Alcuni tipi di radiazioni ionizzanti possono essere rilevati in una camera a nuvola.
La radiazione con energia sufficientemente elevata può ionizzare gli atomi; vale a dire può abbattere gli elettroni dagli atomi, creando ioni. La ionizzazione si verifica quando un elettrone viene spogliato (o “eliminato”) da un guscio di elettroni dell’atomo, che lascia l’atomo con una carica positiva netta., Poiché le cellule viventi e, cosa più importante, il DNA in quelle cellule possono essere danneggiati da questa ionizzazione, l’esposizione alle radiazioni ionizzanti è considerato per aumentare il rischio di cancro. Pertanto, la “radiazione ionizzante” è in qualche modo separata artificialmente dalla radiazione particellare e dalla radiazione elettromagnetica, semplicemente a causa del suo grande potenziale di danno biologico. Mentre una singola cellula è fatta di trilioni di atomi, solo una piccola frazione di questi sarà ionizzata a potenze di radiazione da basse a moderate., La probabilità di radiazioni ionizzanti che causano il cancro dipende dalla dose assorbita della radiazione ed è una funzione della tendenza dannosa del tipo di radiazione (dose equivalente) e della sensibilità dell’organismo o del tessuto irradiato (dose efficace).
Se la sorgente della radiazione ionizzante è un materiale radioattivo o un processo nucleare come la fissione o la fusione, c’è una radiazione di particelle da considerare. La radiazione di particelle è una particella subatomica accelerata a velocità relativistiche da reazioni nucleari., A causa dei loro momenti sono perfettamente in grado di eliminare elettroni e materiali ionizzanti, ma poiché la maggior parte ha una carica elettrica, non hanno il potere penetrante delle radiazioni ionizzanti. L’eccezione sono le particelle di neutroni; vedi sotto. Ci sono diversi tipi di queste particelle, ma la maggior parte sono particelle alfa, particelle beta, neutroni e protoni. In parole povere, fotoni e particelle con energie superiori a circa 10 elettronvolt (eV) sono ionizzanti (alcune autorità usano 33 eV, l’energia di ionizzazione per l’acqua)., La radiazione di particelle da materiale radioattivo o raggi cosmici trasporta quasi invariabilmente energia sufficiente per essere ionizzante.
La maggior parte delle radiazioni ionizzanti proviene da materiali radioattivi e dallo spazio (raggi cosmici), e come tali è naturalmente presente nell’ambiente, poiché la maggior parte delle rocce e del suolo hanno piccole concentrazioni di materiali radioattivi. Poiché questa radiazione è invisibile e non direttamente rilevabile dai sensi umani, strumenti come i contatori Geiger sono solitamente necessari per rilevare la sua presenza., In alcuni casi, può portare all’emissione secondaria di luce visibile sulla sua interazione con la materia, come nel caso della radiazione di Cherenkov e della radio-luminescenza.
Grafico che mostra le relazioni tra radioattività e radiazioni ionizzanti rilevate
Le radiazioni ionizzanti hanno molti usi pratici in medicina, ricerca e costruzione, ma presentano un pericolo per la salute se utilizzate in modo improprio., L’esposizione a radiazioni provoca danni al tessuto vivente; alte dosi provocano una sindrome Acuta da radiazioni (ARS), con ustioni della pelle, perdita di capelli, organo interno di fallimento e la morte, mentre la dose può causare un aumento del rischio di cancro e danni genetici; una particolare forma di cancro, il cancro della tiroide, spesso si verifica quando le armi nucleari e reattori sono la sorgente di radiazioni a causa del biologico tendenze di iodio radioattivo dei prodotti di fissione, iodio-131., Tuttavia, il calcolo del rischio esatto e della probabilità di formazione del cancro nelle cellule causate dalle radiazioni ionizzanti non è ancora ben compreso e attualmente le stime sono vagamente determinate dai dati basati sulla popolazione dai bombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki e dal follow-up degli incidenti dei reattori, come il disastro di Chernobyl., La Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica, che “La Commissione è consapevole delle incertezze e la mancanza di precisione dei modelli e valori di parametro””, Collettiva di dose efficace non è inteso come uno strumento per epidemiologica per la valutazione del rischio, e non è corretto utilizzare nel rischio di proiezioni” e “in particolare, il calcolo del numero di decessi per cancro in base collettiva dosi efficaci banale singole dosi dovrebbe essere evitato.,”
Radiazione ultraviolettamodifica
L’ultravioletto, di lunghezze d’onda da 10 nm a 125 nm, ionizza le molecole dell’aria, facendola assorbire fortemente dall’aria e dall’ozono (O3) in particolare. L’UV ionizzante quindi non penetra l’atmosfera terrestre in misura significativa e viene talvolta indicato come ultravioletto del vuoto. Sebbene presente nello spazio, questa parte dello spettro UV non è di importanza biologica, perché non raggiunge gli organismi viventi sulla Terra.,
C’è una zona dell’atmosfera in cui l’ozono assorbe circa il 98% di UV-C e UV-B non ionizzanti ma pericolosi.Questo cosiddetto strato di ozono inizia a circa 20 miglia (32 km) e si estende verso l’alto. Parte dello spettro ultravioletto che raggiunge il suolo non è ionizzante, ma è ancora biologicamente pericoloso a causa della capacità di singoli fotoni di questa energia di causare eccitazione elettronica in molecole biologiche, e quindi danneggiarli per mezzo di reazioni indesiderate. Un esempio è la formazione di dimeri pirimidinici nel DNA, che inizia a lunghezze d’onda inferiori a 365 nm (3.,4 eV), che è ben al di sotto dell’energia di ionizzazione. Questa proprietà dà allo spettro ultravioletto alcuni dei pericoli delle radiazioni ionizzanti nei sistemi biologici senza che si verifichi una ionizzazione effettiva. Al contrario, la luce visibile e la radiazione elettromagnetica a lunghezza d’onda più lunga, come l’infrarosso, le microonde e le onde radio, sono costituite da fotoni con poca energia per causare un’eccitazione molecolare dannosa, e quindi questa radiazione è molto meno pericolosa per unità di energia.,
Raggi Xmodifica
I raggi X sono onde elettromagnetiche con una lunghezza d’onda inferiore a circa 10-9 m (maggiore di 3×1017 Hz e 1.240 eV). Una lunghezza d’onda più piccola corrisponde ad un’energia più alta secondo l’equazione E=h c/λ. (“E” è Energia; ” h “è la costante di Planck;” c “è la velocità della luce;” λ ” è la lunghezza d’onda.,) Quando un fotone a raggi X si scontra con un atomo, l’atomo può assorbire l’energia del fotone e aumentare un elettrone ad un livello orbitale più alto o se il fotone è estremamente energetico, può battere un elettrone dall’atomo del tutto, causando l’atomo di ionizzare. Generalmente, gli atomi più grandi hanno maggiori probabilità di assorbire un fotone a raggi X poiché hanno maggiori differenze di energia tra gli elettroni orbitali. Il tessuto molle nel corpo umano è composto da atomi più piccoli rispetto agli atomi di calcio che compongono l’osso, quindi c’è un contrasto nell’assorbimento dei raggi X., Le macchine a raggi X sono specificamente progettate per sfruttare la differenza di assorbimento tra osso e tessuto molle, consentendo ai medici di esaminare la struttura nel corpo umano.
I raggi X sono anche totalmente assorbiti dallo spessore dell’atmosfera terrestre, con conseguente prevenzione dell’uscita dei raggi X del sole, più piccola in quantità di quella dei raggi UV ma comunque potente, dal raggiungere la superficie.
Radiazione gammamodiFica
Radiazione gamma rilevata in una camera a nuvola di isopropanolo.,
La radiazione gamma (γ) è costituita da fotoni con una lunghezza d’onda inferiore a 3×10−11 metri (maggiore di 1019 Hz e 41,4 keV). L’emissione di radiazioni gamma è un processo nucleare che si verifica per liberare un nucleo instabile di energia in eccesso dopo la maggior parte delle reazioni nucleari. Entrambe le particelle alfa e beta hanno una carica elettrica e una massa, e quindi è molto probabile che interagiscano con altri atomi nel loro percorso. La radiazione gamma, tuttavia, è composta da fotoni, che non hanno né massa né carica elettrica e, di conseguenza, penetra molto più lontano attraverso la materia rispetto alla radiazione alfa o beta.,
I raggi gamma possono essere fermati da uno strato di materiale sufficientemente spesso o denso, in cui il potere frenante del materiale per data area dipende principalmente (ma non interamente) dalla massa totale lungo il percorso della radiazione, indipendentemente dal fatto che il materiale sia di alta o bassa densità. Tuttavia, come nel caso dei raggi X, i materiali con elevato numero atomico come il piombo o l’uranio impoverito aggiungono una modesta (tipicamente dal 20% al 30%) quantità di potenza di arresto su una massa uguale di materiali meno densi e di peso atomico inferiore (come acqua o calcestruzzo)., L’atmosfera assorbe tutti i raggi gamma che si avvicinano alla Terra dallo spazio. Anche l’aria è in grado di assorbire i raggi gamma, dimezzando l’energia di tali onde passando, in media, 500 ft (150 m).
Radiazione alfa
Particelle alfa rilevate in una camera di nube di isopropanolo
Le particelle alfa sono nuclei di elio-4 (due protoni e due neutroni)., Essi interagiscono con la materia fortemente a causa delle loro cariche e massa combinata, e alle loro velocità usuali penetrano solo pochi centimetri di aria, o pochi millimetri di materiale a bassa densità (come il materiale mica sottile che è appositamente collocato in alcuni tubi contatore Geiger per consentire particelle alfa in). Ciò significa che le particelle alfa dal decadimento alfa ordinario non penetrano negli strati esterni delle cellule morte della pelle e non causano danni ai tessuti vivi sottostanti., Alcune particelle alfa ad altissima energia compongono circa il 10% dei raggi cosmici, e questi sono in grado di penetrare nel corpo e persino sottili lastre di metallo. Tuttavia, sono pericolosi solo per gli astronauti, poiché sono deviati dal campo magnetico terrestre e quindi fermati dalla sua atmosfera.
La radiazione alfa è pericolosa quando i radioisotopi che emettono alfa vengono ingeriti o inalati (respirati o ingeriti). Questo porta il radioisotopo abbastanza vicino al tessuto vivo sensibile per la radiazione alfa per danneggiare le cellule., Per unità di energia, le particelle alfa sono almeno 20 volte più efficaci a danno cellulare come raggi gamma e raggi X. Vedere efficacia biologica relativa per una discussione di questo. Esempi di alfa-emettitori altamente velenosi sono tutti gli isotopi di radio, radon e polonio, a causa della quantità di decadimento che si verificano in questi materiali a breve emivita.,
Radiazione beta
Elettroni (radiazioni beta) rilevati in una camera di nube di isopropanolo
La radiazione beta-minus (β−) è costituita da un elettrone energetico. È più penetrante della radiazione alfa, ma meno della gamma. Le radiazioni beta da decadimento radioattivo possono essere fermate con pochi centimetri di plastica o pochi millimetri di metallo. Si verifica quando un neutrone decade in un protone in un nucleo, rilasciando la particella beta e un antineutrino., La radiazione beta degli acceleratori linac è molto più energica e penetrante della radiazione beta naturale. A volte è usato terapeuticamente in radioterapia per trattare i tumori superficiali.
La radiazione beta-plus (β+) è l’emissione di positroni, che sono la forma di antimateria degli elettroni. Quando un positrone rallenta a velocità simili a quelle degli elettroni nel materiale, il positrone annienterà un elettrone, rilasciando due fotoni gamma di 511 keV nel processo. Questi due fotoni gamma viaggeranno in (approssimativamente) direzione opposta., La radiazione gamma dall’annientamento dei positroni è costituita da fotoni ad alta energia ed è anche ionizzante.
Neutron radiationEdit
I neutroni sono classificati in base alla loro velocità / energia. La radiazione neutronica è costituita da neutroni liberi. Questi neutroni possono essere emessi durante la fissione nucleare spontanea o indotta., I neutroni sono particelle di radiazioni rare; sono prodotti in gran numero solo dove sono attive reazioni di fissione o fusione a catena; questo accade per circa 10 microsecondi in un’esplosione termonucleare, o continuamente all’interno di un reattore nucleare funzionante; la produzione dei neutroni si ferma quasi immediatamente nel reattore quando diventa non critico.
I neutroni possono rendere radioattivi altri oggetti o materiali. Questo processo, chiamato attivazione neutronica, è il metodo principale utilizzato per produrre sorgenti radioattive per l’uso in applicazioni mediche, accademiche e industriali., Anche i neutroni termici a velocità relativamente bassa causano l’attivazione dei neutroni (infatti, lo causano in modo più efficiente). I neutroni non ionizzano gli atomi nello stesso modo in cui le particelle cariche come protoni ed elettroni (mediante l’eccitazione di un elettrone), perché i neutroni non hanno carica. È attraverso il loro assorbimento da parte di nuclei che poi diventano instabili che causano la ionizzazione. Quindi, si dice che i neutroni siano ” indirettamente ionizzanti.”Anche i neutroni senza una significativa energia cinetica sono indirettamente ionizzanti e rappresentano quindi un rischio significativo di radiazioni., Non tutti i materiali sono in grado di attivazione neutronica; in acqua, per esempio, gli isotopi più comuni di entrambi i tipi atomi presenti (idrogeno e ossigeno) neutroni cattura e diventano più pesanti, ma rimangono forme stabili di quegli atomi. Solo l’assorbimento di più di un neutrone, un evento statisticamente raro, può attivare un atomo di idrogeno, mentre l’ossigeno richiede due assorbimenti aggiuntivi. Quindi l’acqua è solo molto debolmente capace di attivazione., Il sodio nel sale (come nell’acqua di mare), d’altra parte, deve assorbire solo un singolo neutrone per diventare Na-24, una fonte molto intensa di decadimento beta, con emivita di 15 ore.
Inoltre, i neutroni ad alta energia (ad alta velocità) hanno la capacità di ionizzare direttamente gli atomi. Un meccanismo con cui i neutroni ad alta energia ionizzano gli atomi è quello di colpire il nucleo di un atomo e battere l’atomo di una molecola, lasciando uno o più elettroni dietro come il legame chimico è rotto. Questo porta alla produzione di radicali liberi chimici., Inoltre, i neutroni ad altissima energia possono causare radiazioni ionizzanti per “spallazione neutronica” o knockout, in cui i neutroni causano l’emissione di protoni ad alta energia dai nuclei atomici (specialmente i nuclei di idrogeno) all’impatto. L’ultimo processo conferisce la maggior parte dell’energia del neutrone al protone, proprio come una palla da biliardo che colpisce un’altra. I protoni carichi e altri prodotti di tali reazioni sono direttamente ionizzanti.
I neutroni ad alta energia sono molto penetranti e possono percorrere grandi distanze nell’aria (centinaia o addirittura migliaia di metri) e distanze moderate (diversi metri) nei solidi comuni., In genere richiedono una schermatura ricca di idrogeno, come calcestruzzo o acqua, per bloccarli entro distanze inferiori a un metro. Una fonte comune di radiazione neutronica si verifica all’interno di un reattore nucleare, dove uno strato d’acqua di metri di spessore viene utilizzato come schermatura efficace.