli effetti delle radiazioni sui tessuti viventi. Perciò per scopi biologici risulta più utile la seguente grandezza:

Nel S.I. l’esposizione si misura ovviamente in ; molto usata è un suo sottomultiplo e precisamente il centesimo del Gray, chiamato rad (radiation absorbed dose) perciò così definito:

Tuttavia il danno biologico prodotto dipende dal tipo di radiazione ionizzante considerata. Per tener conto del fatto che i diversi tipi di radiazione hanno differenti effetti sui tessuti si utilizza un fattore di qualità Q così definito:

La seguente tabella riporta alcuni valori tipici di Q:

 

 

Tenendo conto di questo fattore di qualità di definisce l’equivalente di dose la seguente grandezza:

Nel S.I. l’equivalente di dose si misura ovviamente in ; ma è molto usata è un suo sottomultiplo e precisamente il centesimo del sievert, chiamato rem (roengsten equivalent man) dose) perciò così definito:

 

E’ utile ricordare il seguente fattore di conversione:

Conversione Roentgen >>> rad

 

 

Esercizi sugli effetti biologici delle radiazioni

 

1. Una certa massa d’acqua viene attraversata da un fascio di raggi gamma il cui assorbimento porta la temperatura dell’acqua da 20 a 50 °C. Determina la dose di raggi gamma assorbita dall’acqua.                                                                                                              (1,3x105 Gy)

2. Durante un esperimento si è irraggiato un tessuto biologico con raggi gamma aventi Q = 0,7. La dose assorbita dal tessuto è risultato di 8,5 Gy. Successivamente il tessuto è stato esposto a un flusso di neutroni con Q = 3,5. Quanto è stata la dose assorbita di radiazione dovuto ai neutroni sapendo che l’equivalente di dose dei neutroni è stata uguale a quella dei raggi gamma?                                                                                                                         (1,7 Gy)

 

3. Ipotizza che un uomo di 75 kg respirando il radon contenuto nell’aria venga esposto a 4,5x10-4 Sv di particelle alfa. Quanta energia assorbe il suo organismo?                (2,8x10-3J)

4. Mentre fai una radiografia al torace leggi che il cartellino dosimetrico indossato dal radiologo indica che egli ha assorbito una dose di 2,5x10-5 Gy. La massa del radiologo è di 65 kg. Quanta energia ha assorbito?                                                                         (1,6x10-3J)

 

5. Un paziente sottoposto a trattamento per un tumore riceve una dose assorbita di 2,1 Gy. La radiazione viene completamente assorbita dal tumore, formato da un tessuto con calore specifico di 4200 J/kg°C. Calcola l’aumento di temperatura del tumore.                (5x10-4 °C)

6. Il pilota di una compagnia aerea trascorre mediamente 18 ore settimanali a un’altezza di 12 km da terra. A causa dei raggi cosmici presenti a quell’altitudine, assorbe in quattro settimane una dose equivalente pari a 792 mSv. Quanto vale la dose equivalente assorbita dal pilota in un minuto di volo?                                                                                      (0,18 mSv)  

 

7. Una donna, di massa 65 kg, durante  una radiografia al torace è esposta ad una quantità di radiazioni pari a 0,2 Gy. Quanta energia è complessivamente assorbita dal corpo della donna?                                                                                                                              (13 J)  

8. In una azienda dove si producono dispositivi antifumo a ionizzazione che contengono l’isotopo emettitore di particelle alfa Am-241 si ritiene opportuno, per motivi di sicurezza, limitare la dose equivalente assorbita dai lavoratori a 1 mSv. Determina la massima dose e la massima energia assorbita, secondo tale prescrizione, da un uomo di 70 kg.(50 mGy; 3,5 mJ)         

 

9. Tessuti viventi esposti a 2x104 rad sono completamente sterilizzati. Stabilire l’aumento di temperatura dei tessuti causata da questa dose assorbita. Si assuma il calore specifico dei tessuti uguale a quello dell’acqua.                                                                            (0,048 °C)

10. Una radiosorgente beta emettitrice da 15 Ci, si trova a 3 metri di distanza  tua mano. Quanti elettroni attraversano la mano ogni cm2 e ogni secondo?                                          (4,9 x105)                              

 

Stima della dose assorbita da un individuo posto a 50 cm da 3.3 KBq di Ra226

Ad esempio stimiamo la dose assorbita in un’ora da uno studente di 68 Kg posto alla distanza di 50 cm da una sorgente la cui attività è di 0.1 m Ci.

Una tale sorgente ha 3300 disintegrazioni/secondo. Poiché ogni particella potrebbe avere 1 MeV di energia ci si aspetta un’energia totale emessa pari a:

dove si è posto stimandolo pari a 1/10=0.1 l’efficienza geometrica (angolo solido) sotteso dallo studente posto a 50 cm dalla sorgente. Inoltre si è diviso per 65 Kg poiché la radiazione non verrà concentrata da 1 Kg di tessuto ma sarà “diluita” su tutta la massa dello studente.
Da notare che un individuo riceve circa 0.25 rem all’anno dalle sorgenti di radiazione naturali (raggi cosmici, etc). Un esame diagnostico con raggi X comporta l’assorbimento di una dose pari a 100 milliRem (mammografia 100 mRem, radiografia del torace 14 milliRem, radiografia tubo digerente 500 milliRem). Gli organismi preposti alla definizione degli standard di protezione delle radiazioni (International Commision on Radiological Protection, I.C.R.P.) stabiliscono che una dose limite per il pubblico è di 0.5 rem/anno
I risultati ottenuti mostrano che il livello della pericolosità della sorgente di Ra226 è irrilevante poiché è, ad esempio, quasi 1/10 di quello della radiazione cosmica. Tuttavia è importante rilevare che il rischio non può considerarsi nullo poiché, avendo a che fare con un evento stocastico, non è possibile definire un valore di soglia; al limite, può essere considerato rischioso anche un singolo evento. Solo la probabilità che il danno si verifichi è funzione della dose assorbita, e non la gravità ad esso associata.

 

Stima della dose assorbita da un individuo che ingerisce 1 pCi  (3.7x10-2 Bq) di Po210

 

Il range in aria (in cm) delle particelle alfa di energia E espressa in MeV è: :

Nelle altre sostanze, come liquidi e solidi il range è ovviamente minore che nell’aria e può essere determinato con la seguente relazione, detta di Bragg-Kleeman:

Dove A è il peso atomico dell’assorbitore e r è la sua densità in . Nei composti A è la media pesata dei singoli elementi (effective molecular weight, Af). Nel caso dell’acqua (0.11 H, 0.89 O) e quindi di tessuto umano, avremo:

La particella alfa avrà quindi un range pari a:

La regione di tessuto dove verrà rilasciata l’energia della particella sarà una sfera di raggio pari al range, vale a dire:

Dalla (2) si ottiene:

Si tratta di una dose estremamente alta poiché l’energia della particella alfa viene depositata in un volume molto piccolo. Tenendo conto che se ingerito il polonio non agirebbe direttamente sul tessuto, è stato stabilito che il limite massimo tollerabile di radioattività da ingestione del polonio è 83000 Bq (3 µCi), una quantità corrispondente a quella prodotta da 3 × 10-9 grammi (3 nanogrammi) di polonio.

Attività dovuta alla presenza di Potassio-40 nell’uomo

Determinare l’attività dovuta al potassio-40 in un individuo da 70 Kg, assumendo che lo 0.35 % del suo peso sia potassio e che lo 0.0119 % di questo potassio sia K-40.

Il peso totale del potassio è pari a:

Innalzamento della temperatura corporea dovuta all’assorbimento di una dose di 1000 R

Determinare l’innalzamento della temperatura associata ad una dose assorbita di 1000 R, che è sicuramente fatale se a venirne esposto è l’intero corpo. Assumere che 1 R è equivalente all’assorbimneto di 93 ergs/grammi di tessuto.

Poiché il calore prodotto sarà:

Per definizione 1 caloria fa innalzare di un 1 grado centigrado la temperatura di 1 grammo d’acqua. Poiché il tessuto è approssimativamente equivalente all’acqua, si ha che 1000 R producono un innalzamento delle temperatura di circa 0.002 °C.

Da questo esempio è evidente che i danni biologici di radiazioni ionizzanti non sono legati all’energia assorbita. Così un uomo di 70 Kg che riceverebbe una dose di 1000 R di radiazione assorbirebbe cioè la stessa quantità che assorbirebbe bevendo 15.4 cc di acqua riscaldata di 1 °C sopra la temperatura del corpo.
L’assorbimento di 1000 R è equivalente a:

E questo produrrà:

 

Poiché 1 grammo di tessuto contiene circa 8x1022 atomi, la frazione ionizzata sarà:

Il resto degli atomi non saranno direttamente colpiti da questa certamente fatale dose di radiazione.

 

La tiroide e lo iodio.

La tiroide è una ghiandola di circa 25 grammi (25 cm3) a forma di farfalla situata alla base del collo, formata da 2 lobi a destra e 2 a sinistra, collegati al centro. La tiroide produce, immagazzina e rilascia gli ormoni tiroidei (T3 e T4) che agiscono all'interno di quasi tutte le cellule dell'organismo e consentono la regolazione di funzioni estremamente importanti, quali il metabolismo.
Le cellule della tiroide hanno la capacità di assorbire iodio, per cui le malattie di questo organo possono essere trattate con iodio radioattivo. Per la cura di tali malattie si impiega il radionuclide I-131 che è un emettitore beta, anche se la radiazione gamma associata comporta l’esposizione di altri tessuti e persino di altre persone. Chi è stato trattato con Iodio-131 per curare un problema alla tiroide eliminerà gran parte del radionuclide con le urine, tuttavia, per alcune settimane una parte dello iodio rimarrà nel loro corpo per cui potrebbe irraggiare altre persone. Prima di una scintigrafia tiroidea viene somministrata al paziente per via orale una capsula di iodio-131 (dose : 2-5 mCi).

L’isotopo Iodio-131 emette due raggi beta, uno con energia di 0.608 MeV (85 %) e l’altro con energia di 0.315 MeV(15%) il cui range nel tessuto è di 2 mm e 0.9 mm, rispettivamente.

Si determini la DE della ghiandola tiroidea dovuta ai raggi beta emessi da 2 mCi di Iodio-131.

Dalla (2) si ottiene:

 

Piogge radioattive o "fall-out" . Al momento di un'esplosione nucleare o di un grave incidente in una centrale nucleare, molto materiale, polveri oppure terra, viene sollevato dal terreno e si mescola con minute porzioni radioattive dei resti dell'esplosione. Le polveri possono venire trasportate nell'atmosfera anche a migliaia di chilometri di distanza per poi ricadere mescolate alla pioggia, quando è ancora radioattivo, in varie forme. Ad esempio, l'isotopo 90Sr (stronzio 90), che può depositarsi nel midollo delle ossa e provocare la leucemia, o lo 131I(iodio 131) che si deposita nella tiroide e ne provoca il cancro. Entrambi questi isotopi erano presenti nella nube radioattiva provocata dall'esplosione di Chernobyl e la loro ricaduta sull'Italia provocò, all'epoca, il divieto di consumo di alcuni cibi tra cui l'insalata.
Nel raggio di 20 chilometri attorno alle centrali nucleari svizzere sono state distribuite pillole di ioduro di potassio alla popolazione, da assumere unicamente in caso di un incidente. Le pillole saturano la tiroide con iodio inattivo e impediscono in tal modo la penetrazione dello iodio radioattivo tramite le derrate alimentari o le vie respiratorie.

 

http://ec.europa.eu/energy/nuclear/radioprotection/publication/doc/097_it.pdf

 

 
Fonte:  http://web.princeton.edu/sites/ehs/osradtraining/backgroundradiation/background.htm

 

 

Nota. Il röntgen è definito come la quantità di radiazione che produce in un campione di aria di 1cm3 a 0°C e 1 atm, una ionizzazione corrispondente ad una carica elettrica di 1 ues ovvero 2,08×109 coppie di ioni.

 

Biografia

Tsoulfanidis N., Measurement and Detection of Radiation , McGraw-Hill Series in Nuclear Enginnering, 1983.
Lapp and Andrews, Nuclear Radiation Physics, Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, N.J., 1963