La radioattività
Il nucleo atomico
•Struttura atomica
•Elementi e isotopi
•Decadimento radioattivo
•Effetti delle radiazioni
sull’uomo
Se questa figura fosse disegnata nella scala data da protoni
e neutroni i quark e gli elettroni avrebbero le dimensioni di
circa un millimetro e l’atomo di circa un chilometro
La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non stabili, si
trasformano in altri emettendo particelle.
La radioattività è antica quanto l’Universo ed è presente
ovunque: nelle stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.
Scoperta della radioattività: fine dell’800 ad
opera di Henry Bequerel e dei coniugi Pierre
e Marie Curie, che ricevettero il Premio Nobel
per la Fisica per le loro ricerche nel
1903.
Pierre e Marie Curie
Henry Bequerel
I RADIOISOTOPI e le RADIAZIONI
NUCLEO STABILE
Le forze repulsive tra i protoni nel nucleo vengono
neutralizzate dai neutroni
(il rapporto ottimale neutroni /protoni è 1, al massimo 1,5)
Sono stabili i primi venti elementi v grafico
NUCLEO INSTABILE
Se un atomo ha un rapporto tra neutroni e protoni > 1,5 è
instabile e tende ad emettere delle radiazioni per stabilizzarsi
Grafico dei nuclei. Ciascun puntino rappresenta un nucleo, avente Z protoni e A –
Z neutroni. Per piccoli valori di Z, i nuclei si trovano all’incirca sulla bisettrice
degli assi (quindi è, all’incirca, A = 2Z). Per grandi valori di Z, i nuclei hanno
chiaramente un eccesso di neutroni rispetto ai protoni. I puntini neri si riferiscono
agli isotopi più stabili
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) (che a loro volta possono essere naturali o
artificiali)
Ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno sono:
l'idrogeno comune (1H) che ha 1p (Z=1) e 1e (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.
Elementi radioattivi
Elementi stabili con isotopi radioattivi:nuclei di elementi stabili con isotopi(atomi aventi lo stesso n° di
protoni, ma un n°differente di neutroni nel nucleo)radioattivi.
Elementi radioattivi naturali: elementi instabili (in decadimento radioattivo) che hanno un n° atomico
elevato.
Elementi radioattivi artificiali: trasformazione di elementi naturali in altri elementi instabili che hanno
le stesse proprietà degli elementi radioattivi naturali.Essi hanno un n° atomico compreso tra 93 e 109;
possono essere ottenuti soltanto in laboratorio: nuclei stabili vengono bombardati con particelle dotate di
energia molto elevata.Tali particelle sono prodotte all’interno di un dispositivo detto “ciclotrone”, capace
di accelerare le particelle del nucleo. Il fenomeno di tale radioattività prende il nome di “radioattività
artificiale”,
•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.
Le radiazioni si distinguono in:
Alfa
Beta +
Beta –
Gamma
X
Neutroni
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 (T1/2)
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:
Nt = Noe-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
ESEMPIO
Il tempo di dimezzamento è il tempo che serve ad un radioisotopo a dimezzare la sua quantità
Se il t1/2 di un radioisotopo è 8 giorni (131 I) e ne abbiamo 2g vuol dire che 8 giorni fa ne
avevamo 4g
Rappresentazione del
numero N di atomi non
ancora decaduti in
funzione del tempo. In
figura sono indicati il
periodo di dimezzamento
T, cioè il tempo dopo il
quale il numero iniziale
di atomi si è ridotto alla
metà, e la vita media t ,
cioè il tempo necessario
affinché il numero di
atomi dell’isotopo
originario si sia ridotto
alla frazione 1/e = 0,368,
del valore iniziale.
•
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
1.
radiazioni direttamente ionizzanti
Radiazioni direttamente ionizzanti sono particelle cariche elettricamente, come le
particelle alfa e le particelle beta.
Particelle dotate di carica elettrica che cedono parte della loro energia
cinetica alla materia attraverso l’interazione coulombiana
2. radiazioni indirettamente ionizzanti.
Esempi di radiazioni indirettamente ionizzanti sono i fotoni X e gamma (e i neutroni.
Radiazione elettromagnetica (X o ), particelle neutre che attraverso vari processi di interazione con la
materia, mettono in moto particelle cariche direttamente ionizzanti.la cessione di energia alla materia
della radiazione indirettamente ionizzante è, quindi, un processo a due step :
1.produzione di particelle cariche
2.ionizzazione da parte di queste ultime
INTERAZIONE
RADIAZIONE-MATERIA
Radiazioni ionizzanti
Interazione di particelle cariche:
range
perdita di energia per ionizzazione
perdita di energia per radiazione
Interazione di particelle neutre:
neutroni
fotoni:
effetto fotoelettrico
effetto Compton
produzione di coppie
Le radiazioni possono anche essere distinte in
1. corpuscolate, ossia dotate di massa come le
particelle cariche elettricamente e i neutroni,
e
1. radiazioni non corpuscolate, come i fotoni
X e gamma che non hanno nè massa nè
carica
DECADIMENTO alfa
Le radiazioni (o particella ) alfa (a ):
sono nuclei di elio 2He4 carichi positivamente con Z(numero
atomico)=2 e A(numero di massa)=4; le particelle alfa hanno
scarso potere penetrante e sono di solito emesse da nuclei
di metalli pesanti (con elevato numero atomico 84<Z<92)
che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la
perdita di 4 nucleoni
Ad esempio:
Guardare nella tavola periodica quando un radioisotopo emette una particella
alfa in cosa si trasforma
238 Th234
92U
90
+ 2He4 + Qa
La Tavola Periodica
la luminosità delle lancette che
consente di leggere l’orologio
al buio può essere ottenuta con
una vernice a base di solfuro di
zinco mescolato con cristalli di
un composto del radio:
il radioisotopo naturale 226Ra
decade emettendo particelle a
che eccitano il solfuro di zinco
provocandone la fluorescenza
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).
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.
Sarà
pericolosa
per
l’uomo?
Penetrazione (range)
Range R (E) =
distanza media
percorsa nella
materia
da una radiazione
La radiazione alfa presenta una
basso potere di penetrazione,
quindi viene facilmente fermata
dallo strato superficiale della
pelle,quindi non è pericolosa per
l'uomo nei casi di irradiazione
esterna. Diventa invece pericolosa
nelle situazioni in cui la sorgente
radioattiva viene inalata o ingerita
perché in questo caso lede i tessuti
interni come nel radon in cui
l'isotopo radioattivo viene inspirato
e decade nei polmoni.
Radiazioni a,b,
in diversi materiali...
Decadimento Beta
Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che
fuoriesce da un nucleo in disintegrazione.
Tale particella può avere
carica negativa unitaria (ß-, decadimento beta negativo), o
carica positiva unitaria (ß+, decadimento beta positivo).
In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone
Decadimento Beta negativo (ß- )
Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in
eccesso si trasforma in protone secondo la formula:
n° = p+ + ß- + antineutrino
Il decadimento beta negativo provoca una transizione isobarica: il
numero Z aumenta di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento
chimico differente, situato a destra nella tavola di Mendelejev mentre resta
invariato il numero A.
L'energia liberata dalla trasformazione del neutrone in protone diviene
energia cinetica dell'elettrone (ß-) e dell'antineutrino (particella priva di
massa) che vengono espulsi dal nucleo e, rimane in parte nel nucleo
provocandone l'eccitazione e la conseguente diseccitazione con emissione
di un fotone gamma.
L'energia della particella ß- e dell'antineutrino è imprevedibile e si
distribuisce in uno spettro continuo di valori secondo una modalità
probabilistica, mentre quella del fotone gamma è caratteristica per ogni
radionuclide e può assumere solo livelli discreti di energia.
Queste radiazioni sono emesse da moltissimi isotopi, tra cui il
trizio:
3 He3 + ß- 0
H
1
2
+ Qb
L’equazione mostra che l’emissione beta comporta la
trasformazione di un isotopo di un elemento
(idrogeno) in un altro elemento (elio) che ha un
protone in più e un neutrone in meno. Inoltre Il
numero di massa rimane invariato (3 = 3+0) in quanto
la massa di un elettrone è trascurabile rispetto a quella
del nucleo, mentre la carica, e quindi il numero
atomico del nuovo elemento risulta maggiore di una
unità (da 1 a 2).
decadimento bn p + e- +
(14C 14N + e- + )
26
cattura
p + e- n +
(7Be + e- 7Li + )
27
decadimento a
A
ZX
A 4
Z 2X
24He
(241Am 237Np + a)
28
Talvolta il nucleo “figlio” viene creato in un stato eccitato
Si diseccita emettendo radiazione gamma
Decadimento b
60Ni*
(60Co 60Ni* + e- + )
Emissione
60Ni
60Ni* 60Ni
+
29
Interazioni con la materia
Le particelle ß- possono ionizzare il mezzo attraversato
provocando l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza
nucleare per repulsione elettrostatica, a spese della loro energia
cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria).
Essendo molto più piccole e elettricamente meno cariche delle
particelle alfa, hanno una più bassa densità di ionizzazione e potere
penetrante circa 1000 volte quello di una particella alfa di pari
energia.
Il range medio di una particella ß- può arrivare fino ad
alcuni metri in aria e fino ad alcuni millimetri nei
tessuti molli.
La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 42 ionizzazioni / cm (per
una radiazione di 1
IONIZZAZIONE
BETA-
Decadimento Beta positivo
Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni, un
protone in eccesso emette una particella ß+, chiamata
positrone, e si trasforma in neutrone secondo la formula:
p+= n° + ß+ + neutrino
Il decadimento ß+ è più probabile rispetto alla cattura
elettronica per gli elementi con basso numero atomico.
Il decadimento ß+ provoca una transizione isobarica: il
numero Z si riduce di una unità e l'atomo si trasforma in
un elemento chimico differente, situato a sinistra nella
tavola di Mendelejev mentre resta invariato A.
Le radiazioni b + presentano caratteristiche
simili a quelle delle radiazioni b - ma sono
emesse solo da radioisotopi artificiali,
Esempio di emissione di radiazioni beta:
8
8
5B 4Be
+b+
Le particelle ß+ dopo circa 10E-9 secondi vanno incontro ad ANNICHILAZIONE,
interagendo con un elettrone. Le due particelle scompaiono e la loro massa è
trasformata in 2 fotoni gamma di 0.511 MeV, emessi in direzioni contrapposta
I radionuclidi che decadono per emissione ß+ sono usati in medicina nucleare per la
Tomografia ad Emissione di Positroni (PET).
decadimento b +
p n + e+ +
(15O 15N + e+ + )
36
Positron Emission Tomography
(PET). è un metodo di indagine
che permette di misurare funzioni
metaboliche e reazioni
biochimiche in vivo ed ha larga
applicazione nelle neuroscienze,
in oncologia e cardiologia.
Nella PET i
positroni provengono dal
decadimento di nuclei
radioattivi che vengono
incorporati in un fluido speciale,
iniettato poi per via endovenosa
al paziente. I positroni emessi
annichilano con gli
elettroni degli atomi vicini e
danno luogo a due raggi
gamma emessi in direzioni
opposte. Essi vengono rivelati
tramite opportuni rivelatori ,
disposti in "anelli" attorno al
paziente, per individuare e
registrare i punti in cui si sono
verificate le annichilazioni e
quindi ricostruire dove si è
distribuito il radiofarmaco nel
corpo.
Tipica immagine di un esame PET che rappresenta l'attività metabolica
cerebrale. La corteccia cerebrale e il cervelletto mostrano un'attività elevata
(rosso), mentre le strutture profonde sono meno attive (verde e blu).
Brain imaging with positron emission tomography (PET) reveals the different regions
of the human brain active during various verbal tasks.
Cattura elettronica
Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni un
elettrone degli orbitali più interni può venire catturato dal
nucleo dove un protone si trasformerà in neutrone secondo la
formula:
p+ + e- = n° + neutrino
La cattura elettronica è più probabile rispetto al
decadimento ß+ per gli elementi con alto numero atomico.
La cattura elettronica provoca una transizione isobarica
identica a quella causata dal decadimento ß+: il numero Z si
riduce di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento
chimico differente, situato a sinistra nella tavola di
Mendelejev mentre resta invariato A.
numero di protoni Z
decadimento b n p + e- +
(60Co 60Ni +e-+)
decadimento b +
p n + e+ +
(22Na 22Ne +e++)
numero di neutroni N
Decadimento a
A
ZX
A 4
Z 2X
24He
(241Am 237Np + a)
41
Il riarrangiamento degli elettroni orbitali, che si
spostano verso l'orbitale più interno rimasto privo di
un'elettrone e quindi verso orbite a minore contenuto
di energia, provoca la liberazione dell'energia in
eccesso sotto forma di radiazioni X "caratteristiche".
radiazioni gamma ( ): non hanno natura corpuscolare
ma sono radiazioni elettromagnetiche il cui potere
penetrante è di gran lunga maggiore delle altre radiazioni.
Quando un nucleo emette una particella, si scinde in due
frammenti, l’uno rappresentato dalle a o dalle b, il
secondo da ciò che rimane del nucleo originario (tale
emissione è detta disintegrazione, decadimento o
trasmutazione). A seguito dell’emissione di radiazioni
a e b , il nucleo si porta in uno stato eccitato e nel
ritornare allo stato fondamentale emette la radiazione
: si ha così l’assestamento del nuovo nucleo che
comporta un abbassamento di energia potenziale
nucleare.
L’emissione spontanea di radiazioni , come ogni
decadimento spontaneo (naturale o artificiale), è un
processo esoenergetico
•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 [λ], frequenza [ν] (cicli/sec o Hertz) e velocità [c] (300000 km/sec).
Lunghezza d'onda e frequenza sono tra loro inversamente proporzionali,
secondo la formula:
ν=c/λ
L'energia dei fotoni [E] è direttamente proporzionale alla loro frequenza,
secondo la formula:
E=hxν
ove h è la costante di Plank pari a 6.61 x 10-34 joule 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).
I fotoni gamma come i fotoni X sono radiazioni elettromagnetiche:
non hanno massa né carica e viaggiano alla velocità della luce
(300000 km/sec).
L'unica differenza tra i fotoni gamma e i fotoni X è la loro origine:
• i gamma sono prodotti a seguito di riequilibri energetici del nucleo,
• I raggi X originano da riequilibri energetici del mantello elettronico
dell'atomo.
Interazioni dei fotoni con la materia
I fotoni X e gamma trasferiscono la loro energia alla materia che
attraversano, per mezzo di complesse interazioni con i nuclei e gli
elettroni atomici. Alcune di queste interazioni provocano la fuoriuscita di
un elettrone orbitale da un atomo, con conseguente ionizzazione, o la
creazione di una coppia elettrone-positrone. A loro volta, questi elettroni
producono ionizzazione del mezzo. Il fenomeno della ionizzazione è alla
base del meccanismo per il quale le radiazioni ionizzanti producono
effetti radiobiologici e possono essere rivelate.
Tra le varie possibili interazioni dei fotoni gamma con la materia, solo
alcune possono essere di qualche interesse in medicina nucleare
Radioisotopi all’interno del corpo (ingeriti, respirati…)
Sono tutti potenzialmente dannosi! La gravita’ dipende
da:
a. distribuzione dei radionuclidi nel corpo
b. energia della radiazione
c. tempo per cui sono trattenuti nel corpo
d. tipo di radiazione: part. a rilasciano in un piccolo
volume la maggior parte della loro energia e sono
pertanto le piu’ dannose; part. β e γ rilasciano poca
energia per unità di volume e sono quindi meno
dannose.
Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia
alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato.
Potere penetrante delle radiazioni
Le particelle a, b e emesse dal nucleo interagiscono con la
materia circostante depositando in essa la loro energia.
Come vedremo l’energia depositata nei tessuti organici
provoca un danno biologico.
Scopo della radioprotezione e’ appunto quello di valutare
ed impedire (o quanto meno limitare) il danno biologico
sia ai lavoratori professionalmente esposti che al pubblico.
48
Unità di misura della radiazione
Vi sono molte unità di misura perché dipende da cosa noi vogliamo misurare:
Unità di misura di disintegrazioni nucleari:
Il Curie (Ci) è l'unità standard più vecchia, e corrisponde a 3,7 * 1010 dps
disintegrazioni nucleari per secondo.
L'unità SI (Sistema internazionale di misura) è il Becquerel (Bq), corrisponde ad
1 disintegrazione per secondo. Unità di misura che indica la quantità di
radiazione (X o gamma) necessaria a produrre un effetto nella materia
Roentgen (R) è definito come la quantità di radiazione X o gamma che produce in
un campione di aria di 1mL a 0°C e 1 atm, una quantità di ioni corrispondente ad
una carica elettrica di 1 ues. Poiché la carica elettrica è 4,8 * 10-10ues, 1 R
corrisponde a 2.1 * 109 ioni con singola carica. Un orologio luminoso produce per
esempio circa 5 milliroentgen (mR) per anno mentre Una radiografia produce circa
500 mR. Il Roentgen è riferito solo a radiazioni X e gamma.
Unità di misura che indica la quantità di una qualsiasi radiazione necessaria a
produrre un effetto nella materia
Il rad che rappresenta la quantità di radiazione che deposita 100 erg di energia in un
grammo di materia.
Mentre in SI (Sistema internazionale di misura) si usa il Gray (Gr) che corrisponde
a una dose assorbita di 1 J/ kg
Unità di misura che indica la quantità di radiazione necessaria a
produrre un effetto biologicamente dannoso
Non tutte le radiazioni producono lo stesso danno biologico . Per tenere conto di
queste differenze l'unità usata nel campo della protezione della radiazione è il
roentgen equivalente uomo (rem).
Nell'unità SI la dose di radiazione è il Sievert che è la dose in Gray moltiplicata
per un fattore di qualità.
Unità di misura che indica la quantità di radiazione necessaria per uccidere
il 50 % della popolazione
La dose letale 50 %, LD50 , è la misura della dose necessaria per uccidere il 50 %
della popolazione. Per le radiazioni che investono il corpo umano il valore
dell'LD50 varia da 250 rem a 450 rem. Per dosi di circa 50 rem la probabilità di
morte istantanea è molto bassa, tuttavia si possono avere conseguenze nel tempo
(leucemie, cancro, ecc..).
C’è da chiedersi: tutte le radiazioni radioattive fanno male? o vi è un valore soglia
al di sotto del quale non vi è pericolo? La questione non è ancora definitivamente
risolta, sembra però lecito pensare all'esistenza di questo valore soglia di non
dannosità, considerando la radioattività un fattore indispensabile nella natura non
che un elemento sempre presente. Il valore di fondo della radioattività naturale a
livello del mare è di circa 0.1 rem per anno.
Dose efficace (E)
DOSE EFFICACE (E) = grandezza radioprotezionistica, da
utilizzare in caso di esposizione non omogenea, definita come:
E = S HT x wT
dove
HT = equivalente di dose medio all’organo o tessuto T
wT = fattore di ponderazione dell’equivalente di dose
all’organo o tessuto T
Unità di misura: Sievert = 1 Joule / kg
Istituto di Radiologia - Ferrara
51
Come la radiazione causa danni
biologici ?
-
•
la radiazione di alta energia rompe i legami
chimici.
•
si creano radicali liberi, come quelli prodotti o da altri
agenti nocivi o nel corso dei normali processi cellulari
all’interno dell’organismo.
•
•
I radicali liberi possono modificare gli elementi chimici.
Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzioni
cellulari e e di distruggere le cellule stesse.
+
La più importante struttura molecolare che può subire
modificazione da parte della radiazione è il DNA!
Effetti dei danni al DNA
Aberrazioni
Cromosomiche
Espressione
genica
Un gene può
“rispondere” alla
radiazione
modificando il
segnale per la
produzione di
proteine, la cui
funzione può
essere o di tipo
protettivo o di
danneggiamento.
Distruzione delle
cellule
Mutazioni
geniche
A volte un gene
specifico è
modificato in
maniera tale di
divenire incapace a
produrre le proteine
corrispondenti in
maniera
appropriata.
A volte il danno
interessa l’intero
cromosomo,
producendo la sua
rottura o
ricombinazione in
maniera anomala. A
volte l’effetto è la
combinazione di due
cromosomi diffrenti.
Instabiltà
genomica
A volte il danno al
DNA produce
modifiche posteriori
che possono
contribuire alla
formazione di cancro.
Il DNA
danneggiato può
innescare
apottosi, ovvero
una programmata
morte cellulare.
Se ciò coinvolge
solo poche cellule,
ciò impedisce la
riproduzione del
DNA danneggiato
e quindi protegge
il tessuto.
Studi scientifici mostrano che, in condizioni normali, gran parte dei
danni al DNA indotti dalla radiazione viene riparata dall’organismo.
In che modo questo danno prodotto dalla
radiazione ionizzante influenza il nostro
organismo?
Sufficiente distruzione cellulare
Patologie da
radiazione
Sufficienti alterazioni
genetiche
Cancro
Usi della radiazione ionizzante
Conservazione degli alimenti
Sterilizzazione medica
Raggi X per la Medicina e l’Industria
Produzione di Isotopi
Medicina Nucleare
Radioterapia
Produzione di Energia Nucleare
Trattamento dei liquami fognari
Illuminazione artificiale
Rivelatori di Fumo
EFFETTI DELLE
RADIAZIONI
EFFETTI SOMATICI
DOSE ASSORBITA
EFFETTI STOCASTICI
La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre
diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la
grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore di
qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T.
L.E.T.=Trasferimento lineare di energia
E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa
LET
Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg
EBR
Q
FATTORE DI QUALITA’
LET in acqua
(keV/mm)
< 3.5
Fattore di qualità
Q
1
7
2
23
5
53
10
>175
20
ORDINI DI GRANDEZZA
• Dose totale assorbita in un trattamento radioterapico
(es. 30 frazioni da 2 Gy, 5 volte alla settimana)
60 Gy
• Dose assorbita in un esame RX diagnostico
qualche mGy
(in superficie)
Dose Efficace dell’ordine dei 100mSv/mGy
• Dose assorbita in esame di Medicinre (es.scintigrafia ossea)
Dose superfici ossee
10.5 mGy
Midollo osseo
1.22 mGy
Dose (total body)
1.03 mGy
Dose efficace
1.82 mSv
• Dose efficace annuale da sorgenti di radiazione naturale 2.0 mSv
(in aree particolari si può arrivare a circa 17 mSv)
Esposizione a sorgenti radioattive
Si distingue tra irradiazione esterna e
contaminazione interna.
Nel primo caso si intende l’esposizione alle
radiazioni emesse dalla sorgente senza
contatto tra la persona esposta e la
sorgente.
Nel secondo caso la sostanza radioattiva
può depositarsi sulla pelle, o venire inalata
e/o
ingerita
restando
depositata
nell’organismo..
Macchine radiogene
Sono sostanzialmente i tubi a raggi X e gli
acceleratori di particelle
Tre informazioni essenziali:
1. Quando sono “spente” non emettono radiazioni
(SALVO ATTIVAZIONE DEI MATERIALI)
2. Quando sono “accese” producono flussi di
radiazioni molto intensi e in direzioni ben
precise: non basta stare distanti…bisogna
evitare di sostare nella direzione del flusso.
3. Possono dare solo irradiazione esterna
RIASSUMENDO
Vi sono molte unità di misura perché dipende da cosa noi vogliamo misurare:
•Unità di misura dell’attività fisica delle disintegrazioni nucleari
Il Curie (CI) è l'unità standard più vecchia, e corrisponde a 3700 * 1010 disintegrazioni nucleari per secondo.
L'unità SI (Sistema internazionale di misura) è il Becquerel (Bq) ,corrisponde ad 1 disintegrazione per secondo.
•Unità di misura che indica la quantità di radiazione (X o gamma) necessaria a produrre un effetto
nella materia quindi dell’ ESPOSIZIONE
Roentgen (R) è definito come la quantità di radiazione X o gamma che produce in un campione di aria di 1mL è 0°C e 1
atm, una quantità di ioni corrispondente ad una carica elettrica di 1 ues. Poiché la carica elettrica è 4,8 * 10 -10ues, 1 R
corrisponde a 2.1 * 109 ioni con singola carica.
Es: Un orologio luminoso produce circa 5 milliroentgen (mR) per anno.
Es: Una radiografia produce circa 500 mR.
Il Roentgen è riferito solo a radiazioni X e gamma.
Unità di misura che indica la quantità di una qualsiasi radiazione necessaria a produrre un effetto
nella materia
•Dose Assorbita
Il rad che rappresenta la quantità di radiazione che deposita 100 erg di energia in un grammo di materia.
Mentre in SI (Sistema internazionale di misura) si usa il Gray (Gr) che corrisponde a una dose di 1 J kg-1
•Unità di misura che indica la quantità di radiazione necessaria a produrre un effetto
biologicamente dannoso Dose Equivalente
Non tutte le radiazioni producono lo stesso danno biologico. Per tenere conto di queste differenze l'unità usata nel campo
della protezione della radiazione è il roentgen equivalente uomo (rem). Il dosaggio di un rem è equivalente a quello di
un rad modificato per un fattore di qualità (FQ), che varia da 1 per i raggi X e gamma a 20 per gli ioni pesanti.
Nell'unità SI la dose di radiazione è il Sievert che è la dose in Gray moltiplicata per un fattore di qualità.
•Unità di misura che indica la quantità di radiazione necessaria per uccidere il 50 % della popolazione
La dose letale 50 %, LD50 , è la misura della dose necessaria per uccidere il 50 % della popolazione. Per le radiazioni che
investono il corpo umano il valore dell' LD50 varia da 250 rem a 450 rem. Per dosi di circa 50 rem la probabilità di morte
istantanea è molto bassa, tuttavia si possono avere conseguenze nel tempo (leucemie, cancro, ecc..).
Per il danno
Biologico si
definiscono
Dose assorbita
Quantità di
energia assorbita
per unità di
massa
Unità di
misura
Gray
Joule/kg
Dose equivalente
Dose assorbita
moltiplicata per il
fattore di pericolosità
delle diverse
radiazioni.
Sievert
Gray x fattore
pericolosità ( da 1 a
20)
Dose efficace
Dose equivalente
moltiplicata per il fattore
di sensibilità dei diversi
tessuti
Sievert x il fattore di
ponderazione che dipende
dal tessuto
La dose limite per ciascun individuo di una popolazione non
deve superare i 0.5 rem (o 5mSivert) per anno per intero
corpo
La dose limite media per una popolazione non deve superare
i 0.17 rem per anno per intero corpo
Per individui che lavorano in presenza di sorgenti di
radiazioni la dose limite è di 5 rem per anno per intero corpo
Es raggi x torace 27 mrem
Raggi x addome 620 mrem
IMPORTANTE!!
La quantità di radiazioni che possono colpire un individuo
è inversamente proporzionale al quadrato della distanza
ESP1/ESP2 = (Distanza2)2 /(Distanza1)2
Es. un radiologo viene sottoposto a 10 mRem e si trova ad una
distanza di 40 cm dalla sorgente di radiazione Quale sarà
l’esposizione se si allontana di 100cm?
10/x = (100)2 / (40)2
1,6 mRem
Il contatore Geiger-Muller
Quando le radiazioni emesse dai
radioisotopi entrano nel tubo attraverso
la finestra, il gas diviene conduttore di
elettricità e ciò provoca una rapida
scarica elettrica tra l’involucro (-) e
l’elettrodo (+). Questo flusso di corrente,
amplificato e registrato, consente di
misurare l’intensità della radiazione.
Il personale addetto alle radiografie
è dotato di dispositivi capaci di registrare le
radiazioni assorbite
Come valutare gli effetti delle radiazioni
Se vogliamo valutare adeguatamente gli effetti delle radiazioni sull'organismo, occorre
considerare i seguenti tre fattori fondamentali:
1.
la dose della radiazione in rapporto al tempo di esposizione;
2.
la fonte d'irradiazione (se esterna o interna all'organismo);
3.
la sensibilità specifica dei tessuti.
In particolare, bisogna notare che se le radiazioni colpiscono un aggregato di cellule
dello stesso tipo, non tutte le cellule vengono colpite e non tutte le cellule colpite
vengono distrutte. Infatti nelle cellule sono presenti punti più o meno sensibili alle
radiazioni e il numero di questi punti sensibili che vengono colpiti dipende da
fattori di probabilità. La probabilità di fare danni aumenta quindi
proporzionalmente alla dose di radiazioni che colpiscono l'aggregato di
cellule e alla sua durata. Inoltre, se i danni sono pochi, gli organismi sono in
grado di ripararli, se sono molti, invece, diventano permanenti, come accade con
dosi superiori a 100 rem. Quando una radiazione ionizzante attraversa una cellula,
questa può morire, e si tratta del danno minore, ma se la ionizzazione delle
molecole di acqua della cellula rompe il DNA, si possono avere mutazioni che
portano a degenerazioni cancerogene.
Bisogna distinguere tra grado di esposizione alle radiazioni e dose assorbita. Quello che
conta in definitiva per i danni provocati, almeno entro certi limiti, è la dose
assorbita. Ad es. un valore 100 di esposizione per un'ora è equivalente a un valore
50 per due ore. La dose assorbita è la stessa.
Radiosensibilità
Gli organi del corpo non sono tutti sensibili e vulnerabili in egual misura.
Le cellule più sensibili sono quelle riproduttive. Risultano inoltre molto radiosensibili il
tessuto linfatico, il midollo osseo e le lenti cristalline degli occhi. Le cellule del tessuto
muscolare, del tessuto osseo e le cartilagini sono invece le più resistenti.
Il tessuto nervoso è resistente sul piano morfologico, ma sensibile su quello funzionale.
Sindrome generale da radiazioni
I sintomi tipici più appariscenti che si manifestano in caso di esposizione prolungata a forti dosi di
radiazioni sono contraddistinti da un malessere generale accompagnato da vomito, nausea, cefalea e
diarrea.
Il cosiddetto "male da raggi", dovuto a un'irradiazione con dose intorno ai 400 röntgen (ritenuta
semiletale) e tristemente noto dopo le esplosioni nucleari in Giappone alla fine della II guerra
mondiale, si manifesta nel tempo con i seguenti sintomi:
1.
nelle prime 24 ore compaiono i sintomi tipici più appariscenti (malessere, nausea, cefalea, disturbi
intestinali);
2.
nella settimana successiva i sintomi più appariscenti scompaiono, ma gli effetti dell'irradiazione
continuano con la distruzione delle cellule riproduttive del sangue, considerata la causa della
maggior parte dei decessi nelle settimane successive;
3.
dopo 7-10 giorni, detto "periodo di tregua", si hanno ulcerazioni ed emorragie;
4.
nella quarta-sesta settimana può sopravvenire la morte, generalmente provocata da setticemia.
Coloro che, superando la fase critica, riescono a guarire,
negli anni successivi possono contrarre leucemie e
tumori. È stato osservato, al riguardo, che la vita media
delle popolazioni colpite da forti dosi di radiazioni si
abbassa in misura rilevante, e che, inoltre, anche a
distanza di molti anni, possono comparire mutazioni
genetiche, che riguardano le persone direttamente colpite
e i loro discendenti. I danni sperimentati sulle mutazioni
genetiche riguardano comunque radiazioni dell'ordine di
centinaia e migliaia di rem.
Spettro elettromagnetico
Raggi Raggi
Gamma
X
Ultra Luce Infrarosso Onde.Radio
violetto visibile Microonde
Spettro visibile: Violetto | Blu | Ciano | Verde | Giallo | Arancione | Rosso
Collegamenti con la clinica
La Medicina Nucleare
Diagnostica per immagini
La Medicina Nucleare è una disciplina clinica orientata alla diagnosi
e alla terapia che sfrutta alcune delle proprietà fisiche del nucleo atomico.
Le radiazioni utilizzate vengono emesse dai nuclei di alcuni atomi, tra i quali il più utilizzato è il Tecnezio 99m.
Tale metodica ha per fine l’acquisizione di dati o immagini utili a scopi diagnostici, terapeutici e di ricerca
biomedica e viene generalmente effettuata mediante tecniche non invasive.
Al contrario delle immagini radiologiche, che vengono ottenute sfruttando l'attenuazione del fascio di radiazioni "x"
emesse da una apparecchiatura esterna, le immagini medico-nucleari vengono ottenute per mezzo della rilevazione
di radiazioni emesse da radiofarmaci distribuiti nell'organismo.
E' quindi il paziente che emette le radiazioni ("gamma" o "x") che vengono registrate da apposite apparecchiature in
grado di ricreare l'immagine corrispondente.
La radiazione emessa da questi atomi, pur essendo estremamente debole, è tuttavia capace di fornire un segnale che
viene registrato all'esterno del corpo con una specifica apparecchiatura (gamma camera) che trasforma in energia
elettrica l'energia dei fotoni "gamma" o "x" (fenomeno della scintillazione) e rende possibile definirne la
distribuzione nell'organismo, “fotografando” l'organo che si vuole esaminare.
Le immagini scintigrafiche (Diagnostica per immagini) evidenziano la distribuzione spaziale o spazio-temporale
del radiofarmaco.
L’aspetto più rilevante di queste immagini è di essere "immagini funzionali", cioè quello di consentire la misura di
funzioni vitali quali, ad esempio, l’irrorazione sanguigna, l’attività metabolica, la sensibilità a certi farmaci e così
via.
RADIOTERAPIA:
IMPIEGO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI PER
LA CURA DEI TUMORI
Premessa
Il bersaglio molecolare principale e più studiato delle
radiazioni ionizzanti è il DNA. L'effetto può essere diretto o
indiretto in rapporto al LET (trasferimento lineare di
energia) della radiazione.
Effetti indiretti e diretti delle radiazioni
ionizzanti
L'effetto indiretto è dovuto alla formazione di
radicali liberi dalle molecole di H2O. E'
prevalente per le radiazioni a basso LET
(fotoni x e gamma ed elettroni) ed è aumentato
in presenza di ossigeno (maggiore efficacia in
tumori non ipossici).
L'effetto diretto è dovuto all'azione diretta sul
DNA. E' prevalente per le radiazioni ad alto
LET (neutroni e ioni) ed è poco influenzato
dalla presenza di ossigeno (maggiore efficacia
in tumori ipossici).
Esempio di ionizzazioni per diversi
tipi di radiazioni
Perchè si usa la radioterapia per la cura dei tumori ?
Le radiazioni ionizzanti hanno due tipi di selettività che spiegano l'impiego per
la cura dei tumori. Grazie alla selettività biologica e spaziale l'effetto delle
radiazioni sulle cellule (blocco mitotico e apoptosi) si concentra sul tumore con
risparmio dei tessuti sani circostanti.
1 - Selettività biologica
Le cellule tumorali sono in grado di riparare il danno da radiazioni in misura
minore rispetto alle cellule sane.
2 Selettività spaziale
La dose di radiazioni viene depositata in modo selettivo a
livello del tumore con relativo risparmio dei tessuti
circostanti grazie all'imaging (TC, RM, PET) che individua il
tumore e alle tecniche di alta precisione (ad esempio
radioterapia a intensità modulata, radioterapia stereotassica)
che consentono di limitare la dose ai tessuti sani.
Piano di trattamento con raggi-x a intensità modulata per un tumore della faringe
Piano di trattamento con ioni carbonio (radiazione ad alto LET)
per un tumore dei seni paranasali
Come si usa la radioterapia ?
La radioterapia può essere effettuata con sorgenti
esterne di radiazioni (di solito acceleratori di elettroni che
possono erogare sia elettroni sia raggi-x) o con
somministrazione di radiofarmaci solubili, cioè
radionuclidi legati a farmaci che li possono veicolare sul
bersaglio (radioterapia metabolica). Nel caso della
radioterapia metabolica lo stesso radiofarmaco può essere
impiegato a scopo diagnostico (basso dosaggio) e a scopo
terapeutico (alto dosaggio).
Acceleratore lineare per radioterapia
Quando si usa la radioterapia ?
Oltre il 50% dei tumori richiede nella propria storia
naturale un trattamento di radioterapia che, in circa 2/3
dei casi è effettuato con scopo curativo, cioè con
l'obiettivo di guarigione del paziente.
La radioterapia può essere effettuata in combinazione
con la chirurgia e/o con un trattamento farmacologico
(di solito chemioterapia o farmaci a bersaglio
molecolare).
I protocolli di terapia di molti tumori, fra cui quelli della
mammella, dell'intestino retto, della prostata e del
distretto cervico-cefalico includono la radioterapia fra
trattamenti di prima linea.
