un fotogramma che testimonia il dramma dell'era atomica: soldati americani esposti ad un'esplosione atomica per valutarne la loro capacità di intervento in zona di guerra.
Un esperimento fondamentale fu realizzato dai coniugi Curie ponendo un pò di sale di radio in un pozzetto di piombo a pareti spesse e al di sopra di questo uno schermo fluorescente. Sullo schermo comparve una macchiolina luminosa in corrispondenza con il foro del pozzetto. Facendo agire un intenso campo elettrico come in figura, si aggiungevano altre due macchie distinte: una, indicata con b a sinistra della macchia centrale,g , e un'altra a a destra e ad essa più vicina.
Le tre macchie fluorescenti sono dovute a tre specie diverse di radiazioni, impropriamente chiamate (col senno del poi) da Lord Rutherford raggi a, b e g.
In particolare, i "raggi" a sono stati riconosciuti come formati da due neutroni e due protoni e quindi sono nuclei di elio con carica positiva; i "raggi" b possono essere cariche positive o negative di valore uguale a quello dell'elettrone; i raggi g sono radiazioni elettromagnetiche (quindi propriamente raggi) di piccolissima lunghezza d'onda - minore dei raggi X - e possono unicamente essere associati a "raggi" a o b.
Per gli scopi di questa discussione non è rilevante esaminare le modalità di decadimento di un nuclide radioattivo e quindi l'origine dei raggi citati; piuttosto ci limiteremo all'esame delle interazioni delle radiazioni con la materia biologica.
Il curie ed il bequerel, sono unità fisiche e non forniscono alcuna indicazione circa gli effetti biologici dovuti all'esposizione di una sorgente radioattiva.
Al contrario, le unità di misura della radioattività espressa in rad, roentgen e gray, forniscono indicazioni circa gli effetti biologici dovuti all'esposizione di una sorgente radioattiva. In particolare, uguali dosi (in rad) di differenti tipi di radiazioni hanno effetti biologici differenti.
un fotogramma che testimonia il dramma dell'era atomica: soldati americani esposti ad un'esplosione atomica per valutarne la loro capacità di intervento in zona di guerra. |
L'efficacia biologica relativa (RBE = Relative Biological Effectiveness) di un particolare tipo di radiazione è il rapporto tra la dose (in rad) di raggi X o raggi gamma e la dose in rad della radiazione che produce lo stesso effetto biologico.
| RADIAZIONE | RBE |  |
| raggi gamma, raggi X, raggi beta | 1.0 | |
| neutroni e protoni veloci | 10 | |
| neutroni lenti | 4 - 5 | |
| particelle alfa | 10 - 20 |
Dalla Tab. I, che riporta i valori RBE per le varie radiazioni, si vede che i raggi b hanno la stessa efficacia biologica dei raggi g ed X, ma che le particelle a sono da 10 a 20 volte più efficaci. Inoltre, come mostra l'illustrazione a fianco, le varie radiazioni differiscono per la capacità di penetrazione: i raggi alfa sono i meno penetranti ed i neutroni (derivanti da processi al decadimento radioattivo) i più penetranti.
Le particelle a e b possono essere pensate rispettivamente come palle di cannone e proiettili di fucile. Tuttavia, questa immagine intuitiva deve essere trattata con attenzione in quanto se pensiamo ad una cannonata sparata contro un muro, è ovvio che il danno è maggiore dei quello derivante da un colpo di fucile. Così, il paragone fra particelle a e b sembra paradossalmente sbagliato. Però, se il muro fosse collocato in un bosco abbastanza fitto, la cannonata abbatterebbe un certo numero di alberi ma difficilmente raggiungerebbe il muro; invece, il colpo di fucile avrebbe una maggior probabilità di colpire il bersaglio in quanto, essendo molto piccolo, potrebbe non essere arrestato da un albero.
Nel caso delle particelle a e b la situazione è analoga: le grandi particelle a vengono frenate dalle molecole che compongono l'aria che ci circonda, la ionizzano ma difficilmente fanno danni elevati. Le particelle b , al contrario, essendo più piccole, non vengono frenate dall'aria (o comunque in misura minore) e riescono a raggiungere il bersaglio, dove però fanno meno danno. I raggi g ancóra più piccoli, fanno danni elevati e così anche i neutroni, di dimensioni comprese fra le particelle a e b, ma con una notevole energia.
I valori di RBE, permettono di definire il rem, cioè un indicatore direttamente correlabile al danno biologico.
rem: rappresenta l'unità biologica di dose (rem = Rad Equivalent Man), ed è definita dalla relazione:
rem = rad · RBE
Questa conversione è importante per poter confrontare, a parità di quantità di radiazione assorbita, l'effetto dell'irradiazione su vari materiali biologici (v. Tab. II).
| esempio: dalla tabella I, si ricava che una dose di 10 rad di particelle alfa vale da 100 a 200 rem. Pertanto, una dose sull'intero corpo di 50 rad di particelle alfa sarebbe equivalente a 500 rad di raggi X. Ricordiamo che la dose max ammissibile, riferita ai raggi X, è 5 rad/anno. |
Gli effetti biologici delle radiazioni hanno due caratteristiche fondamentali che è importante tene presenti: la prima è che sono sufficienti piccolissime quantità di energia per provocare notevoli danni biologici; la seconda, è il lungo intervallo di tempo che può trascorerre tra l'assorbimento della radiazione e la comparsa dei suoi effetti.
Una dose di 800 rad, quasi certamente uccide un uomo entro 3 settimane. D'altra parte, l'energia totale trasportata da queste dosi è 600 J (all'incirca l'energia spesa per portare un peso di 10 kg lungo tre rampe di scale), alla quale corrisponde un aumento della temperatura corporea stimabile intorno a 0.002 oC. Questi dati portano a concludere che il danno da radiazioni non è collegato all'energia ad esse associate, bensì all'azione ionizzante, che è in grado di produrre alterazioni strutturali e funzionali rapidamente propagantisi in seno alla materia vivente.
| REM | EFFETTI |  una comune radiografia corrisponde a circa 0,1 rem |
| 0-25 | nessun effetto osservabile | |
| 25-100 | piccole modificazioni nel sangue | |
| 100-200 | moderate modificazioni nel sangue; vomito nel 5-50% dei casi entro tre ore; completa guarigione in poche settimane (eccetto per i tessuti omeopoietici) | |
| 200-600 | gravi modificazioni del sangue; vomito nel 50-100% dei casi; emorragie e infezioni; morte nell'80% dei casi entro 2 mesi | |
| 600-1000 | gravi modificazioni del sangue; vomito entro 1 ora; perdita dell'udito; emorragia e infezioni; morte nell'80-100% dei casi entro 2 mesi |
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..).
Il fenomeno dell'emissione di radiazione da parte di isotopi radioattivi è regolato dalla legge del decadimento radioattivo secondo la quale, per ogni radionuclide, deve trascorrere un tempo caratteristico (tempo di dimezzamento) affinchè il numero di atomi radioattivi di cui è costituito un materiale radioattivo si dimezzi. Il tempo di dimezzamento - che segue una cinetica di primo ordine - può essere compreso fra le frazioni di secondo ed i milioni di anni.
Per esempio, il Cs 137 emette particelle beta con una semivita di 30.17 anni; per contro, lo I 131 anch'esso beta emettitore, ha un tempo di semivita di 8,04 giorni. E' evidente che sebbene il rischio di contaminazione da Cs sia più duraturo nel tempo, lo I produce una densità di radiazione maggiore.
Il numero di decadimenti che avvengono nell'unità di tempo per una data quantità di materiale viene definita "attività" del preparato.
Il contatore Geiger-Mueller misura il numero di eventi ionizzanti entro il volume di una camera (sensore) di cui lo strumento è dotato.
E' importante sottolineare che un contatore Geiger-Mueller non può misurare l'energia delle particelle né la quantità di carica da esse prodotta: per questo motivo la sua scala non dovrebbe essere graduata in (Gy/h), che è una unità di intensità di dose assorbita; né in (R/h), che è una unità di intensità di dose di esposizione; oppure in sievert/ora (Sv/h), che è una unità di intensità di dose di esposizione equivalente assorbita.
Tuttavia, gli strumenti commerciali riportano molto spesso scale graduate in mR/h o mGy/h, facendo un improprio riferimento ad una convenzionale equivalenza tra il flusso di eventi ionizzanti prodotti da particelle di qualsiasi energia e natura e l'energia depositata in aria da un pari flusso di un particolare tipo di particelle di data energia. Sebbene non vi sia una relazione di equivalenza tra Curie e Roentgen, un certo numero di Curie di un perticolare materiale radiattivo con una forma e dimensione definita, produce un certo numero di Roentgen ad una specifica distanza.
Il contatore Geiger-Mueller permette di misurare solo la radioattività dell'ambiente in cui è immerso, ma non fornisce alcuna indicazione sul/sui radionuclidi che la producono (questi devono essere determinati per via chimico-fisica). Questo significa che, se per es. si misurano n Bq al secondo, questi possono essere prodotti da una sorgente di N atomi A che ha un tempo di dimezzamento t, oppure da una sorgente di N/2 atomi B che ha un tempo di dimezzamento doppio.
Il rischio di contaminazione interna può interessare gli operatori, in séguito a contaminazione confinata al solo ambiente di lavoro; gruppi più o meno vasti della popolazione, a causa di possibile dispersione nell'ambiente esterno di effluenti radioattivi liquidi, solidi e gassosi; anche tutta la popolazione del pianeta, nel caso di esplosioni nucleari o gravi incidenti ad impianti con immissione nella troposfera e negli altri strati dell'atmosfera di particolati e gas radioattivi e successiva diffusione e ricaduta degli stessi su tutta la superficie terrestre.
Il grafico a barre in basso riassume i valori medi annuali di radioattività derivante da sorgenti naturali in vari Paesi.
L'illustrazione in basso mostra le possibili modificazioni genetiche indotte da radiazioni o da agenti chimici (fonte: www.newscientist.com)
I diagrammi a barre (in basso nella figura seguente) mostrano che le persone esposte ad elevata o media densità di radiazioni ionizzanti mostrano sia variazioni intercromosomiali che intracromosomiali. Però, in presenza di modesta desnità di radiazioni ionizzanti le variazioni intracromosomiali sono notevolmente ridotte e non si presentano in assenza di radiazioni.
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