Fisica delle radiazioni

Nozioni di base

Con il termine radiazioni si comprendono comunemente alcuni fenomeni, tra loro differenti, che hanno in comune il trasporto di energia nello spazio. Sono radiazioni, ad esempio, la luce visibile, le onde radiotelevisive, le emissioni di particelle o di fotoni X o gamma da parte di un elemento radioattivo. L'energia trasportata dalla radiazioni viene ceduta quando la radiazione interferisce con la materia attraversata.
Quando una radiazione ha energia sufficiente può ionizzare il mezzo attraversato, ossia produrre cariche positive e negative.
A seconda che la ionizzazione del mezzo irradiato avvenga per via diretta o indiretta le radiazioni vengono distinte in radiazioni direttamente ionizzanti e radiazioni indirettamente ionizzanti.
Radiazioni direttamente ionizzanti sono particelle cariche elettricamente, come le particelle alfa e le particelle beta. Esempi di radiazioni indirettamente ionizzanti sono i fotoni X e gamma e i neutroni.
Le radiazioni possono anche essere distinte in corpuscolate, ossia dotate di massa come le particelle cariche elettricamente e i neutroni, e radiazioni non corpuscolate, come i fotoni X e gamma che non hanno nè massa nè carica.
I fotoni viaggiano nello spazio (anche vuoto) sotto forma di onde elettromagnetiche che sono la propagazione sinusoidale delle intensità dei campi elettrico e magnetico e che possiedono tre caratteristiche: lunghezza d'onda [L], frequenza [n] (cicli/sec o Hertz) e velocità [c] (300000 km/sec). Lunghezza d'onda e frequenza sono tra loro inversamente proporzionali, secondo la formula:

n = c / L

L'energia dei fotoni [E] è direttamente proporzionale alla loro frequenza, secondo la formula: E = h x n ove h è la costante di Plank pari a 6.61 x 10-34joule sec.

L'energia delle radiazioni si misura in elettronvolt (eV). 1 eV è l'energia che una carica elettrica unitaria (come un elettrone) acquista attraversando una differenza di potenziale di un Volt. Multipli sono il keV (1.000 eV), il MeV (1.000.000 eV), il GeV (1.000.000.000 eV).

COSTITUZIONE DELLA MATERIA

Atomo

L'atomo è la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento; è composto da un nucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso.

Nucleo

Elettricamente positivo, presenta densità molto elevata e, pur occupando solo la centomillesima parte circa del volume dell'atomo, costituisce la quasi totalità della sua massa.
E' composto da particelle, chiamate nucleoni, che si suddividono in protoni e neutroni.
Il numero di nucleoni definisce il Numero di Massa (A), che è la somma del numero dei neutroni (N) e del numero di protoni (Z).

(A = Z + N)

Il protone (p⁺) possiede una massa circa 1835 volte maggiore di quella dell'elettrone e carica elettrica positiva unitaria, uguale a quella di un elettrone ma di segno opposto.
Il numero di protoni, detto Numero Atomico o Z, determina il numero di elettroni orbitali dell'atomo elettricamente neutro e l'elemento chimico. Ad esempio, ogni atomo che contenga un solo protone, indipendentemente dal numero di neutroni o di elettroni, è idrogeno, come ogni atomo con 43 protoni è un'atomo di tecnezio.
Il neutrone (n°) possiede massa circa1837 volte maggiore di quella dell'elettrone e non possiede carica elettrica. < /li>
Il neutrino e l'antineutrino sono due particelle di massa prossima allo zero e carica elettrica neutra. Non possono essere considerati dei costituenti del nucleo ma vengono emessi da questo in corso di vari processi radioattivi.
I nucleoni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

n	numero quantico principale che determina l'energia del nucleone nell'orbita
l	numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita
j	numero quantico che esprima la direzione di rotazione del nucleone sul suo asse (spin)
m	numero quantico magnetico in relazione con l'orientazione dell'orbita nello spazio

Per il principio di esclusone di Pauli su ogni orbita nucleare permessa non possono muoversi insieme più di un protone e di un neutrone.

Legame nucleare

La forza che mantiene unite le perticelle nucleari è la forza nucleare (o forte). Essa, agendo entro distanze paragonabili alla dimensione del nucleo, prevale sulla forza elettrica che provocherebbe la repulsione tra i protoni, elettricamente positivi.
Con l'aumentare della massa atomica aumentano le distanze tra i protoni che iniziano a sentire l'effetto della repulsione elettrostatica. Pertanto, aumentando il numero di massa A, per la stabilità nucleare è necessaria una prevalenza di neutroni rispetto ai protoni.
L'energia di legame necessaria alla coesione dei nucleoni proviene dalla trasformazione di parte della massa di questi ultimi e corrisponde alla differenza fra la massa che hanno quando sono legati tra loro e la somma delle masse che avrebbero se non fossero legati. Tale massa mancante è trasformata in energia di legame secondo la relazione di equivalenza massa<->energia, scoperta da Einstein E = m x c² dalla quale deriva che una unità di massa atomica (amu), pari ad un dodicesimo della massa arbitraria assegnata al ¹²C, corrisponde a 931 MeV di energia.

Elettroni

Sono particelle extranucleari che orbitano ad alta velocità attorno al nucleo.
Possiedono massa costante di 0.000549 amu e carica elettrica negativa unitaria.
Gli elettroni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante i 4 numeri quantici:

n	numero quantico principale che determina l'energia dell'elettrone nell'orbita
l	numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita
m	numero quantico magnetico che caratterizza l'orientazione dell'orbita nello spazio
s	numero quantico che esprime la direzione di rotazione dell'elettrone sul suo asse (spin)

Per il principio di esclusone di Pauli non possono esistere nello stesso atomo due o più elettroni con gli stessi numeri quantici, ossia nello stesso stato energetico. Da ciò deriva che ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con spin opposto.

Legame elettronico

Nella configurazione energetica più stabile gli elettroni orbitano attorno al nucleo occupando le orbite più interne che sono a più basso contenuto di energia.
L'energia che lega gli elettroni al nucleo è maggiore per quelli che occupano le orbite più vicine rispetto a quelli più periferici; inoltre, a parità di orbita, è maggiore per gli elementi con alto Z che hanno una carica nucleare positiva maggiore. Tale energia di legame è uguale all'energia necessaria per rimuovere completamente l'elettrone dall'atomo.
Gli elettroni possono spostarsi verso orbite più periferiche o addirittura abbandonare l'atomo se viene loro ceduta energia. Quando ciò accade l'equilibrio energetico perturbato viene ripristinato per mezzo dello spostamento degli elettroni da orbite a più alto contenuto di energia verso le orbite a più basso contenuto di energia e la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazione X "caratteristica" o in alternativa con l'emissione di un elettrone di Auger.

**Tabella riassuntiva delle caratteristiche delle particelle fondamentali**
Particella	Carica	Massa relativa	Kg	amu
Elettrone	-1	1	9.10*E-31	0.000549
Protone	+1	1836	1673*E-27	1.007277
Neutrone	0	1840	1675*E-27	1.008665

Isotopi e altri Iso- Isotopi

Sono isotopi due o più forme di uno stesso elemento, che presentano quindi lo stesso numero atomico [Z], con diverso numero di massa [A]; in altre parole, hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.
Tra loro gli isotopi presentano le stesse caratteristiche chimiche, anche se possono essere fisicamente stabili (ossia non radioattivi) o instabili (radioattivi).

Ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno sono:

l'idrogeno comune (¹H) che ha 1p (Z=1) e 0n (A=1) ed è il più abbondante in natura;
il deuterio (²H) che ha 1p (Z=1) e 1n (A=2) ed è presente in natura anche se raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale);
il trizio (³H) che ha 1p (Z=1) e 2n (A=3), esiste solo perché prodotto artificialmente ed è fisicamente instabile.

La Medicina Nucleare sfrutta le proprietà dei radioisotopi, a scopo diagnosico, terapeutico e di ricerca.

Isobari

Sono isobari elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso peso atomico (uguale A). In altre parole presentano lo stesso numero di nucleoni, ma diverso numero di protoni e diverse caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Nedicina Nucleare.

Isotoni

Sono isotoni elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso numero di neutroni (diverso A). Differiscono dunque anche per le caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Nedicina Nucleare.

Isomeri

Sono forme di uno stesso elemento, identiche nella composizione nucleare (Z e A uguali), che si differenziano per lo stato di eccitazione del nucleo. Alcuni elementi, infatti, rimangono in stato eccitato per un tempo misurabile (da 1E-12 secondi fino ad alcune ore) prima di decadere ad un livello energetico inferiore attraverso un'emissione di fotoni gamma per transizione isomerica. Tale condizione è detta "stato metastabile".
Normalmente, infatti, un nucleo che si trova ad un livello energetico superiore (in stato eccitato) libera l'energia in eccesso, sotto forma di radiazione gamma, riportandosi al livello energetico più basso in un tempo inferiore a 1E-13 secondi.
Esempio di isomero è il Tecnezio 99 metastabile (^99mTc), di fondamentale importanza in medicina nucleare.

**Differenze tra isotopi, isobari e isotoni**
	Numero atomico	Numero di massa	Numero di neutroni	Proprietà chimiche
Isotopi	Uguale	Diverso	Diverso	Uguale
Isobari	Diverso	Uguale	Diverso	Diverso
Isotoni	Diverso	Diverso	Uguale	Diverso
Isomeri	Uguale	Uguale	Uguale	Uguale

DECADIMENTO RADIOATTIVO

La composizione nucleare di numerosi elementi in natura li rende energeticamente instabili. Tali elementi sono chiamati radionuclidi e si portano in condizione di stabilità energetica attraverso l'emissione di radiazione corpuscolata o elettromagnetica.
Il decadimento radioattivo o disintegrazione è quindi il processo di trasformazione, con liberazione di energia nucleare, di un radionuclide padre, in un nuclide figlio, il quale può essere a sua volta stabile o instabile. Se il figlio è stabile, il processo di decadimento è terminato. Se anche il figlio è instabile, inizia un nuovo processo di decadimento che può essere differente rispetto a quello del suo predecessore.

Emivita fisica (T_1/2)

Il tempo che trascorre affinchè un nucleo instabile decada è soggetto ad una legge probabilistica e caratteristico per ogni radionuclide. Si definisce emivita o tempo di dimezzamento il tempo che deve trascorrere affinchè la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Tale tempo può variare tra le frazioni di secondo a milioni di anni.

Formula di decadimento

Il decadimento di un radionuclide può essere espresso dalla funzione: N_t = N_oe^-Lt

dove:

Nt	= numero degli atomi al tempo t
No	= numero degli atomi al tempo zero
e	= base dei logaritmi naturali (= 2.718)
L	= costante di decadimento che equivale a 0.693/emivita
t	= tempo trascorso

Attività

Viene definita attività di un radionuclide il numero di disintegrazioni che avvengono, nell'unità di tempo, in una certa quantità di un radionuclide. Secondo il nuovo Sistema Internazionale di misura (SI) l'attività si misura in Bequerel (Bq) dove 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo. In passato veniva utilizzato il Curie (Ci) che equivale a 37 GBq e corrisponde al numero di disintegrazione al secondo che avvengono in un grammo di 226Radio.

I processi di decadimento provocano la emissione di radiazioni da parte dell'atomo. L'energia delle radiazioni alfa, X e gamma, emesse dai processi di decadimento radioattivo, è ben definita per ogni radioisotopo, in uno spettro discreto di energie; al contrario le radiazioni beta hanno uno spettro energetico continuo che si estende fino all'energia massima propria di ciascun radioisotopo con una distribuzione tale che l'energia media è dell'ordine di un terzo dell'energia massima.

Decadimento alfa

La particella alfa è un nucleo di elio (costituito da 2 protoni e da 2 neutroni) e presenta doppia carica elettrica positiva. Origina dal decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la perdita di 4 nucleoni.

Interazioni con la materia

Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo provoca, a causa della carica elettrica +2 e della massa 7400 volte maggiore di quella dell'elettrone, la ionizzazione di un gran numero di atomi (ionizzazione primaria) per attrazione degli elettroni. Ne consegue la creazione di un gran numero di coppie di ioni, consistenti in ioni negativi (elettroni liberi) e ioni positivi (l'atomo al quale è stato rimosso l'elettrone), che possono produrre un'ulteriore ionizzazione del mezzo (ionizzazione secondaria).

IONIZZAZIONE ALFA

Il processo di ionizzazione primaria causa una lenta perdita di energia cinetica da parte della particella alfa, che continua la sua corsa riducendo gradualmente la velocità finché si lega a due elettroni e si trasforma in un atomo di elio, con carica elettrica neutra. Poiché in aria ogni ionizzazione richiede in media 34 eV, una particella alfa con energia di 3.4 MeV produrrà circa 100.000 ionizzazioni e percorrerà circa 2 cm prima di fermarsi e diventare elettricamente neutra.
La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 60000 ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV).
Il percorso di una particella alfa, a parità di energia cinetica, è molto più breve di quello di radiazioni con massa minore. La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione ma alta densità di ionizzazione.
In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle.
Oltre alla ionizzazione del mezzo attraversato, la particella alfa può provocare l'eccitazione di atomi, con il passaggio di un elettrone orbitale ad un orbita più distante dal nucleo portandosi in uno stato energetico più elevato, immediatamente seguito dal ritorno dell'elettrone ad un orbita più vicina al nucleo e ad uno stato di minore energia. Tale energia viene emessa sotto forma di fotoni X o di radiazione luminosa.

Ultimo aggiornamento: 18 settembre 2019
A cura di: Prof. Franco Bui, Prof. Diego Cecchin - Dip. di Medicina DIMED - MEDICINA NUCLEARE
Via Giustiniani 2 - 35128 PADOVA Tel.: 049821.3020 - email: diego.cecchin@unipd.it
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