Concetto di Radiazione
In generale si parla di radiazioni tutte le volte
che esiste una cessione di energia tra un
corpo ed un altro senza che vi sia un
contatto diretto o mediato.
Concetto di Radiazione
Con l’espressione RADIAZIONI si descrivono
fenomeni fisici quali, p.e.
La luce (radiazione luminosa)

Il calore (radiazione termica)
percettibili dai sensi umani,

La radiazione elettromagnetica (la
radiazione cosmica, le radiazioni ionizzanti, le
radiazioni non ionizzanti)
quasi sempre invisibile e non immediatamente
percettibile
L'assorbimento di energia si manifesta in
genere in un aumento locale di
temperatura ovvero con la produzione di
fenomeni fisici, chimici o biologici.
La Radioattività
Si definisce Radioattività la proprietà che hanno
gli atomi di alcuni elementi di emettere
spontaneamente radiazioni
La materia, in alcune sue forme, non ha vita
infinita
Dopo un tempo più o meno lungo si trasforma
ovvero decade
Il decadimento è in genere accompagnato dalla
emissione di radiazioni, da cui il nome di
decadimento radioattivo
La Radioattività
La radioattività non é stata inventata
ma scoperta dall'uomo!
Gli esseri viventi, dalla loro apparizione
sulla Terra, sono immersi in un vero e
proprio bagno di radioattività.

Henry Becquerel
Parigi 15.12.1852 Croisic 25.8.1908
Nel 1896 Henri Becquerel, indagando
sui fenomeni di luminescenza di
alcuni materiali, correlò
l’annerimento di una lastra fotografica
lasciata vicino a minerali d’uranio agli
esperimenti ed alle radiografie
effettuate da
Wilhelm Conrad
Roentgen
1845-1923
Becquerel notò altresì che tali raggi
scaricavano rapidamente i corpi
elettricamente carichi p.e. le foglie d'oro
di un elettroscopio. Due anni più tardi
Marie Curie, proseguendo gli studi
iniziati da Becquerel, scoprì che anche
altre sostanze godevano della stessa
proprietà dell'uranio p.e. il Th e suggerì di
chiamare tali sostanze radio (radium =
raggio) attive.
Henri Becquerel fu il primo uomo a
contrarre una malattia da radiazioni
Marie Curie fu il primo essere umano
morto per una malattia (diagnosticata
successivamente) da radiazioni
Separò il polonio e il radio la cui
radioattività risultava rispettivamente 400
e 1.000.000 di volte superiore a quella dei
sali di uranio puri e riuscì a stabilire la
natura dei raggi emessi scoprendo che
trattava di 3 tipi di radiazioni: la prima
elettricamente carica negativamente, la
seconda carica positivamente e la terza
neutra. Associò a tali raggi le prime tre
lettere dell'alfabeto greco a (alfa), b
(beta), g (gamma).
Radiazioni Ionizzanti


Le radiazioni si dicono ionizzanti quando
hanno energia sufficiente per produrre il
fenomeno fisico della ionizzazione che
consiste nel far diventare un atomo
elettricamente carico (ione).
Un gas ionizzato è un conduttore
Nei
tessuti biologici gli ioni generati dalle
radiazioni ionizzanti possono avere influenza
sui normali processi biologici.
Gli effetti biologici indotti dalle radiazioni
possono avere caratteristiche molto diverse
anche a parità di dose fisica; per valutare il
danno biologico é quindi necessario
conoscere anche il tipo e l’energia delle
radiazioni che deposita la dose.
La vita media di alcune particelle e atomi






n (neutrone)
p (protone)
e (elettrone)
m (muone)
U 238
U 235
t = 15 minuti
t > 1032 anni
t = infinito
t = 2.19 10-6 s
t = 4.5 109 anni
t = 7.1 108 anni
Le forze presenti nel nucleo




Ogni protone ha una carica di 1.6 10-19 C
La distanza tra due protoni è circa 10-15 m
Tra i protoni presenti nel nucleo si esercitano forze di repulsione
elettrostatiche molto intense.
La forza di repulsione Coulombiana vale :
38
Q2
2
.
56

10
F
 2  9  10 9 
N  230 N
30
4 r
10
1
 Questa forza di repulsione impedirebbe la aggregazione di più di
un protone nel nucleo.
 Tra i protoni e tra i neutroni si esercita una ulteriore forza
attrattiva detta Forza Forte
 La Forza Forte consente di legare insieme protoni e neutroni in
un nucleo
Condizioni di equilibrio di forze nel nucleo



La Forza Forte prevale sulla
repulsione elettrostatica, però ha un
raggio di azione molto breve 10-15 m
La forza elettrostatica ha invece un
raggio di azione infinito.
Per creare un nucleo con più protoni
occorre aggiungere del ‘collante’ : i
neutroni non risentono della forza
elettrostatica e costituiscono un
legame tra loro e i protoni
All’aumentare del numero di protoni
aumenta la percentuale di neutroni
presenti nel nucleo
Protoni

Neutroni
 I nuclei stabili (pallini neri) sono situati sulla ‘curva di stabilità’
 I nuclei instabili (pallini colorati) hanno un eccesso o un difetto di neutroni
 I nuclei instabili tenderanno a portarsi sulla curva di stabilità modificando il
numero di protoni e neutroni
ISOTOPI
Molti elementi hanno massa atomica (da non
confondere col numero di massa!) non sempre vicina
all'unità (per esempio Cl 35.45; H 1.008; Ni
58.71...). Ciò è dovuto alla possibilità di esistenza di
nuclei con eguale Z (perciò chimicamente eguali) e
diverso A (perciò con diverso numero di neutroni
nel nucleo).
Questi nuclidi di uno stesso elemento si
chiamano isotopi.
isotopi (dal greco isotoos = eguale posto,
nella tavola periodica, dato che si tratta di
atomi con lo stesso nome), con eguale Z
ed A diverso (per esempio 11H, 21H;
oppure 126C, 136C) , che per noi chimici
sono i più importanti
 Ad esempio, l'uranio (simbolo U) ha vari
isotopi: U-238, U-235, U-233. L'uranio-238
ha 92 protoni e (238-92) = 146 neutroni;
l'uranio-235 ha sempre 92 protoni, ma
(235-92) = 143 neutroni; l'uranio-233 ha
92 protoni e 141 neutroni.
Nella figura sono riportati,
in funzione di Z e di A,
tutti i nuclidi stabili, cioè
tutti quelli riscontrati in
natura; mancano perciò
quelli artificiali e quelli
radioattivi; in particolare si
può notare la mancanza di
Z=43 (tecnezio Tc) e di
Z=61 (promezio Pm),
artificiali, benché a Z
relativamente basso (ma
dispari per ambedue). Il
grafico si ferma a Z=83
(bismuto Bi), poiché tutti i
nuclidi con Z>83 sono
instabili e radioattivi, e
molti di essi artificiali.

L'elemento più semplice esistente in natura
l'idrogeno (H-1) ha due isotopi: il deuterio (H2) e il tritio (H-3). Quest'ultimo è radioattivo
ed emette particelle beta negative. In
generale un isotopo il cui simbolo sia Y è
caratterizzato dal numero atomico Z, pari al
numero dei protoni e degli elettroni, dal
numero di massa A, pari al numero totale di
particelle presenti nel nucleo e dal numero N
= A-Z pari al numero di neutroni. Se l'isotopo
è radioattivo, si parla di radioisotopo o
anche di radionuclide.
I radioisotopi







Ogni elemento è caratterizzato dal numero di protoni
presenti nel nucleo : numero atomico Z
H:Z=1
C:Z=6
O:Z=8
U : Z = 92 ecc…
Il numero di neutroni nel nucleo può variare
Il numero di massa è la somma di protoni e neutroni;
viene indicato con A
Nuclei con stesso Z e differente A sono detti isotopi
A seconda del valore di A l’isotopo può essere stabile
oppure può decadere
Se decade è detto radioisotopo
La costante di decadimento l




Il decadimento radioattivo è un fenomeno
probabilistico
l = probabilità che una particella, o un nucleo,
decada nell’unità di tempo (un secondo)
Non potremo mai sapere con certezza in che
istante un particolare nucleo dovrà decadere
Ma se abbiamo un numero molto grande N di
nuclei, potremo dire che ogni secondo decadono
l.N nuclei
La legge del decadimento radioattivo





N(t) : numero di nuclei non ancora decaduti al
tempo t
l.N(t) : numero di nuclei che decadono in 1 s
dN = l.N(t) dt : numero di nuclei che decadono
nel tempo dt
dN(t)/dt =  l.N(t) : derivata di N(t)
il segno negativo è dovuto al fatto che N(t) è in
diminuzione
Legge di deccadimento radioattivo (2)
dN(t)/dt =  l.N(t) ……... la soluzione è
N(t) = N0 e-lt
Dove N0 è il numero di nuclei all’istante t=0
12000
10000
N(t)
8000
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
tempo
80
100
120
Tempo di vita media e Tempo di dimezzamento
N(t) = N0 e-lt
….dopo un tempo t  1/l …. N(t) = N0 e-1 = N0 . 0.37
t è la vita media nei nuclei
 È più utile conoscere il tempo di
dimezzamento T :
N(T) = N0 / 2 = N0 e-lT
da e-lT = 1/ 2 si ricava
T = t log(2)

“Tempo di dimezzamento”
T1/2 = Ln 2
l
t.
1
t =
l
Tempo di vita medio
La misura della radioattività







Una sorgente radioattiva contiene un numero più o meno grande di
isotopi radioattivi.
È più utile conoscere il numero di nuclei che decadono nell’unità di
tempo, piuttosto che il numero totale di nuclei radioattivi presenti
nella sorgente.
Perché ?
A seguito del decadimento si avrà emissione di radiazioni.
La emissione di radiazioni è tanto più intensa quanto maggiore è la
rapidità con cui i nuclei decadono.
La Attività di una sorgente è definita come : numero medio di nuclei
che decadono nell’unità di tempo.
La Attività dà una idea della pericolosità della sorgente radioattiva.
L’attività
dN
A=
dt
A = -l N
Bequerel (Bq) = 1 dis/sec
Dose
dE
D=
dm
1J
1 Gy = 1 kg = 100 rad
Formula della Attività e unità di misura



Analizzando il decadimento radioattivo come fenomeno probabilistico
abbiamo trovato che : l.N(t) è il numero di nuclei che decadono in 1 s
Dalla definizione di Attività si ricava la relazione A(t) = l.N(t)
Quindi la Attività di una sorgente radioattiva decresce nel tempo con la
stessa legge del decadimento radioattivo
A(t) = l.N(t) = l.N0 e-lt = A0 e-lt
A(t) =  dN(t)/dt = l. N0 e-lt
 Le dimensioni della Attività sono : t-1 (numero di nuclei / tempo)
 L’unità di misura dovrebbe essere : Hz (Hertz) o s-1
 In realtà si usa il Bq (Bequerel), per precisare il tipo di fenomeno che si
sta prendendo in considerazione
Un famoso radioisotopo : C14







Gli isotopi sono identificati dal simbolo dell’elemento
chimico corrispondente a Z e dal numero di massa A:
C 12 : Z=6 A=12 (6 neutroni) ; abbondanza : 99%
C 13 : Z=6 A=13 (7 neutroni) ; abbondanza : 1%
C 14 : Z=6 A=14 (8 neutroni) ; 1/1000.000.000.000
C 12 e C 13 sono stabili
C 14 è un radioisotopo e decade con un tempo di
dimezzamento T = 5770 anni
Il C 14 viene prodotto nella atmosfera dalla interazione
dei raggi cosmici con l’azoto (N 14)
Radioisotopi naturali



Si trovano sulla Terra (e su tutti i Pianeti del sistema solare) molti
radioisotopi naturali
Tutti i radioisotopi naturali attualmente presenti sulla Terra hanno
tempi di dimezzamento paragonabili alla vita del sistema solare :
circa 5 109 anni
I radioisotopi naturali con tempi di dimezzamento molto più brevi
sono completamente decaduti
Alcuni radioisotopi
naturali
Radioisotopo
Tempo di dimezzamento
K 40
1.3 109 anni
Rb 87
5.0 1010 anni
Th 232
1.4 1010 anni
U 235
7.1 108 anni
U 238
4.5 109 anni
Le famiglie radioattive
Un nucleo radioattivo può decadere dando origine ad un
nucleo stabile oppure ad un nucleo a sua volta instabile, il
quale a sua volta decade in un altro nucleo instabile…..
È quanto accade nel caso del U 238, del U 235 e del Th
232, i tre radioisotopi naturali più comuni.
La sequenza dei radioisotopi prodotti a partire dal
capostipite prende il nome di famiglia radioattiva.
L’ultimo discendente di una famiglia radioattiva è un
isotopo stabile.
Per i tre radioisotopi indicati i discendenti stabili sono
rispettivamente Pb206 Pb207 e Pb208
La famiglia radioattiva dell’Uranio 238
Le condizioni di equilibrio nella famiglia radioattiva
U238
N1

dN1
 l1 N1
dt
La velocità di svuotamento (-dN/dt) dipende dal
livello nel serbatoio (N) e dalle dimensioni della
valvola di scarico (l)
Th234
N2

dN 2
 l2 N 2
dt
Possiamo immaginare la famiglia radioattiva come
una serie di serbatoi ciascuno dei quali si svuota
riempiendo il successivo
Quando si raggiungono le condizioni di equilibrio le
velocità di svuotamento di tutti i serbatoi sono uguali
Pa234
N3

dN 3
 l3 N 3
dt
La velocità di decadimento di un radioisotopo
(analoga alla velocità di svuotamento del serbatoio) è
chiamata Attività e dipende dalla costante di
decadimento l
In condizioni di equilibrio le Attività di tutti i
radioisotopi della famiglia sono uguali
Tutti i figli dell’U238 : Qtot = 51.63 MeV
Po218
a
3.05 min
6.11
4.27
Pb214
b
26.8 min
1.03
24.1 g
0.20
Bi 214
b
19.9 min
3.27
b
6.7 h
2.21
Po214
a
165 ms
7.83
U 234
a
2.5 103 a
4.84
Pb210
b
22.3 a
0.06
Th230
a
7.5 104 a
4.77
Bi 210
b
5.01 g
1.16
Ra226
a
1.6 103 a
4.87
Po210
a
138.4 g
5.41
Rn222
a
3.83 g
5.59
Pb206
Isotopo
Dec
T
U 238
a
4.7 107 a
Th234
b
Pa234
Q(MeV)
stabile
Effetti prodotti dalla energia emessa dall’U 238 e discendenti
Qtot x Numero atomi








La abbondanza frazionaria dell’U238 è di 3 ppm
Un kg di roccia contiene circa 3 mg di U 238
3 mg di U 238 corrispondono a 3 10-3/238 NAV atomi di U 238
Complessivamente 7.59 1018 atomi di U 238
Energia complessivamente irradiata : 7.59 1018 x 51.63 106 MeV =
3.92 1026 eV x 1.6 10-19 J/eV = 3.26 107 J = 17.42 kWh !
Ovviamente questa energia viene liberata su tempi molto lunghi …
miliardi di anni
Ma se non c’è modo di smaltire questa energia, la roccia si
scalda sino a fondere
L’interno della Terra è caldo a causa della radioattività naturale, le
eruzioni vulcaniche sono un effetto della radioattività !
Effetti prodotti dai radioisotopi naturali




Le radiazioni emesse dai radioisotopi naturali
producono effetti molto evidenti
Il riscaldamento del magma terrestre e di
conseguenza terremoti ed eruzioni vulcaniche sono
dovuti alla energia rilasciata dal decadimento
radioattivo dei radioisotopi naturali.
Il Radon, un gas radioattivo naturale, è attualmente
la fonte principale di dose da radiazioni ionizzanti per
la popolazione.
…. Non tutto ciò che è naturale produce effetti positivi
sulla salute …
Radioisotopi artificiali
 Sono prodotti per scopi medici e industriali utilizzando
reattori nucleari o acceleratori di particelle.
 Il tempo di dimezzamento dei radioisotopi prodotti
artificialmente è relativamente breve.
 L’elemento Tecnezio (Tc , Z = 43) non esiste in natura, nella
tavola periodica c’era un posto vuoto. Il Tc viene prodotto
artificialmente ed è molto utilizzato per scopi clinici.
Radioisotopo Tempo di dimezzamento
Alcuni radioisotopi
artificiali
Co 60
5.27 anni
Tc 99 *
6.23 ore
I 125
60 giorni
Cs 137
30 anni
Am 241
433 anni
DECADIMENTO RADIOATTIVO
Il decadimento radioattivo è un processo per
cui un nucleo radioattivo di un elemento o
radionuclide si trasforma nel nucleo di un
elemento diverso o raggiunge uno stato
energetico minore, emettendo radiazioni
ionizzanti.
DECADIMENTO RADIOATTIVO
Si distinguono: d.r. alfa (a); d.r. beta (b)
positivo o negativo; d.r. per cattura
elettronica; d.r. gamma (g); d.r. per
conversione interna. I d.r. a, b e g. danno
origine a flussi di particelle noti,
rispettivamente, come radiazioni (o raggi)
a, b e g.
I diversi tipi di decadimento nucleare : decadimento a


Quando un nucleo decade si verifica una variazione del numero di
protoni e neutroni
Nel decadimento a il nucleo espelle due protoni e due neutroni
decadimento a (alfa)
nucleo originario
nucleo decaduto
particella a
espulsa
• La particella a viene espulsa con grande energia a causa della repulsione
elettrostatica
• La particella a è un nucleo di Elio (He) . Tutto l’Elio presente sulla Terra
ha origine dal decadimento a dei radioisotopi naturali.
Esempio di decadimento a



Nel nucleo del radioisotopo U 238 ci sono 92 protoni e 146 neutroni.
Z = 92 A = 238 A-Z = 146 (numero di neutroni)
A seguito del decadimento a si trasforma in un nucleo di Th 234.
Z = 90 A = 234 A-Z = 144
In generale, un nucleo dell’elemento X con numero atomico Z e numero
di massa A si trasforma in un nucleo dell’elemento Y con numero atomico
Z-2 e numero di massa A-4
A
Z
X
 Az42Y  a
 Poiché il simbolo chimico dell’elemento identifica univocamente il numero
atomico Z, in genere si trascura la indicazione di Z.
U
 Tha
238
234
Decadimento alfa
Un nucleo di un elemento di numero atomico Z e di massa
atomica (o peso atomico) A emette una particella alfa (a),
corrispondente al nucleo dell'elio (due protoni p e due neutroni
n), trasformandosi nel nucleo dell'elemento con numero
atomico Z-2 e peso atomico A-4.
decadimento a: un nucleo di
radio si trasforma in rado
emettendo un fotone e una
particella alfa.
Il decadimento b

Un neutrone del nucleo si trasforma in un protone più un
elettrone (e anche un antineutrino…)
n : antineutrino
nucleo originario
nucleo decaduto
particella b
espulsa
 Il numero atomico Z (numero di protoni) cresce di una unità
 Il numero di massa A rimane invariato
 La particella b è un elettrone. Viene indicata in questo modo
per precisare la sua origine nucleare.
Decadimento beta
Nel d.r. beta negativo (b), un neutrone emette un elettrone e-,
trasformandosi in un protone e facendo diventare il nucleo
originario di numero atomico Z un nucleo dell'elemento di
numero atomico Z+1; nel d.r. beta positivo (b) si ha invece
l'emissione di un positrone e+ (elettrone positivo) da parte di un
protone, che diviene neutrone e trasforma il nucleo in uno
dell'elemento di numero atomico Z-1; in entrambi i d.r. beta la
massa atomica non cambia poichè la massa dell'elettrone è
molto minore di quella del protone e del neutrone; elettroni e
positroni provenienti da un nucleo per d.r. b± sono detti
particelle beta (b).
DECADIMENTO β
Decadimento beta

decadimento b
negativo: un neutrone
si traforma in protone
emettendo un fotone,
un elettrone e un
neutrino (che
contribuisce a
conservare la quantità
di moto).
Il decadimento b
 Un protone del nucleo si trasforma in un neutrone più un
anti-elettrone (e anche un neutrino…)
n : neutrino
nucleo originario
nucleo decaduto
particella b
espulsa
 Il numero atomico Z diminuisce di una unità
 Il numero di massa A rimane invariato
 La particella b è la antiparticella dell’elettrone, stessa massa
e carica di segno opposto.
Emissione di radiazione g (gamma)






A seguito del decadimento il nucleo si porta dapprima in uno stato
instabile
Dopo un tempo, in genere molto breve, si porta in una condizione di
maggiore stabilità espellendo energia sotto forma di radiazione
elettromagnetica : fotoni g
I fotoni g sono del tutto simili ai raggi X, anche in questo caso si usa
una nomenclatura diversa per indicare la loro origine nucleare.
I fotoni g sono molto penetranti, assai più delle particelle b e a.
Inoltre ogni radioisotopo emette fotoni g di energia caratteristica.
Questi fotoni sono la firma del radioisotopo.
Dalla analisi spettrale dei fotoni g si risale alla natura del
radioisotopo.
Decadimento gamma

E' associato ai d.r. a e b e avviene quando il
nucleo si porta su un livello di energia inferiore
grazie all'emissione di un fotone g (di energia tra
10 keV e 10 MeV, maggiore dei raggi X); il
numero atomico e la massa atomica non variano
DECADIMENTO g
I raggi γ sono radiazioni
elettromagnetiche che vengono emesse
in vari processi.
Ci sono anche altri tipi di decadimento radioattivo importanti
 Cattura elettronica (Electron Capture EC) : un elettrone è
catturato da un protone che si trasforma in neutrone
g
nucleo originario
nucleo decaduto
Viene emesso un
fotone g
 In questo tipo di decadimento non vengono emesse
particelle cariche (a e b) ma solo fotoni g
 I fotoni g sono utilizzati per eseguire diagnosi cliniche; le
particelle a e b producono solo danni al paziente.
 Esempio : I 125 (Iodio 125)
Decadimento per conversione interna

Avviene quando un elettrone assorbe
l'energia emessa dal nucleo e sfugge
all'atomo; il numero atomico e la massa
non cambiano.
Schema di decadimento
 Il Cs 137 (Cesio, Z = 55) decade in Ba
137 (Bario, Z = 56)
 Il decadimento b mantiene costante il
numero complessivo di protoni e
neutroni : A = 137.
 Il numero di protoni cresce da 55 a 56.
 In una prima fase si ha un decadimento
in un nucleo eccitato di Ba 137. (*
indica stato eccitato)
 Successivamente il Ba 137 si porta in
condizioni di stabilità emettendo un
fotone g di 662 keV
Cs 137
b
Ba 137 *
g
Ba 137
Il Cs 137 è prodotto in
grande abbondanza dalla
fissione dell’Uranio 235
Il segnale emesso dal radioisotopo che decade
U238
Ra226
a 4.2 MeV
g 15 keV
Th234
g 63 keV
Rn222

a 5.5 MeV
g 92 keV
Pa234
a 4.6 MeV
a 4.8 MeV
g 186 keV

Po218
a 6.0 MeV
g 1001 keV
U234

Pb214
a 4.8 MeV
Bi214
Th230
a 4.7 MeV
g 77 keV
g 295 keV
g 352 keV
g 609 keV
g 1120 keV

Ogni radioisotopo che
decade emette radiazioni
a e/o g caratteristiche
La energia delle particelle
a o dei fotoni g è tipica
del radiosotopo e quindi
ne consente il
riconoscimento
Le particelle b hanno
energia variabile e sono
meno utili nella analisi
Gli strumenti più utilizzati
sono gli spettrometri a e
g; la risoluzione è elevata
Radiazioni Ionizzanti



Una particella carica (e-, b, b, a, p+ …) che attraversa
la materia interagisce con gli elettroni degli atomi
producendo ionizzazioni.
Occorrono mediamente 30 eV per produrre una
ionizzazione e la particella perde una corrispondente
frazione di energia
Un parametro importante è il Potere Frenante (Stopping
Power) che varia fortemente per le varie particelle e
varia con il materiale e la energia della particella
E
S
x
In Acqua, si ha : per e e b
per le particelle a
S = 2 Mev/cm
S = 1700 MeV/cm
Una cellula attraversata da a o b





Calcoliamo S in eV/mm
Per le particelle b : S = 200 eV/mm
Per le particelle a : S = 170.000 eV/mm
Una particella b che attraversa una cellula di diametro
di 1 mm rilascia 200 eV, producendo circa 6-7
ionizzazioni; la probabilità di danno cellulare è molto
bassa
Una particella a che attraversa la stessa cellula rilascia
170.000 eV, producendo circa 60.000 ionizzazioni, la
probabilità di danno cellulare è altissima
Percorso compiuto da una particella ionizzante in acqua





Le particelle b emesse dal P32 hanno una energia
massima Emax = 1.7 MeV
In acqua (nel tessuto molle) le particelle b percorrono
una distanza x = Emax/ Sb = 1.7/2 cm = 0.85 cm
Le particelle a hanno tipicamente una energia intorno a
5 MeV
In acqua (nel tessuto molle) le particelle a percorrono
una distanza x = E/Sa = 5/1700 cm = 0.003 cm = 30
mm
…. ricordando che in acqua :
Sb = 2 Mev/cm
Sa = 1700 Mev/cm
Potere frenante in altri materiali






Il potere frenante dipende dal numero di elettroni
incontrati dalla particella ionizzante nel suo percorso.
Il numero di elettroni è proporzionale alla densità
Quindi le particelle a e b compiono percorsi maggiori in
aria, che ha una densità pari a 1.3 kg/m3 (1.3 mg/cm3 )
Il percorso in aria è 1000/1.3 volte maggiore (770 volte)
rispetto all’acqua
Una particella b emessa dal P32 percorre in aria una
distanza pari a circa 700 cm = 7 metri !
Una particella a emessa di 5 MeV percorre in aria una
distanza di circa 2.5 cm
Radiazioni indirettamente ionizzanti




I raggi X, g e neutroni sono radiazioni indirettamente
ionizzanti, in quanto producono ionizzazione solo dopo
aver ceduto la loro energia ad una particella carica (un
elettrone o un protone o un nucleo)
La interazione di queste radiazioni con la materia segue
leggi probabilistiche
Può capitare che un fotone X o g attraversi spessori
elevati di materiali senza interagire …
Quale deve essere lo spessore di una schermatura ?
Radiazioni direttamente e indirettamente ionizzanti
E=Eb-S x Una particella b che attraversa
Eb
uno spessore x di materiale
perde tutta oppure parte della
sua energia
x
X,g
Una fotone X o g che attraversa un
materiale può passare indenne oppure
interagire mettendo in moto un
elettrone
Probabilità di interazione dei fotoni X e g





La probabilità che un fotone interagisca attraversando lo spessore
unitario di materiale è indicata come : coefficiente di attenuazione
lineare m
Il coefficiente di attenuazione lineare dipende dal materiale e dalla
energia dei fotoni
Tipicamente m cresce con il numero atomico Z del materiale e
diminuisce con la energia del fotone
Se consideriamo un singolo fotone non potremo mai sapere se
interagirà o passerà indenne attraverso lo spessore x di materiale
Ma se consideriamo un grande numero di fotoni incidenti sapremo
che una frazione di essi andrà incontro ad interazione
Quanti sono i fotoni che subiscono interazione?



Il numero N di fotoni che interagiscono dipende da:

Numero di fotoni incidenti N0

Coefficiente di attenuazione m

Spessore del materiale x
Di conseguenza : N = - N0 m x ( il segno – è dovuto al fatto che i
fotoni N risultano mancanti rispetto al numero iniziale)
Tutte le leggi con un meccanismo di funzionamento probabilistico
portano ad una equazione esponenziale
N(x) = N0 e-mx …molto simile alla legge sul decadimento
radioattivo
Fotoni emergenti e fotoni assorbiti
10000
Fotoni emergenti
9000
8000
7000
6000
5000
N(x) = N0 e-mx
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fotoni assorbiti
10000
9000
8000
7000
Nabs(x) = N0 (1- e-mx )
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
20
40
60
80
100
Efficienza di rivelazione per i fotoni X e g



I raggi X e g che attraversano un rivelatore vengono assorbiti solo in
parte
Una frazione più o meno grande attraversa il rivelatore senza subire
interazione
Indichiamo come efficienza di rivelazione il rapporto tra fotoni
assorbiti (e quindi rivelati) e il fotoni incidenti:
Eff = Nabs(x) / N0 = 1- e-mx


L’efficienza dipende dalla energia dei fotoni, dal tipo di materiale
(entrambi rappresentati dal termine m) e dallo spessore x del
rivelatore.
Per ottenere efficienze vicine a 1 (quindi 100% ) il termine
tendere a zero, quindi mx deve assumere valori elevati.
e-mx deve
Efficienza delle lastre radiografiche per i fotoni e b






L’efficienza di rivelazione per i raggi X nelle lastre
radiografiche è < 10%
L’efficienza di rivelazione per le particelle b è = 100%
I radioisotopi emettitori b sono ottimi per le
autoradiografie
Perché non si usano sorgenti b anche per le radiografie
diagnostiche ?
Perché nei laboratori di Radiobiologia si usano soprattutto
sorgenti b ?
Perché nei reparti di Medicina Nucleare si usano
soprattutto sorgenti g ?
Caratteristiche dei radioisotopi impiegati in campo bio-medico

I parametri da considerare nella scelta di un
radioisotopo sono i seguenti:
1.
2.
3.

Caratteristiche chimiche opportune
Tempo di dimezzamento adatto (tempo di analisi,
smaltimento)
Radiazioni utili per il tipo di applicazione (a b o g ?)
Per quanto riguarda le caratteristiche chimiche del
radioisotopo i problemi sono analoghi nei campi medico
e biologico
Impiego di radioisotopi in medicina nucleare
Un sistema di diagnosi per immagini in medicina nucleare consiste in:
• un particolare radiofarmaco che viene metabolizzato dall'organismo e si
concentra nell’organo di interesse;
• un rivelatore di radiazioni ( Gammacamera = macchina fotografica per
raggi gamma) che fornisce una distribuzione spaziale del radioisotopo
all’interno del corpo del paziente.
Impiego di radioisotopi in campo biologico




Marcatura di una molecola con un radioisotopo (il
tracciante)
Processo di sintesi : il tracciante è inglobato nella
molecola di interesse
Elettroforesi : separazione delle macromolecole
Autoradiografia (con tecniche tradizionali,
schermi al fosforo, rivelatori a stato solido..)
Tempo di dimezzamento ottimale dei radioisotopi





Il tempo di dimezzamento deve essere abbastanza lungo da
consentire l’esecuzione dell’esame diagnostico o della analisi di
laboratorio
Non deve essere eccessivamente lungo, per non danneggiare
inutilmente il paziente.
Un problema pratico riguarda l’approvvigionamento : non si
possono acquistare radioisotopi con tempo estremamente breve.
In casi particolari i radioisotopi si producono in casa con gli
acceleratori, è il caso dei radioisotopi che decadono b+ e che sono
usati nella PET.
I radioisotopi con tempo di dimezzamento lungo comportano
problemi legati allo smaltimento : costi elevati e problemi
protezionistici.
Radiazione emesse dai radioisotopi impiegati in
campo medico
1.
2.
3.



Le radiazioni emesse non devono danneggiare il paziente
Devono attraversare il corpo del paziente con una modesta
attenuazione
Devono essere facilmente rivelate all’esterno con un rivelatore di
elevata efficienza.
I punti 1 e 2 portano ad escludere i radioisotopi che decadono
emettendo particelle direttamente ionizzanti (a e b)
I radioisotopi ideali sono quelli che decadono emettendo sono raggi
X o g , quindi decadono per Cattura Elettronica (vedi I125) o per
transizione isomerica (vedi Tc99m)
Il punto 3 impone che la energia dei fotoni emessi sia
sufficientemente elevata e che il rivelatore abbia dimensioni notevoli.
Radiazione emesse dai radioisotopi impiegati in
campo biologico
1. Le radiazioni emesse non devono irraggiare eccessivamente
l’operatore
2. Devono essere facilmente schermate.
3. Devono essere facilmente rivelate con una lastra fotografica
 I punti 1, 2 e 3 portano ad indicare come radioisotopi ideali
quelli emettono quasi esclusivamente particelle b
1. Infatti l’irraggiamento con particelle b può produrre danni
sono sulla superficie della cute
2. Le particelle b sono facilmente attenuate da schermi leggeri
e trasparenti di PMMA (Plexiglass)
3. L’efficienza di rivelazione delle lastre fotografiche è circa il
100% per le particelle b
Gli effetti prodotti dalle radiazioni ionizzanti





Le radiazioni emesse da un nucleo che decade sono di energia
elevata, da pochi keV ad alcuni MeV.
Bastano pochi eV per produrre la ionizzazione di un atomo e quindi la
rottura di un legame molecolare.
Se viene deteriorata la molecola del DNA si può indurre un processo
che porta alla duplicazione incontrollata della cellula (neoplasia).
Le radiazioni a e i neutroni sono più pericolosi, in quanto
danneggiano con maggiore efficacia le cellule.
Le radiazioni g sono meno efficaci nel produrre un danno localizzato
ma sono difficilmente schermabili.
I danni prodotti dalle radiazioni
ionizzanti e la loro misura






Per quantificare il danno prodotto dalle radiazioni ionizzanti si utilizza
la grandezza Dose
L’unità di misura è il Gray = J/kg
Il Gray (Gy) corrisponde ad un valore di dose estremamente alto.
Pochi Gy al corpo intero producono danni mortali.
La Dose annua dovuta ai radioisotopi naturali (U238, Th234, K40) è
di circa 1-2 mGy.
Mediamente le analisi radiologiche comportano una dose dello stesso
ordine di grandezza (una radiografia => 1-10 mGy)
La Dose massima consentita per un lavoratore esposto a rischio di
radiazione è di 20 mGy per anno.
Danni da radiazione. Effetti sicuri ed effetti statistici






Dosi molto alte di radiazione producono un danno sicuro alla salute. Dosi di
decine di Gy portano alla morte in poco tempo.
Si è osservato che dosi più basse dei valori letali somministrate alla intera
popolazione portano ad un aumento della incidenza dei tumori.
Per precauzione si considera che non vi sia un limite al di sotto del quale la
Dose sia innocua.
In base a questo principio anche la Dose dovuta a motivi naturali viene
considerata un rischio. Attualmente il rischio Radon è il più importante tra i
rischi da radiazione.
Si assume che la Dose assorbita da un lavoratore esposto a rischio da
radiazioni comporti una probabilità di induzione di tumore nella vita
lavorativa di 1 su 10000.
Lo stesso rischio si corre fumando 2 sigarette in un anno (due in un anno,
non due al giorno!)
Introduzione nell’organismo di radioisotopi emettitori di
radiazioni a




Le radiazioni a sono molto pericolose ma vengono facilmente
schermate. Quindi le sorgenti che emettono radiazioni a possono
essere ‘manipolate’ in condizioni di sicurezza purché siano sigillate.
Introdurre nell’organismo radioisotopi che emettono particelle a
comporta un rischio molto elevato.
Purtroppo con questo rischio conviviamo da sempre a causa della
presenza di sorgenti radioattive naturali che emettono particelle a
Quali sono i rischi delle popolazioni che vivono nelle zone in cui ci
sono concentrazioni elevate di Uranio nel suolo e nel materiale da
costruzione?
Principali fonti di esposizione alle radiazioni ionizzanti
Radon 56%
Medicina nucleare - 4%
Raggi
cosmici -8%
Interne - 10%
Terreno -8%
Altro - 1%
Prodotti di
consumo 3%
Radiografie - 10%
Il Radon





Il Radon è un gas radioattivo prodotto
dal decadimento del Radio (il quale a
sua volta è prodotto dall’Uranio)
Il Radon è un gas inerte, non forma
composti, la molecola è monoatomica e
quindi molto piccola.
Penetra attraverso il suolo all’interno
delle abitazioni.
Il Radon respirato può decadere
all’interno dei polmoni emettendo
particelle a, dannose per l’organismo.
Attualmente il Radon naturale
rappresenta la maggior fonte di rischio
di tipo radioattivo.
Radon : effetti sulla salute


Il principale effetto sanitario è un aumento di rischio
di tumore polmonare.
il Radon rappresenta, dopo il fumo, la seconda causa
di morte per tumore polmonare. Esso contribuisce
circa al 10% dei tumori polmonari:
Popolazione
Casi/anno
totali di
tumori
polmonari
Concentrazio
ni medie
annuali
Bq/m3
Stima di
tumori
polmonari
attribuiti a
Radon
220.000.000
157000
46
15000
57.700.000
40000
20
2000
SVEZIA
8.700.000
3000
100
900
ITALIA
57.100.000
36000
80
4000
USA
UK
Radon : legislazione attuale




Direttiva 96/29/EURATOM in materia di protezione sanitaria della
popolazione e dei lavoratori contro i rischi derivanti dalle radiazioni
ionizzanti
Il Decreto Legislativo 26 maggio 2000, n. 241 impone la misura di
concentrazione di Radon in alcuni ambienti sotterranei (gallerie,
cunicoli, sottovie, terme …)
Entro 5 anni (il 31/12/2005) le Regioni devono individuare le zone
in cui intervenire anche in superficie
Quasi tutte le nazioni europee hanno già indicato i livelli di
intervento per effettuare le bonifiche :
Radon : i limiti in alcune nazioni
Limiti Raccomandati
Unione Europea
Case esistenti
Case future
400
200
200 ÷ 600
WHO
Italia
?
Australia
Austria
?
200
400
200
Belgio
400
Canada
800
Finlandia
Germania
Limiti imposti
400
200
250
1000
Il fondo radioattivo naturale
•Elementi radioattivi naturali più abbondanti – Uranio, Torio e Potassio 40.
•Gas Radon – è un gas radioattivo prodotto nel decadimento dell’Uranio; è
presente nel suolo, nei materiali da costruzione e nell’acqua. Si diffonde
nell’aria e viene inspirato. Decade emettendo particelle alfa.
•Radiazioni cosmiche – sono costituite da radiazioni ad altissima energia e
fortemente penetranti, vengono prodotte dalle stelle e in particolare dal
Sole.
•Il nostro corpo – Tutti gli essere viventi sono leggermente radioattivi,
soprattutto a causa del K 40 che viene metabolizzato. Inoltre è presente C14
in quantità minime. Più altri radioisotopi naturali in funzione della
situazione ambientale.
Quanto Uranio c’è in casa nostra? Circa tre milionesimi della massa totale.
Tra 100 g e 1 kilogrammo, contenuto nei materiali da costruzione

Famiglie radioattive
Il nucleo figlio generato dalla produzione di un decadimento
radioattivo di tipo a o b da un genitore pesante può però
non essere comunque stabile e decadere ulteriormente
finché non raggiunge
un isotopo stabile . in natura esistono degli isotopi che danno
luogo a
processi seriali accompagnati da emissioni a e b e spesso
anche da
emissioni g. Gli elementi in questione hanno un numero
atomico che
va da 82 a 95, ed assieme ai loro figli sono catalogati nelle
cosiddette
serie o famiglie radioattive
Gli isotopi radioattivi naturali possono essere raggruppati in 3 famiglie,
con un capostipite da cui prendono il nome; poiché le emissioni che
portano a variazione di A (oltre che di Z) sono le a, ogni isotopo avrà A
con differenza di 4 rispetto al predecessore: avremo così le seguenti
famiglie, identificabili, oltre che col nome del capostipite, con una
espressione algebrica che esprime il numero di massa di ogni membro
della famiglia con n variabile (per semplicità saranno indicati solo i numeri
di massa; Z è comunque identificato dal simbolo dell'elemento):
(4n+2) del Torio 234: 234Th, 234Pa, 234U, 230Th, 226Ra,
222Rn, 218Po, 218At, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Ti, 210Pb, 210Bi,
210Po, 206Ti, 206Pb.
(4n) del Torio 232: parte da 232Th e termina con 208Pb.
(4n+3) dell'Uranio 235: parte da 235U e termina con 207Pb.
E' interessante notare che tutte queste tre famiglie
terminano con un isotopo del Pb, elemento che è
evidentemente molto stabile; ricordando le tabelle
dell'abbondanza di nuclidi (figg. 11.3, 11.5, 11.6),
Pb ha Z=82, pari.
Manca però, in natura, una serie, quella (4n+1).
Evidentemente non esiste più un capostipite di
questa famiglia, perciò essa deve essersi esaurita.
La serie però può essere considerata a partenza da
un elemento artificiale
Famiglie Radioattive Naturali ed Artificiali
 SERIE DELL’URANIO
 SERIE DEL TORIO
 SERIE DELL’ATTINIO
 SERIE DEL NETTUNIO
Ognuna delle serie considerate presentano un elemento
gassoso mentre tutti gli altri sono solidi e termina con un
elemento stabile che è un isotopo del piombo, ad eccezione
della serie del nettunio (artificiale) che non ha nuclidi
gassosi
e che termina con un isotopo del bismuto
SERIE DELL’URANIO Il capostipite di questa serie è l’ 238U che
emette a trasformandosi in 234Th. L’elemento gassoso è il
222Rn ( Radon ). L’elemento stabile della serie è 206Pb.La serie è
detta “4n+2” poiché il numero di massa dei suoi membri può essere
ricavato da questa relazione.
Famiglia del Th 234

(4n+2) del Torio 234: 234Th, 234Pa,
234U, 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 218At,
214Pb, 214Bi, 214Po, 210Ti, 210Pb, 210Bi, 210Po,
206Ti, 206Pb.
SERIE DEL TORIO Il capostipite è il 232Th che emette a
trasformandosi in 228Rn. L’elemento gassoso è il 220Rn220(Thoron).L’elemento stabile della serie è il 208Pb (Thorium D).
La serie è detta “4n”
SERIE DELL’ATTINIO Il capostipite è l’235U che decade a
trasformandosi in 231Th . L’elemento stabile della serie 207Pb
(Actinium D) . La serie è detta “ 4n+3”
SERIE DEL NETTUNIO Il capostipite è il 241Pu ( che viene creato
artificialmente ) che emette β dando 241Am. L’elemento stabile è
209Bi. La serie è detta “4n+1”.
Radiazioni ionizzanti
Le sorgenti radioattive emettono in genere radiazioni di elevata
energia che possono produrre la scissione delle molecole e la
ionizzazione degli atomi. Per questo motivo sono dette radiazioni
ionizzanti
Radiazioni emesse durante i decadimenti
radioattivi:
•Particelle a e b
•Radiazioni g
Radiazioni emesse da altre sorgenti:
•Raggi X
•Raggi ultravioletti
Radiazione
Tutte queste radiazioni sono ionizzanti e
come tali possono produrre danni agli
organismi viventi.
Radiazioni elettromagnetiche
Le radiazioni luminose hanno energie
tra 1,5 e 3 eV
I raggi ultravioletti
tra 3 e 20 eV
I raggi X usati per le radiografie, tra
keV)
tra 20.000 e 100.000 eV (20 - 100
I raggi gamma emessi dal Cesio 137
keV)
esattamente 661.645 eV (661,645
Un altro radioisotopo mitico Tc 99 metastabile
 Il Mo99 decade in Tc99* con un tempo
di dimezzamento di circa 6 giorni
 Il Tc99* rimane in uno stato eccitato
(metastabile) per un tempo T = 6 h.
 Questo tipo di decadimento è chiamato
transizione isomerica (isomero: stesso
Z, stesso A)
Mo 99
b
Tc 99 *
g
Tc 99
•
In pratica si acquista settimanalmente il radioisotopo Mo99
•
All’atto della preparazione del radiofarmaco si separa chimicamente il Tc
dal Mo, dato che Tc e Mo hanno comportamenti chimici molto diversi
•
Al paziente si somministra il Tc99* che va incontro a decadimento
isomerico emettendo solo radiazione g
Lo spettrometro g al Germanio HP
Il rivelatore è costituito da un cristallo di
Ge di alta purezza che produce un segnale
elettrico quando cattura un fotone g
Il segnale ha una altezza proporzionale
alla energia del fotone
Raccogliendo i segnali e classificandoli
in funzione della altezza (o energia) si ha
lo spettro g
Il rivelatore deve essere mantenuto a bassa temperatura; un dewar riempito di Azoto
liquido mantiene la temperatura del rivelatore a -200°C
L’elettronica accessoria fornisce alta tensione (3000 V) e amplifica i deboli segnali. Un
elaboratore con scheda di acquisizione crea e visualizza lo spettro
Una grossa schermatura evita la rivelazione di segnali provenienti dall’esterno
Uno spettro g in condizioni di equilibrio : roccia dei fondali del mare de
La Maddalena
Spettro gamma - Roccia campione 1
1120 keV : Bi214
1462 keV : K40
968 keV : Ac228 (Th)
609 keV : Bi214
583 keV : Tl208 (Th)
Si notano anche le righe dei discendenti del
Th232 e la presenza del K40
911 keV :Ac228 (Th)
1000
511 keV : Tl208 (Th)
2000
338 keV Ac228 (Th)
3000
186 keV : Ra226
4000
93 keV : Th234
77 keV : Pb214
Conteggi
5000
295 keV : Pb214
6000
Nello spettro sono presenti le righe tipiche
dei discendenti dell’U238 nelle proporzioni
corrispondenti alle condizioni di equilibrio
352 keV : Pb214
242 keV : Bi214
7000
0
0
200
400
600
800
1000
Energia (keV)
1200
1400
1600
1800
Una strana anomalia : un eccesso di Th234 in un campione di alghe
rosse
Spettro gamma - Alghe - Prima misura
10000
La concentrazione di Th234 è molto più alta
di quanto ci si aspetta in condizioni di
equilibrio
93 keV : Th234
9000
8000
Si nota anche la presenza del Pa 234m che è
il discendente del Th234
7000
1120 keV : Bi214
1001 keV : Pa234m
766 keV : Pa234m
609 keV : Bi214
583 keV : Tl208
481 keV : Pa234
1000
352 keV : Pb214
2000
242 keV : Bi214
3000
186 keV : Ra226
4000
113 keV : Th234
5000
63 keV : Th234
Conteggi
6000
1462 keV : K40
0
0
200
400
600
800
1000
Energia (keV)
1200
1400
1600
1800