TIPI E PROPRIETA’ DELLA RADIAZIONE

In questi giorni, sentendo in televisione alcuni programmi che parlavano dei vari tipi di radiazioni e soprattutto sentendo la gente comune che sapeva ben poco a tale proposito, mi sono sentito spinto da una forza irrefrenabile nello scrivere un articolo sulla radiazione.

Ho pensato quindi di recuperare alcuni dei miei appunti della tesi e farne un articolo che ho deciso di pubblicare.

Magari nei prossimi giorni descriverò anche i vari tipi di esposizioni alle radiazioni a cui siamo sottoposti senza rendercene conto.

 

  • 1.LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA.Pur se le radiazioni elettromagnetiche sono una forma di energia molto comune in natura, a queste negli ultimi tempi se ne sono aggiunte altre prodotte dall’uomo, che si inseriscono con una quota significativa. Linee ad alta tensione, televisori, telefoni cellulari, forni a microonde sono infatti prodotti dalla tecnologia moderna basati sulla trasmissione di onde elettromagnetiche che hanno modificato radicalmente il nostro modo di comunicare, viaggiare ed agire. La radiazione elettromagnetica si propaga nel vuoto alla velocità della luce, circa 300 000 Km/s. Ciò che distingue i vari tipi di radiazione è la lunghezza d’onda (che è la distanza fra due <creste> consecutive in un fenomeno ondulatorio); da essa dipende la quantità di energia che l’onda trasporta, più corta è la lunghezza d’onda della radiazione maggiore sarà la sua frequenza e quindi più alta la sua energia E.

Alcune semplici equazioni ci permettono di capire meglio la relazione che intercorre tra lunghezza d’onda, frequenza ed energia di una radiazione elettromagnetica.

Le equazioni di cui sopra, sono le seguenti :

E(epsilon)=h*v(ni)  e v(ni)=c/l (lambda)

Dove h è la costante di Planck, pari a 1.6x 10-34 joule secondo.

Le moderne teorie attribuiscono alla luce una doppia natura, ondulatoria e corpuscolare, con evidenti conseguenti proprietà a seconda dei fenomeni. Nella teoria ondulatoria, la luce può essere descritta come un’onda che coinvolge <campi elettrici e magnetici>.

Agli inizi degli anni ‘20 la teoria dei quanti ha attribuito alla radiazione elettromagnetica, e quindi alla luce, una natura corpuscolare. La radiazione elettromagnetica trasporta energia e secondo le regole della meccanica quantistica, l’energia è concentrata in <quanti> cioè in <pacchetti d’onda>. Dunque il campo elettromagnetico risulta costituito da quanti di energia detti fotoni.

Lo spettro della radiazione elettromagnetica è molto esteso, ad un estremo troviamo le radioonde la cui lunghezza d’onda è miliardi di volte superiore a quella della luce visibile, all’altro estremo troviamo i raggi gamma la cui lunghezza d’onda è di milioni di volte inferiore a quella della luce visibile.

Alla banda del visibile è quindi associata solo una piccolissima porzione dello spettro di radiazione elettromagnetica.

Nella tabella II di seguito riportata, possiamo vedere le varie parti dello spettro elettromagnetico in termini di energia, frequenza e lunghezza d’onda.

Esse coprono un certo campo di frequenze e di lunghezza d’onda. Tale classificazione non ha confini ben netti.

Le diverse emissioni elettromagnetiche si comportano in maniera differente quando si propagano nella materia, e ciò è dovuto proprio alla differente frequenza, e quindi energia, che ciascuna emissione elettromagnetica possiede. Le onde di fotoni con energia confrontabile a quella degli elettroni negli atomi o degli atomi nelle molecole, vi interagiscono più energeticamente. E’ il caso della radiazione infrarossa visibile ed ultravioletta. La radiazione con lunghezza d’onda maggiore (associata a fotoni con energia minore), interagisce debolmente con la materia che ha poca capacità di assorbimento nei suoi confronti, è il caso delle onde a radiofrequenza.

Le onde cortissime, come raggi X e gamma, hanno grande energia e sono assorbite pochissimo dalla materia, tuttavia i loro effetti sono profondi poiché producono, non solo ionizzazione atomica e molecolare, ma in non pochi processi, disintegrazione nucleare.

Nello spettro elettromagnetico si distinguono radiazioni con e senza potere ionizzante.

  • 2.RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI.Tra le radiazioni ionizzanti possiamo citare, i raggi gamma e X, i neutroni, le particelle α e β, i raggi cosmici. Queste radiazioni interagiscono in maniera differente con la materia e ciò dipende sostanzialmente dalle differenti modalità di indurre ionizzazione.

Le radiazioni ionizzanti possono produrre ionizzazione diretta o indiretta, la prima dovuta sostanzialmente al processo di interazione delle particelle cariche con la materia, la seconda al processo di interazione con la materia delle radiazioni prive di carica.

Accanto alla differente capacità di ciascun tipo di radiazione ionizzante di produrre ionizzazione nella materia, esiste un altro parametro molto importante che è la capacità di penetrazione, che dipende dall’energia della radiazione ionizzante.

I RAGGI X. Questa parte delle spettro fu scoperta dal fisico tedesco Roentgen. La loro lunghezza d’onda è inferiore al milionesimo di millimetro (un diametro atomico). A differenza dei raggi α, β, γ che vengono emessi dai nuclei atomici radioattivi, i raggi X sono prodotti dagli elettroni più interni degli atomi.

Per produrre raggi X si ricorre ad un filamento metallico, simile a quello che si trova in una comune lampada ad incandescenza.

II filamento portato ad una temperatura elevata, dell’ordine di migliaia di gradi, emette un flusso costante di elettroni, i quali in presenza di forti campi elettrici, vengono accelerati, nel vuoto di un ampolla, verso una lastra metallica di tungsteno, carica positivamente (Anodo) che funge da bersaglio.

Il forte urto con il metallo ed il loro conseguente rallentamento, determina l’emissione di un flusso di radiazione elettromagnetica ad alta energia.

Questa varia da pochi KeV a molti MeV ed il potere penetrante e ionizzante è forte.

La scoperta dei raggi X ha aperto vasti campi alla diagnostica medica.

I RAGGI γ. Sono onde elettromagnetiche di origine nucleare emessi dai nuclei radioattivi nei processi di decadimento e vengono prodotti in gran quantità nei reattori nucleari e nelle esplosioni nucleari. L’energia dei fotoni va da 10 KeV a 10 MeV; queste energie sono dello stesso ordine di grandezza di quelle correlate alle forze nucleari per cui l’assorbimento di tali radiazioni può produrre mutazioni nucleari ed effetti molto seri negli organismi viventi.

II loro potere penetrante è forte (100 volte in più dei raggi beta); qualche centimetro di piombo può diminuire l’intensità di un fattore 2. Sono dunque molto pericolosi, anche se emessi da sorgenti esterne al corpo umano e la loro manipolazione richiede particolari cautele e pesanti schermi di protezione.

Il potere ionizzante è limitato a produrre elettroni secondari che ionizzano l’aria. Nei processi di decadimento radioattivo, il decadimento γ implica una riorganizzazione dei protoni e dei neutroni all’interno del nucleo e la conseguente emissione di radiazione elettromagnetica sotto forma di raggio gamma.

Il decadimento gamma non cambia né la massa né l’identità del nucleo.

Un tipico esempio dell’utilizzo dei raggi γ è quello in campo medico, per le applicazioni di radioterapia.

Bombardando con neutroni – in reattori nucleari destinati alla produzione di isotopi per ricerca medica – i nuclei stabili di cobalto-59, per l’assorbimento di un neutrone, si trasformano in nuclei instabili di cobalto-60.

Questi ultimi decadono emettendo un raggio beta (un elettrone) e si trasformano in nuclei di nichel-60 in uno stato eccitato. Questi decadono allo stato fondamentale emettendo l’eccesso di energia tramite due raggi gamma ad alta energia (~ 1,33 MeV).

I Raggi Cosmici. Proseguendo in questo excursus, troviamo nella radiazione cosmica, onde elettromagnetiche di lunghezze d’onda ancora più corte e, quindi, con frequenze più alte. Tali fotoni, conseguentemente più energetici, sono i raggi cosmici.

I raggi cosmici sono prodotti da complessi processi di interazione astrofisici.

La loro energia può arrivare fino a molte migliaia di MeV. In realtà la radiazione cosmica non è solo costituita da fotoni, ma prevalentemente da particelle cariche, quali nuclei atomici, elettroni, positroni e raggi gamma(raggi cosmici primari) o sciami di fotoni-elettroni (raggi cosmici secondari) ad altissima energia.

Hanno un potere ionizzante e penetrante fortissimo; tuttavia la loro scarsa presenza sulla superficie terrestre, a causa dell’effetto schermante dell’atmosfera, li rende praticamente innocui per l’uomo.

Le Particelle α. Sono particelle costituite da un nucleo di elio (2 protoni e 2 neutroni) e hanno doppia carica positiva. Quando un nucleo subisce un decadimento alfa, il nucleo risultante ha perciò due protoni e due neutroni in meno rispetto a quello originario.

Ne consegue che esso potrà attrarre con la sua forza elettrica due elettroni in meno. Infatti, dopo un certo tempo, i due elettroni in eccesso se ne vanno. Quel che rimane e quindi un atomo con due protoni e due elettroni in meno.

Il decadimento alfa cambia, quindi, sia l’identità sia la massa del nucleo in gioco.

L’uranio-238, per esempio, decade emettendo una particella alfa e il prodotto finale è un isotopo di torio, precisamente torio-234.

L’energia delle particelle α è generalmente superiore ai 4 MeV; il loro potere penetrante, tuttavia, è debolissimo (100 volte meno dei raggi beta).

Ad esempio, una particella alfa di 3 MeV percorre nell’aria 2,8 cm. Occorre un energia molto elevata (7,5 MeV) perché possano penetrare entro la pelle. Il loro potere ionizzante è molto elevato( mille volte in più dei raggi beta), una particella alfa di 3 MeV produce nell’aria 4000 coppie di ioni/mm. A causa del loro debole potere penetrante, le particelle alfa sono dannose se emesse entro il corpo umano, (per ingestione o inalazione di sostanze radioattive), dove possono creare gravi danni per la loro capacità ionizzante.

Le Particelle Beta sono elettroni (β negativi) o positroni (β+ , elettroni positivi) emessi dal nucleo quando si disintegra.

La loro energia varia in genere da pochi KeV a qualche MeV (generalmente inferiore ai 4 MeV); il loro potere penetrante è debole (100 volte in più dei raggi alfa, e 100 volte in meno dei raggi gamma). Ad esempio una particella beta di 3 MeV percorre nell’aria ca. 100 cm. Il loro potere ionizzante è minimo, infatti una particella beta di 3 MeV produce nell’aria solo 4 coppie di ioni/mm.

Sulla loro pericolosità va detto che se emesse, entro il corpo umano sono sempre pericolose, se invece sono emesse da una sorgente esterna sono dannose solo per gli organi che si trovano a meno di 1 cm dalla cute.

Nel decadimento β, che è il più comune tra i processi di decadimento beta, uno dei neutroni si trasforma in un protone , espellendo un elettrone (raggio beta) ed un antineutrino-elettronico. La sostanza finale a pressoché la stessa massa della sostanza iniziale, ma ha un protone in più ed un neutrone in meno. Il decadimento beta modifica quindi l’identità, ma non la massa del nucleo.

Un esempio di decadimento beta è quello del potassio. Il potassio è il settimo elemento per quantità, presente nella crosta terrestre, ed il suo isotopo radioattivo potassio-40 decade trasformandosi negli isotopi calcio-40 (decadimento β) oppure argon-40 (decadimento β+). Tale processo è impiegato nella datazione dei reperti archeologici per mezzo di isotopi radioattivi.

I Neutroni. Anche i neutroni emessi nella disintegrazione di atomi radioattivi e nella fissione producono indirettamente ionizzazione e causano l’emissione di radiazione gamma di alta energia quando interagiscono con i nuclei costituenti i materiali.

Inoltre possono dar luogo a cosiddette reazioni di trasmutazione nei nuclei interagenti, con emissione di protoni, particelle alfa e beta che sono ionizzanti. Nei processi di interazione con la materia i neutroni trasformano i materiali di partenza rendendoli spesso radioattivi. Sono vari i processi in cui si producono neutroni, ad esempio nei processi di fissione e fusione.

Ricordiamo inoltre che il neutrone è una particella stabile solo all’interno del nucleo, infatti quando esso è libero, decade in un protone, con l’emissione di un elettrone ed un neutrino, con periodo di dimezzamento di circa 12 minuti. Possiamo quindi dire che oggi nell’universo sono presenti neutroni solo perché essi sono rimasti <protetti> all’interno dei nuclei atomici.

Fonte: Effetti,usi,applicazioni e legislatura delle radiazioni ionizzanti

 

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