Tipi di radiazioni ionizzanti

particelle alfa

Una particella alfa è un insieme strettamente legato di due protoni e due neutroni. È identico a un elio-4 (⁴lui) nucleo. In effetti, il suo destino finale dopo aver perso la maggior parte della sua energia cinetica è quello di catturare due elettroni e diventare un atomo di elio.

I radionuclidi che emettono alfa sono generalmente nuclei relativamente massicci. Quasi tutti gli emettitori alfa hanno un numero atomico maggiore o uguale a quello del piombo (⁸²Pb). Quando un nucleo decade emettendo una particella alfa, sia il suo numero atomico (numero di protoni) che il suo numero di neutroni si riducono di due e il suo numero di massa atomica si riduce di quattro. Ad esempio, il decadimento alfa dell'uranio-238 (²³⁸U) al torio-234 (²³⁴Th) è rappresentato da:

L'apice sinistro è il numero di massa atomica (numero di protoni più neutroni), il pedice sinistro è il numero atomico (numero di protoni) e il pedice destro è il numero di neutroni.

I comuni emettitori alfa emettono particelle alfa con energie cinetiche comprese tra circa 4 e 5.5 MeV. Tali particelle alfa hanno una portata in aria non superiore a circa 5 cm (vedi figura 1). Sono necessarie particelle alfa con un'energia di almeno 7.5 MeV per penetrare nell'epidermide (lo strato protettivo della pelle, spesso 0.07 mm). Gli emettitori alfa generalmente non rappresentano un pericolo di radiazioni esterne. Sono pericolosi solo se assunti all'interno del corpo. Poiché depositano la loro energia a breve distanza, le particelle alfa sono radiazioni ad alto trasferimento lineare di energia (LET) e hanno un elevato fattore di ponderazione della radiazione; tipicamente, w _R= 20.

Figura 1. Radiazione a portata di energia di particelle alfa lente nell'aria a 15 e 760 m

Particelle beta

Una particella beta è un elettrone o un positrone altamente energetico. (Un positrone è l'antiparticella dell'elettrone. Ha la stessa massa e la maggior parte delle altre proprietà di un elettrone tranne che per la sua carica, che è esattamente della stessa grandezza di quella di un elettrone ma è positiva.) I radionuclidi beta-emittenti possono avere un peso atomico alto o basso.

I radionuclidi che hanno un eccesso di protoni rispetto ai nuclidi stabili di circa lo stesso numero di massa atomica possono decadere quando un protone nel nucleo si converte in un neutrone. Quando ciò accade, il nucleo emette un positrone e una particella estremamente leggera e molto non interagente chiamata neutrino. (Il neutrino e la sua antiparticella non hanno alcun interesse per la protezione dalle radiazioni.) Quando ha ceduto la maggior parte della sua energia cinetica, il positrone alla fine collide con un elettrone ed entrambi vengono annichilati. La radiazione di annichilazione prodotta è quasi sempre costituita da due fotoni da 0.511 keV (chiloelettronvolt) che viaggiano in direzioni distanti 180 gradi. Un tipico decadimento del positrone è rappresentato da:

dove il positrone è rappresentato da β⁺ e il neutrino di n. Si noti che il nuclide risultante ha lo stesso numero di massa atomica del nuclide genitore e un numero atomico (protone) maggiore di uno e un numero di neutroni minore di uno rispetto a quelli del nuclide originale.

La cattura elettronica compete con il decadimento del positrone. Nel decadimento per cattura elettronica, il nucleo assorbe un elettrone orbitale ed emette un neutrino. Un tipico decadimento per cattura elettronica è dato da:

La cattura elettronica è sempre possibile quando il nucleo risultante ha un'energia totale inferiore a quella del nucleo iniziale. Tuttavia, il decadimento del positrone richiede che l'energia totale dell'iniziale atomo è maggiore di quello risultante atomo di oltre 1.02 MeV (il doppio dell'energia di massa a riposo del positrone).

Simile al decadimento di cattura di elettroni e positroni, il negatrone (β^-) il decadimento si verifica per i nuclei che hanno un eccesso di neutroni rispetto ai nuclei stabili di circa lo stesso numero di massa atomica. In questo caso il nucleo emette un negatrone (elettrone energetico) e un antineutrino. Un tipico decadimento del negatron è rappresentato da:

dove il negatron è rappresentato da β^- e l'antineutrino by`n Qui il nucleo risultante guadagna un neutrone a spese di un protone ma ancora una volta non cambia il suo numero di massa atomica.

Il decadimento alfa è una reazione a due corpi, quindi le particelle alfa vengono emesse con energie cinetiche discrete. Tuttavia, il decadimento beta è una reazione a tre corpi, quindi le particelle beta vengono emesse su uno spettro di energie. L'energia massima nello spettro dipende dal radionuclide in decadimento. L'energia beta media nello spettro è circa un terzo dell'energia massima (vedi figura 2).

Figura 2. Spettro energetico dei negatroni emessi da ³²P

Le energie beta massime tipiche vanno da 18.6 keV per il trizio (³H) a 1.71 MeV per il fosforo-32 (³²P).

La portata delle particelle beta nell'aria è di circa 3.65 m per MeV di energia cinetica. Per penetrare nell'epidermide sono necessarie particelle beta di almeno 70 keV di energia. Le particelle beta sono radiazioni a basso LET.

Radiazione gamma

La radiazione gamma è la radiazione elettromagnetica emessa da un nucleo quando subisce una transizione da uno stato energetico superiore a uno inferiore. Il numero di protoni e neutroni nel nucleo non cambia in tale transizione. Il nucleo potrebbe essere stato lasciato nello stato di energia superiore a seguito di un precedente decadimento alfa o beta. Cioè, i raggi gamma vengono spesso emessi immediatamente dopo i decadimenti alfa o beta. I raggi gamma possono anche derivare dalla cattura di neutroni e dalla diffusione anelastica di particelle subatomiche da parte dei nuclei. I raggi gamma più energetici sono stati osservati nei raggi cosmici.

La Figura 3 è un'immagine dello schema di decadimento per il cobalto-60 (⁶⁰Co). Mostra una cascata di due raggi gamma emessi in nichel-60 (⁶⁰Ni) con energie di 1.17 MeV e 1.33 MeV dopo il decadimento beta di ⁶⁰Co.

Figura 3. Schema di decadimento radioattivo per ⁶⁰Co

La Figura 4 è un'immagine dello schema di decadimento per il molibdeno-99 (⁹⁹Mo). Si noti che il risultante tecnezio-99 (⁹⁹Il nucleo Tc) ha uno stato eccitato che dura per un tempo eccezionalmente lungo (t_½ = 6 ore). Un tale nucleo eccitato è chiamato an isomero. La maggior parte degli stati nucleari eccitati ha un'emivita compresa tra pochi picosecondi (ps) e 1 microsecondo (μs).

Figura 4. Schema di decadimento radioattivo per ⁹⁹Mo

La figura 5 è un'immagine dello schema di decadimento dell'arsenico-74 (⁷⁴Come). Illustra che alcuni radionuclidi decadono in più di un modo.

Figura 5. Schema di decadimento radioattivo per ⁷⁴Come, illustrando processi concorrenti di emissione di negatroni, emissione di positroni e cattura di elettroni (m₀ è la massa a riposo dell'elettrone)

Mentre le particelle alfa e beta hanno intervalli definiti nella materia, i raggi gamma vengono attenuati in modo esponenziale (ignorando l'accumulo che risulta dalla dispersione all'interno di un materiale) mentre attraversano la materia. Quando l'accumulo può essere ignorato, l'attenuazione dei raggi gamma è data da:

where io(x) è l'intensità dei raggi gamma in funzione della distanza x nel materiale e μ è il coefficiente di attenuazione di massa. Il coefficiente di attenuazione di massa dipende dall'energia dei raggi gamma e dal materiale con cui i raggi gamma interagiscono. I valori del coefficiente di attenuazione di massa sono tabulati in molti riferimenti. La figura 6 mostra l'assorbimento dei raggi gamma nella materia in condizioni di buona geometria (l'accumulo può essere ignorato).

Figura 6. Attenuazione dei raggi gamma a 667 keV in Al e Pb in condizioni di buona geometria (la linea tratteggiata rappresenta l'attenuazione di un fascio di fotoni polienergetico)

L'accumulo si verifica quando un ampio raggio di raggi gamma interagisce con la materia. L'intensità misurata nei punti all'interno del materiale è aumentata rispetto al valore previsto di "buona geometria" (raggio stretto) a causa dei raggi gamma diffusi dai lati del raggio diretto nel dispositivo di misurazione. Il grado di accumulo dipende dalla geometria del raggio, dal materiale e dall'energia dei raggi gamma.

La conversione interna compete con l'emissione gamma quando un nucleo si trasforma da uno stato energetico superiore a uno inferiore. Nella conversione interna, un elettrone orbitale interno viene espulso dall'atomo invece del nucleo che emette un raggio gamma. L'elettrone espulso si ionizza direttamente. Quando gli elettroni orbitali esterni scendono a livelli di energia elettronica inferiori per riempire il posto vacante lasciato dall'elettrone espulso, l'atomo emette raggi x. La probabilità di conversione interna relativa alla probabilità di emissione gamma aumenta con l'aumentare del numero atomico.

Raggi X

I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche e, come tali, sono identici ai raggi gamma. La distinzione tra raggi X e raggi gamma è la loro origine. Mentre i raggi gamma hanno origine nel nucleo atomico, i raggi x derivano dalle interazioni degli elettroni. Sebbene i raggi X abbiano spesso energie inferiori rispetto ai raggi gamma, questo non è un criterio per differenziarli. È possibile produrre raggi X con energie molto superiori ai raggi gamma derivanti dal decadimento radioattivo.

La conversione interna, discussa sopra, è un metodo di produzione di raggi X. In questo caso, i raggi x risultanti hanno energie discrete pari alla differenza dei livelli di energia tra i quali transitano gli elettroni orbitali.

Le particelle cariche emettono radiazioni elettromagnetiche ogni volta che vengono accelerate o decelerate. La quantità di radiazione emessa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della massa della particella. Di conseguenza, gli elettroni emettono molta più radiazione x rispetto a particelle più pesanti come i protoni, a parità di tutte le altre condizioni. I sistemi a raggi X producono raggi X accelerando gli elettroni attraverso una grande differenza di potenziale elettrico di molti kV o MV. Gli elettroni vengono quindi rapidamente decelerati in un materiale denso e resistente al calore, come il tungsteno (W).

I raggi X emessi da tali sistemi hanno energie distribuite su uno spettro che va da circa zero fino alla massima energia cinetica posseduta dagli elettroni prima della decelerazione. Spesso sovrapposti a questo spettro continuo vi sono raggi X di energia discreta. Sono prodotti quando gli elettroni in decelerazione ionizzano il materiale bersaglio. Mentre altri elettroni orbitali si muovono per riempire i posti vacanti lasciati dopo la ionizzazione, emettono raggi X di energie discrete simili al modo in cui i raggi X vengono emessi dopo la conversione interna. Sono chiamati caratteristica raggi x perché sono caratteristici del materiale bersaglio (anodo). Vedere la figura 7 per un tipico spettro di raggi X. La Figura 8 mostra un tipico tubo a raggi X.

Figura 7. Spettro di raggi X che illustra il contributo dei raggi X caratteristici prodotti quando gli elettroni riempiono i buchi nel guscio K di W (la lunghezza d'onda dei raggi X è inversamente proporzionale alla loro energia)

I raggi X interagiscono con la materia allo stesso modo dei raggi gamma, ma una semplice equazione di attenuazione esponenziale non descrive adeguatamente l'attenuazione dei raggi X con una gamma continua di energie (vedi figura 6). Tuttavia, poiché i raggi X di energia inferiore vengono rimossi più rapidamente dal raggio rispetto ai raggi X di energia più elevata mentre attraversano il materiale, la descrizione dell'attenuazione si avvicina a una funzione esponenziale.

Figura 8. Un tubo a raggi X semplificato con un anodo fisso e un filamento riscaldato

neutroni

Generalmente, i neutroni non vengono emessi come risultato diretto del decadimento radioattivo naturale. Sono prodotti durante le reazioni nucleari. I reattori nucleari producono neutroni nella massima abbondanza, ma anche gli acceleratori di particelle e speciali sorgenti di neutroni, chiamate sorgenti (α, n), possono produrre neutroni.

I reattori nucleari producono neutroni quando i nuclei di uranio (U) nel combustibile nucleare si scindono o si scindono. In effetti, la produzione di neutroni è essenziale per mantenere la fissione nucleare in un reattore.

Gli acceleratori di particelle producono neutroni accelerando particelle cariche, come protoni o elettroni, a energie elevate per bombardare nuclei stabili in un bersaglio. I neutroni sono solo una delle particelle che possono derivare da tali reazioni nucleari. Ad esempio, la seguente reazione produce neutroni in un ciclotrone che sta accelerando gli ioni di deuterio per bombardare un bersaglio di berillio:

Gli emettitori alfa mescolati con il berillio sono sorgenti portatili di neutroni. Queste sorgenti (α, n) producono neutroni attraverso la reazione:

La fonte delle particelle alfa può essere isotopi come il polonio-210 (²¹⁰Po),
plutonio-239 (²³⁹Pu) e americio-241 (²⁴¹Sono).

I neutroni sono generalmente classificati in base alla loro energia, come illustrato nella tabella 1. Questa classificazione è alquanto arbitraria e può variare in contesti diversi.

Tabella 1. Classificazione dei neutroni in base all'energia cinetica

Esistono numerose modalità possibili di interazione dei neutroni con la materia, ma le due modalità principali ai fini della sicurezza dalle radiazioni sono la diffusione elastica e la cattura dei neutroni.

La diffusione elastica è il mezzo mediante il quale i neutroni di energia più elevata vengono ridotti a energie termiche. I neutroni ad alta energia interagiscono principalmente mediante diffusione elastica e generalmente non causano fissione né producono materiale radioattivo mediante cattura di neutroni. Sono i neutroni termici i principali responsabili di questi ultimi tipi di interazione.

Lo scattering elastico si verifica quando un neutrone interagisce con un nucleo e rimbalza con energia ridotta. Il nucleo che interagisce assorbe l'energia cinetica che il neutrone perde. Dopo essere stato eccitato in questo modo, il nucleo cede presto questa energia sotto forma di radiazione gamma.

Quando il neutrone alla fine raggiunge le energie termiche (cosiddette perché il neutrone è in equilibrio termico con il suo ambiente), viene facilmente catturato dalla maggior parte dei nuclei. I neutroni, non avendo carica, non sono respinti dal nucleo caricato positivamente come lo sono i protoni. Quando un neutrone termico si avvicina a un nucleo e rientra nel campo della forza nucleare forte, dell'ordine di pochi fm (fm = 10^-15 metri), il nucleo cattura il neutrone. Il risultato può quindi essere un nucleo radioattivo che emette un fotone o un'altra particella o, nel caso di nuclei fissili come ²³⁵U e ²³⁹Pu, il nucleo di cattura può scindersi in due nuclei più piccoli e più neutroni.

Le leggi della cinematica indicano che i neutroni raggiungeranno le energie termiche più rapidamente se il mezzo di diffusione elastico include un gran numero di nuclei leggeri. Un neutrone che rimbalza su un nucleo leggero perde una percentuale molto maggiore della sua energia cinetica rispetto a quando rimbalza su un nucleo pesante. Per questo motivo, l'acqua e i materiali idrogenati sono il miglior materiale di schermatura per rallentare i neutroni.

Un fascio monoenergetico di neutroni si attenuerà esponenzialmente nella materia, obbedendo a un'equazione simile a quella data sopra per i fotoni. La probabilità che un neutrone interagisca con un dato nucleo è descritta in termini di quantità sezione trasversale. La sezione trasversale ha unità di area. L'unità speciale per la sezione trasversale è la fienile (b), definito da:

È estremamente difficile produrre neutroni senza accompagnare raggi gamma e x. Si può generalmente presumere che se sono presenti i neutroni, lo siano anche i fotoni ad alta energia.

Fonti di radiazioni ionizzanti

Radionuclidi primordiali

I radionuclidi primordiali sono presenti in natura perché la loro emivita è paragonabile all'età della terra. La tabella 2 elenca i più importanti radionuclidi primordiali.

Tabella 2. Radionuclidi primordiali

Gli isotopi di uranio e torio sono a capo di una lunga catena di radioisotopi discendenti che, di conseguenza, sono anch'essi presenti in natura. La Figura 9, AC, illustra le catene di decadimento per ²³²Ns, ²³⁸U e ²³⁵U, rispettivamente. Poiché il decadimento alfa è comune al di sopra del numero di massa atomica 205 e il numero di massa atomica di una particella alfa è 4, ci sono quattro distinte catene di decadimento per i nuclei pesanti. Una di queste catene (vedi figura 9, D), quella per ²³⁷Np, non si trova in natura. Questo perché non contiene un radionuclide primordiale (cioè nessun radionuclide in questa catena ha un tempo di dimezzamento paragonabile all'età della terra).

Figura 9. Serie di decadimento (Z = numero atomico; N = numero di massa atomica)    

 Si noti che gli isotopi del radon (Rn) sono presenti in ogni catena (²¹⁹Rn, ²²⁰Rn e ²²²Rn). Poiché Rn è un gas, una volta prodotto, Rn ha la possibilità di fuoriuscire nell'atmosfera dalla matrice in cui si è formato. Tuttavia, l'emivita di ²¹⁹Rn è troppo breve per consentire a quantità significative di esso di raggiungere una zona di respirazione. L'emivita relativamente breve di ²²⁰Rn di solito lo rende un rischio per la salute minore rispetto a ²²²Rn.

Escludendo Rn, i radionuclidi primordiali esterni al corpo erogano in media una dose efficace annua di circa 0.3 mSv alla popolazione umana. La dose efficace annua effettiva varia ampiamente ed è determinata principalmente dalla concentrazione di uranio e torio nel suolo locale. In alcune parti del mondo in cui le sabbie di monazite sono comuni, la dose effettiva annua per un membro della popolazione raggiunge circa 20 mSv. In altri luoghi, come sugli atolli corallini e vicino alle spiagge, il valore può arrivare fino a 0.03 mSv (vedi figura 9).

Il radon è solitamente considerato separatamente dagli altri radionuclidi terrestri presenti in natura. Si diffonde nell'aria dal suolo. Una volta in aria, Rn decade ulteriormente in isotopi radioattivi di Po, bismuto (Bi) e Pb. Questi radionuclidi discendenti si attaccano alle particelle di polvere che possono essere inspirate e intrappolate nei polmoni. Essendo emettitori alfa, forniscono quasi tutta la loro energia di radiazione ai polmoni. Si stima che la dose equivalente polmonare media annua derivante da tale esposizione sia di circa 20 mSv. Questa dose equivalente polmonare è paragonabile a una dose efficace per tutto il corpo di circa 2 mSv. Chiaramente, Rn e la sua progenie radionuclide sono i contributori più significativi alla dose efficace di radiazione di fondo (vedi figura 9).

Raggi cosmici

La radiazione cosmica comprende particelle energetiche di origine extraterrestre che colpiscono l'atmosfera terrestre (principalmente particelle e principalmente protoni). Include anche particelle secondarie; principalmente fotoni, neutroni e muoni, generati dalle interazioni di particelle primarie con i gas nell'atmosfera.

In virtù di queste interazioni, l'atmosfera funge da scudo contro le radiazioni cosmiche, e più sottile è questo scudo, maggiore è il tasso di dose efficace. Pertanto, il tasso di dose efficace dei raggi cosmici aumenta con l'altitudine. Ad esempio, il tasso di dose a un'altitudine di 1,800 metri è circa il doppio di quello al livello del mare.

Poiché la radiazione cosmica primaria consiste principalmente di particelle cariche, è influenzata dal campo magnetico terrestre. Le persone che vivono a latitudini più elevate ricevono dosi efficaci maggiori di radiazioni cosmiche rispetto a quelle più vicine all'equatore terrestre. La variazione dovuta a questo effetto è dell'ordine
del 10%.

Infine, il tasso di dose efficace dei raggi cosmici varia in base alla modulazione dell'emissione dei raggi cosmici del sole. In media, i raggi cosmici contribuiscono per circa 0.3 mSv alla dose efficace di radiazione di fondo per tutto il corpo.

Radionuclidi cosmogenici

I raggi cosmici producono radionuclidi cosmogenici nell'atmosfera. Il più importante di questi è il trizio (³H), berillio-7 (⁷Be), carbonio-14 (¹⁴C) e sodio-22 (²²N / a). Sono prodotti dai raggi cosmici che interagiscono con i gas atmosferici. I radionuclidi cosmogenici forniscono una dose efficace annuale di circa 0.01 mSv. La maggior parte di questo viene da ¹⁴C.

Ricaduta nucleare

Dagli anni '1940 agli anni '1960 si sono svolti test estesi di armi nucleari in superficie. Questo test ha prodotto grandi quantità di materiali radioattivi e li ha distribuiti nell'ambiente in tutto il mondo come fallout. Anche se gran parte di questi detriti da allora si sono decomposti in isotopi stabili, le piccole quantità che rimangono saranno una fonte di esposizione per molti anni a venire. Inoltre, le nazioni che continuano a testare occasionalmente armi nucleari nell'atmosfera si aggiungono all'inventario mondiale.

I principali contributori di ricaduta alla dose efficace attualmente sono lo stronzio-90 (⁹⁰Sr) e cesio-137 (¹³⁷Cs), entrambi con emivita di circa 30 anni. La dose media annua efficace da fallout è di circa 0.05 mSv.

Materiale radioattivo nel corpo

La deposizione di radionuclidi naturali nel corpo umano deriva principalmente dall'inalazione e dall'ingestione di questi materiali nell'aria, nel cibo e nell'acqua. Tali nuclidi includono radioisotopi di Pb, Po, Bi, Ra, K (potassio), C, H, U e Th. Di questi, ⁴⁰K è il maggior contributore. I radionuclidi presenti in natura depositati nel corpo contribuiscono per circa 0.3 mSv alla dose efficace annuale.

Radiazione prodotta dalla macchina

L'uso dei raggi X nelle arti curative è la più grande fonte di esposizione alle radiazioni prodotte dalle macchine. Milioni di sistemi medici a raggi X sono in uso in tutto il mondo. L'esposizione media a questi sistemi medici a raggi X dipende in gran parte dall'accesso della popolazione alle cure. Nei paesi sviluppati, la dose annua media effettiva delle radiazioni dei raggi X prescritte dal medico e del materiale radioattivo per la diagnosi e la terapia è dell'ordine di 1 mSv.

I raggi X sono un sottoprodotto della maggior parte degli acceleratori di particelle fisiche ad alta energia, in particolare quelli che accelerano elettroni e positroni. Tuttavia, un'adeguata schermatura e precauzioni di sicurezza oltre alla limitata popolazione a rischio rendono questa fonte di esposizione alle radiazioni meno significativa delle fonti di cui sopra.

Radionuclidi prodotti a macchina

Gli acceleratori di particelle possono produrre una grande varietà di radionuclidi in quantità variabili mediante reazioni nucleari. Le particelle accelerate includono protoni, deutoni (²nuclei H), particelle alfa, mesoni carichi, ioni pesanti e così via. I materiali bersaglio possono essere costituiti da quasi tutti gli isotopi.

Gli acceleratori di particelle sono praticamente l'unica fonte di radioisotopi che emettono positroni. (I reattori nucleari tendono a produrre radioisotopi ricchi di neutroni che decadono per emissione di negatroni.) Sono anche sempre più utilizzati per produrre isotopi di breve durata per uso medico, in particolare per la tomografia a emissione di positroni (PET).

Materiali tecnologicamente avanzati e prodotti di consumo

Raggi X e materiali radioattivi compaiono, desiderati e non desiderati, in un gran numero di operazioni moderne. La tabella 3 elenca queste sorgenti di radiazioni.

Tabella 3. Fonti e stime delle dosi efficaci associate alla popolazione da materiali e prodotti di consumo tecnologicamente migliorati

Fonte: NCRP 1987.

Di ritorno