La radiazione alfa (α) consiste in un nucleo di elio-4 (4
He
) in rapido movimento e viene fermata da un foglio di carta. La radiazione beta (β), costituita da elettroni, è fermata da una piastra di alluminio. La radiazione gamma (γ), costituita da fotoni energetici, viene infine assorbita quando penetra in un materiale denso. La radiazione neutronica (n) consiste in neutroni liberi che sono bloccati da elementi leggeri, come l’idrogeno, che li rallentano e/o li catturano. Non mostrato: i raggi cosmici galattici che consistono in nuclei carichi energetici come protoni, nuclei di elio e nuclei ad alta carica chiamati ioni HZE.
Le camere a nube sono uno dei pochi modi di visualizzare le radiazioni ionizzanti. Sono state impiegate principalmente nella ricerca agli albori della fisica delle particelle, ma rimangono un importante strumento educativo ancora oggi.
La radiazione ionizzante è classificata in base alla natura delle particelle o delle onde elettromagnetiche che creano l’effetto ionizzante. Queste hanno diversi meccanismi di ionizzazione, e possono essere raggruppate come direttamente o indirettamente ionizzanti.
Direttamente ionizzantiModifica
Qualsiasi particella carica con massa può ionizzare direttamente gli atomi per interazione fondamentale attraverso la forza di Coulomb se porta sufficiente energia cinetica. Questo include nuclei atomici, elettroni, muoni, pioni carichi, protoni, e nuclei carichi energetici spogliati dei loro elettroni. Quando si muovono a velocità relativistiche queste particelle hanno abbastanza energia cinetica per essere ionizzanti, ma non sono richieste velocità relativistiche. Per esempio, una tipica particella alfa è ionizzante, ma si muove a circa il 5% c, e un elettrone con 33 eV (abbastanza per ionizzare) si muove a circa l’1% c.
Le prime due fonti ionizzanti ad essere riconosciute ebbero nomi speciali usati oggi: I nuclei di elio espulsi dai nuclei atomici sono chiamati particelle alfa, e gli elettroni espulsi di solito (ma non sempre) a velocità relativistiche, sono chiamati particelle beta.
I raggi cosmici naturali sono costituiti principalmente da protoni relativistici ma includono anche nuclei atomici più pesanti come ioni di elio e ioni HZE. Nell’atmosfera tali particelle sono spesso fermate dalle molecole d’aria, e questo produce pioni carichi di breve durata, che presto decadono in muoni, un tipo primario di radiazione dei raggi cosmici che raggiunge la terra (e anche la penetra in una certa misura). I pioni possono anche essere prodotti in grandi quantità negli acceleratori di particelle.
Particelle alfaModifica
Le particelle alfa consistono in due protoni e due neutroni legati insieme in una particella identica a un nucleo di elio. Le particelle alfa sono generalmente prodotte nel processo di decadimento alfa, ma possono anche essere prodotte in altri modi. Le particelle alfa prendono il nome dalla prima lettera dell’alfabeto greco, α. Il simbolo della particella alfa è α o α2+. Poiché sono identiche ai nuclei di elio, a volte sono anche scritte come He2+
o 4
2He2+
indicando uno ione di elio con una carica +2 (mancante dei suoi due elettroni). Se lo ione guadagna elettroni dal suo ambiente, la particella alfa può essere scritta come un atomo di elio normale (elettricamente neutro) 4
2He.
Le particelle alfa sono una forma enormemente ionizzante di radiazione particellare. Quando derivano dal decadimento alfa radioattivo hanno una bassa profondità di penetrazione. In questo caso possono essere assorbite da pochi centimetri d’aria o dalla pelle. Le particelle alfa più potenti e a lungo raggio della fissione ternaria sono tre volte più energetiche e penetrano proporzionalmente più lontano nell’aria. I nuclei di elio che formano il 10-12% dei raggi cosmici, sono anche di solito di energia molto più alta di quelli prodotti dai processi di decadimento nucleare, e quando si incontrano nello spazio, sono quindi in grado di attraversare il corpo umano e la schermatura densa. Tuttavia, questo tipo di radiazioni è notevolmente attenuato dall’atmosfera terrestre, che è uno scudo antiradiazioni equivalente a circa 10 metri di acqua.
Particelle betaModifica
Le particelle beta sono elettroni o positroni ad alta energia e ad alta velocità emessi da alcuni tipi di nuclei radioattivi, come il potassio-40. La produzione di particelle beta è definita decadimento beta. Ci sono due forme di decadimento beta, β- e β+, che danno origine rispettivamente all’elettrone e al positrone.
Quando si dice che qualcosa ha una contaminazione radioattiva, spesso significa che ci sono particelle beta emesse dalla sua superficie, rilevabili con un contatore Geiger o un altro rilevatore di radiazioni. Quando viene portato in prossimità dell’emettitore beta, il rivelatore indicherà un drammatico aumento della radioattività. Quando la sonda del rivelatore è coperta da uno schermo per bloccare i raggi beta, l’indicazione sarà ridotta drasticamente.
Le particelle beta ad alta energia possono produrre raggi X conosciuti come bremsstrahlung (“radiazione frenante”) o elettroni secondari (raggio delta) quando attraversano la materia. Entrambi possono causare un effetto di ionizzazione indiretta.
La bremsstrahlung è preoccupante quando si schermano gli emettitori beta, poiché l’interazione delle particelle beta con il materiale di schermatura produce Bremsstrahlung. Questo effetto è maggiore con materiale di alto numero atomico, quindi il materiale con basso numero atomico è usato per la schermatura della sorgente beta.
Positroni e altri tipi di antimateriaModifica
Il positrone o antielettrone è l’antiparticella o la controparte antimateria dell’elettrone. Quando un positrone di bassa energia si scontra con un elettrone di bassa energia, avviene l’annichilazione, con conseguente conversione nell’energia di due o più fotoni di raggi gamma (vedi annichilazione elettrone-positrone).
I positroni possono essere generati dal decadimento nucleare di emissione di positroni (attraverso interazioni deboli), o dalla produzione di coppie da un fotone sufficientemente energetico. I positroni sono comuni fonti artificiali di radiazioni ionizzanti usate nella tomografia a emissione di positroni (PET) medica.
Poiché i positroni sono particelle con carica positiva, possono anche ionizzare direttamente un atomo attraverso interazioni di Coulomb.
Nuclei carichiModifica
I nuclei carichi sono caratteristici dei raggi cosmici galattici e degli eventi di particelle solari e, ad eccezione delle particelle alfa (nuclei di elio carichi) non hanno fonti naturali sulla terra. Nello spazio, tuttavia, protoni ad altissima energia, nuclei di elio e ioni HZE possono essere inizialmente fermati da strati relativamente sottili di schermatura, vestiti o pelle. Tuttavia, l’interazione risultante genererà radiazioni secondarie e causerà effetti biologici a cascata. Se solo un atomo di tessuto viene spostato da un protone energetico, per esempio, la collisione causerà ulteriori interazioni nel corpo. Questo è chiamato “trasferimento lineare di energia” (LET), che utilizza la dispersione elastica.
Il LET può essere visualizzato come una palla da biliardo che ne colpisce un’altra secondo il principio della conservazione della quantità di moto, mandando via entrambe con l’energia della prima palla divisa tra le due in modo disuguale. Quando un nucleo carico colpisce un nucleo relativamente lento di un oggetto nello spazio, si verifica il LET e neutroni, particelle alfa, protoni a bassa energia e altri nuclei saranno rilasciati dalle collisioni e contribuiranno alla dose totale assorbita dal tessuto.
Indirettamente ionizzanteModifica
La radiazione ionizzante indiretta è elettricamente neutra e quindi non interagisce fortemente con la materia. La maggior parte degli effetti di ionizzazione sono dovuti a ionizzazioni secondarie.
Un esempio di radiazione indirettamente ionizzante è la radiazione di neutroni.
Radiazione fotonicaModifica
Diversi tipi di radiazioni elettromagnetiche
Anche se i fotoni sono elettricamente neutri, possono ionizzare direttamente gli atomi attraverso l’effetto fotoelettrico e l’effetto Compton. Entrambe queste interazioni causeranno l’espulsione di un elettrone da un atomo a velocità relativistiche, trasformando quell’elettrone in una particella beta (particella beta secondaria) che ionizzerà molti altri atomi. Poiché la maggior parte degli atomi colpiti sono ionizzati direttamente dalle particelle beta secondarie, i fotoni sono chiamati radiazioni indirettamente ionizzanti.
La radiazione fotonica è chiamata raggi gamma se prodotta da una reazione nucleare, dal decadimento di particelle subatomiche o dal decadimento radioattivo nel nucleo. È altrimenti chiamata raggi X se prodotta all’esterno del nucleo. Il termine generico fotone è quindi usato per descrivere entrambi.
I raggi X hanno normalmente un’energia inferiore ai raggi gamma, e una vecchia convenzione era quella di definire il confine come una lunghezza d’onda di 10-11 m o un’energia fotonica di 100 keV. Questa soglia era guidata dalle limitazioni dei vecchi tubi a raggi X e dalla scarsa consapevolezza delle transizioni isomeriche. Le tecnologie e le scoperte moderne hanno portato a una sovrapposizione tra le energie dei raggi X e dei raggi gamma. In molti campi sono funzionalmente identiche, differendo per gli studi terrestri solo per l’origine della radiazione. In astronomia, tuttavia, dove l’origine della radiazione spesso non può essere determinata in modo affidabile, la vecchia divisione di energia è stata conservata, con i raggi X definiti come essere tra circa 120 eV e 120 keV, e i raggi gamma come essere di qualsiasi energia sopra 100 a 120 keV, indipendentemente dalla fonte. La maggior parte dei “raggi gamma” astronomici sono noti per non avere origine in processi radioattivi nucleari ma, piuttosto, risultano da processi come quelli che producono i raggi X astronomici, tranne che guidati da elettroni molto più energetici.
L’assorbimento fotoelettrico è il meccanismo dominante nei materiali organici per energie di fotoni inferiori a 100 keV, tipico dei classici raggi X originati dai tubi a raggi X. Ad energie oltre i 100 keV, i fotoni ionizzano la materia sempre più attraverso l’effetto Compton, e poi indirettamente attraverso la produzione di coppie ad energie oltre i 5 MeV. Il diagramma di interazione allegato mostra due scattering Compton che avvengono in sequenza. In ogni evento di scattering, il raggio gamma trasferisce energia a un elettrone, ed esso continua il suo percorso in una direzione diversa e con energia ridotta.
Limite di definizione per i fotoni a bassa energiaModifica
L’energia di ionizzazione più bassa di qualsiasi elemento è 3,89 eV, per il cesio. Tuttavia, il materiale della US Federal Communications Commission definisce le radiazioni ionizzanti come quelle con un’energia fotonica maggiore di 10 eV (equivalente a una lunghezza d’onda ultravioletta di 124 nanometri). Approssimativamente, questo corrisponde sia all’energia di prima ionizzazione dell’ossigeno, sia all’energia di ionizzazione dell’idrogeno, entrambe circa 14 eV. In alcuni riferimenti della Environmental Protection Agency, la ionizzazione di una tipica molecola d’acqua a un’energia di 33 eV è indicata come la soglia biologica appropriata per le radiazioni ionizzanti: questo valore rappresenta il cosiddetto valore W, il nome colloquiale per l’energia media spesa dall’ICRU in un gas per coppia di ioni formata, che combina l’energia di ionizzazione più l’energia persa per altri processi come l’eccitazione. A 38 nanometri di lunghezza d’onda per la radiazione elettromagnetica, 33 eV è vicino all’energia alla transizione convenzionale di lunghezza d’onda di 10 nm tra l’ultravioletto estremo e i raggi X, che si verifica a circa 125 eV. Quindi, la radiazione a raggi X è sempre ionizzante, ma solo la radiazione ultravioletta estrema può essere considerata ionizzante sotto tutte le definizioni.
L’effetto biologico della radiazione ionizzante sulle cellule assomiglia un po’ a quello di uno spettro più ampio di radiazioni molecolarmente dannose, che si sovrappone alla radiazione ionizzante e si estende oltre, ad energie un po’ più basse in tutte le regioni degli UV e talvolta della luce visibile in alcuni sistemi (come i sistemi fotosintetici nelle foglie). Anche se il DNA è sempre suscettibile di essere danneggiato dalle radiazioni ionizzanti, la molecola di DNA può anche essere danneggiata da radiazioni con energia sufficiente ad eccitare certi legami molecolari per formare dimeri di pirimidina. Questa energia può essere inferiore a quella ionizzante, ma vicina ad essa. Un buon esempio è l’energia dello spettro ultravioletto che inizia a circa 3,1 eV (400 nm), vicino allo stesso livello di energia che può causare scottature alla pelle non protetta, come risultato di fotoreazioni nel collagene e (nella gamma UV-B) anche danni nel DNA (per esempio, dimeri di pirimidina). Così, lo spettro elettromagnetico ultravioletto medio e inferiore è dannoso per i tessuti biologici come risultato dell’eccitazione elettronica nelle molecole che non arriva alla ionizzazione, ma produce simili effetti non termici. In una certa misura, la luce visibile e anche l’ultravioletto A (UVA), che è più vicino alle energie visibili, hanno dimostrato di provocare la formazione di specie reattive dell’ossigeno nella pelle, che causano danni indiretti, poiché si tratta di molecole eccitate elettronicamente che possono infliggere danni reattivi, anche se non causano scottature (eritema). Come i danni da ionizzazione, tutti questi effetti sulla pelle vanno oltre quelli prodotti dai semplici effetti termici.
Interazione delle radiazioni: i raggi gamma sono rappresentati da linee ondulate, le particelle cariche e i neutroni da linee rette. I piccoli cerchi mostrano dove avviene la ionizzazione.
NeutroniModifica
I neutroni hanno una carica elettrica neutra spesso fraintesa come carica elettrica zero e quindi spesso non causano direttamente la ionizzazione in un singolo passaggio o interazione con la materia. Tuttavia, i neutroni veloci interagiscono con i protoni nell’idrogeno tramite LET, e questo meccanismo disperde i nuclei dei materiali nell’area bersaglio, causando la ionizzazione diretta degli atomi di idrogeno. Quando i neutroni colpiscono i nuclei di idrogeno, ne risulta una radiazione di protoni (protoni veloci). Questi protoni sono essi stessi ionizzanti perché sono di alta energia, sono carichi e interagiscono con gli elettroni nella materia.
I neutroni che colpiscono altri nuclei oltre all’idrogeno trasferiranno meno energia all’altra particella se si verifica il LET. Ma, per molti nuclei colpiti dai neutroni, si verifica la dispersione anelastica. Se si verifica la dispersione elastica o anelastica dipende dalla velocità del neutrone, se veloce o termica o da qualche parte nel mezzo. Dipende anche dai nuclei che colpisce e dalla sua sezione d’urto neutronica.
Nella dispersione anelastica, i neutroni vengono prontamente assorbiti in un tipo di reazione nucleare chiamata cattura neutronica e attribuita all’attivazione neutronica del nucleo. Le interazioni dei neutroni con la maggior parte dei tipi di materia in questo modo di solito producono nuclei radioattivi. Il nucleo abbondante di ossigeno-16, per esempio, subisce l’attivazione neutronica, decade rapidamente per emissione di protoni formando azoto-16, che decade in ossigeno-16. Il decadimento dell’azoto-16 a vita breve emette un potente raggio beta. Questo processo può essere scritto come:
16O (n,p) 16N (cattura rapida del neutrone possibile con >11 neutroni MeV)
16N → 16O + β- (decadimento t1/2 = 7.13 s)
Questo β- ad alta energia interagisce rapidamente con altri nuclei, emettendo γ ad alta energia tramite Bremsstrahlung
Sebbene non sia una reazione favorevole, la reazione 16O (n,p) 16N è una fonte importante di raggi X emessi dall’acqua di raffreddamento di un reattore ad acqua pressurizzata e contribuisce enormemente alla radiazione generata da un reattore nucleare raffreddato ad acqua durante il funzionamento.
Per la migliore schermatura dei neutroni, si usano idrocarburi che hanno un’abbondanza di idrogeno.
Nei materiali fissili, i neutroni secondari possono produrre reazioni nucleari a catena, causando una maggiore quantità di ionizzazione dai prodotti figli della fissione.
Al di fuori del nucleo, i neutroni liberi sono instabili e hanno una vita media di 14 minuti, 42 secondi. I neutroni liberi decadono con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino elettronico per diventare un protone, un processo noto come decadimento beta:
Nel diagramma adiacente, un neutrone si scontra con un protone del materiale bersaglio, e poi diventa un protone veloce di rinculo che si ionizza a sua volta. Alla fine del suo percorso, il neutrone viene catturato da un nucleo in una reazione (n,γ) che porta all’emissione di un fotone di cattura del neutrone. Tali fotoni hanno sempre abbastanza energia per qualificarsi come radiazione ionizzante.