Una radiazione ionizzante è una radiazione elettromagnetica o particella in grado di produrre, direttamente o indirettamente, ioni mentre attraversa il materiale . Questa radiazione può essere prodotta dalla radioattività di atomi come l' uranio o il plutonio . Hanno applicazioni nei settori della difesa , della salute , della produzione di energia, ecc.
Per gli organismi viventi, le radiazioni ionizzanti possono essere dannose o addirittura fatali a dosi elevate. I raggi ionizzanti sono di varia natura e sorgente. Le loro proprietà dipendono dalla natura delle particelle costituenti la radiazione e dalla loro energia.
Le radiazioni più energetiche trasferiscono abbastanza energia agli elettroni della materia per strapparli dal loro atomo . Gli atomi così privati di alcuni dei loro elettroni vengono quindi caricati positivamente. Gli atomi vicini che ospitano gli elettroni si caricano negativamente.
Gli atomi caricati positivamente o negativamente sono chiamati ioni . Gli atomi che hanno perso almeno un elettrone sono diventati ioni positivi ( cationi ), mentre gli atomi che hanno ricevuto almeno un elettrone sono diventati ioni negativi ( anioni ).
Si dice che le radiazioni in grado di provocare tali reazioni siano ionizzanti.
Con la loro energia, le radiazioni ionizzanti penetrano, cioè possono passare attraverso la materia. Il potere penetrante dipende dal tipo di radiazione e dal potere frenante del materiale. Questo definisce diversi spessori di materiali per proteggerli, se necessario e se possibile.
Bassa penetrazione. Le particelle Α vengono emesse a una velocità di circa 16.000 km / s . Pur essendo pesanti e caricati elettricamente, vengono bloccati molto facilmente e rapidamente dai campi elettromagnetici e dagli atomi che compongono la materia circostante. Un semplice foglio di carta è sufficiente per fermare queste particelle. Per proteggersi, è soprattutto importante che il corpo che emette radiazioni alfa non venga ingerito o inalato.
Penetrazione media. I beta - particelle sono elettroni . Questi ultimi vengono emessi con energie che vanno da pochi k eV a pochi MeV. Possono quindi raggiungere velocità elevate spesso relativistiche. Tuttavia, caricati elettricamente, verranno bloccati dalla materia circostante e dai campi elettromagnetici. Un foglio di alluminio di pochi millimetri può fermare gli elettroni. Uno schermo in plexiglass di un centimetro ferma tutte le particelle beta con energia inferiore a 2 MeV . Per proteggersi è soprattutto importante che il corpo che emette la radiazione beta non venga ingerito.
Β + particelle : positroniLa penetrazione è simile a quella degli elettroni. Ma alla fine del suo viaggio , un positrone viene annichilito con un elettrone incontrato nel suo percorso, formando due fotoni gamma di 511 keV ciascuno, emessi a 180 ° l'uno dall'altro, il che riporta il problema al caso della radiazione gamma.
Penetrazione molto ampia, a seconda dell'energia della radiazione e della natura del mezzo attraversato.
Ogni materiale è quindi caratterizzato da un mezzo strato di attenuazione che dipende dalla sua natura, dal tipo di radiazione e dall'energia della radiazione. Il mezzo strato di attenuazione (o metà spessore ) è lo spessore necessario per ridurre della metà il valore del rateo di dose della radiazione X o γ. Un decimo spessore è definito secondo lo stesso principio, che lascia passare solo il 10% del rateo di dose; ad esempio, nella protezione dalle radiazioni , un decimo schermo in piombo (un materiale molto utilizzato perché molto efficiente) ha uno spessore di 50 mm .
Oltre i dieci keV l'aria non ha più un assorbimento significativo delle radiazioni X e γ. Il piombo è generalmente utilizzato come elemento di protezione dalle radiazioni in campo medico. In effetti, ha uno spessore di semi-assorbimento dell'ordine di 100 μm a 100 keV . Uno spessore di 1 mm di piombo riduce la dose di una radiazione di raggi X di 100 keV di un fattore 1000. Lo spessore di semi-assorbimento del piombo tuttavia cambia a 1 mm a circa 250 keV , il che significa che uno spessore di 10 mm il piombo sarebbe necessario per ridurre la dose di un fattore equivalente. Di conseguenza, negli ambienti industriali, dove l'energia a volte può raggiungere diversi MeV, vengono utilizzati muri di cemento (meno assorbenti del piombo, ma praticamente più spessi) nel contesto della radioprotezione. In alcuni casi, queste sono anche barità (aggiunta di un carico molto denso) per aumentare la loro efficienza.
A parità di spessore dello schermo, la radiazione gamma è attenuata da: piombo , acciaio , cemento, acqua (in ordine decrescente di efficienza).
Poiché il neutrone non è carico, non produce ionizzazioni quando passa attraverso la materia. I neutroni liberi quindi non formano radiazioni ionizzanti, ma provocando fissioni nucleari possono generare radiazioni ionizzanti.
I neutroni liberi si trovano principalmente nei reattori nucleari ; vengono emessi, ad esempio, durante la fissione di atomi di uranio 235 . Sono indirettamente ionizzanti perché è la loro cattura da parte dei nuclei o la loro interazione con essi che genera radiazioni gamma e / o varie particelle. I neutroni sono presenti anche alle altitudini di volo degli aerei di lungo raggio e subsonici: contribuiscono al 30% della dose ricevuta dal personale di volo.
Penetrazione dipendente dalla loro energia.
Il boro e il cadmio , i neutroni, assorbono (catturano) i neutroni.
Un grande spessore di acqua o paraffina modera (riduce la velocità) i neutroni.
Le radiazioni ionizzanti sono presenti sulla Terra sin dal suo inizio. I progressi scientifici hanno portato gli esseri umani a utilizzare radiazioni ionizzanti prodotte artificialmente. Queste radiazioni quindi oggi hanno origini molto diverse.
I raggi cosmici sono radiazioni ionizzanti provenienti da sorgenti naturali. Possono provenire dal Sole ma anche da altre fonti galattiche ed extra-galattiche. Sono costituiti da nuclei atomici , particelle ad alta energia e radiazioni elettromagnetiche . La loro interazione nell'atmosfera produce elementi radioattivi , che si dice siano di origine cosmogenica, così come pioni che si disintegrano per produrre muoni .
La radioattività ha prodotto vari tipi di radiazioni ionizzanti: le particelle α , le particelle β (β - : elettroni , β + : Tomografia ) i protoni , i neutroni e i raggi γ . Gli stessi radionuclidi responsabili di questa radioattività hanno diverse origini:
Alcune radiazioni elettromagnetiche sono anche radiazioni ionizzanti. Convenzionalmente, si ritiene che sia a lunghezze d'onda inferiori a 0,1 μm che la radiazione elettromagnetica è ionizzante. Tra lo spettro elettromagnetico , sono quindi considerati ionizzanti i raggi gamma , i raggi X e alcuni ultravioletti . I raggi gamma sono prodotti dalla diseccitazione nucleare in seguito al decadimento radioattivo . I raggi X e i raggi ultravioletti provengono da processi elettromagnetici come la transizione elettronica o Bremsstrahlung . Fanno parte della radiazione cosmica ma sono anche prodotti artificialmente per l'uso in vari campi come la ricerca scientifica, la radiologia medica o l'industria.
Alcune radiazioni particellari sono anche considerate radiazioni ionizzanti. Provengono dalle varie sorgenti naturali di cui sopra ma possono anche essere create direttamente in modo artificiale e utilizzate negli acceleratori di particelle : elettroni , protoni , ioni .
| Tipo di radiazione | Radiazione ionizzante | Carica elementare | Massa (M eV / c 2 ) | |
|---|---|---|---|---|
| Radiazioni elettromagnetiche | Indirettamente ionizzante | Radiazione ultravioletta lontana | 0 | 0 |
| Raggi X | ||||
| Raggi gamma | ||||
| Radiazione particellare | Neutron | 0 | 940 | |
| Direttamente ionizzante | Elettrone / particella β - | -1 | 0.511 | |
| Positrone / β + particella | +1 | 0.511 | ||
| Muon | -1 | 106 | ||
| Protone | +1 | 938 | ||
| Particella ionica 4 He / α | +2 | 3730 | ||
| Ion 12 C | +6 | 11193 | ||
| Altri ioni | Variabile | Variabile | ||
La radiazione che penetra nella materia interagisce con gli elementi dell'ambiente e trasferisce energia. Le radiazioni ionizzanti hanno energia sufficiente per danneggiare il materiale che attraversa. Le radiazioni ionizzanti che raggiungono un organismo vivente possono danneggiare i suoi costituenti cellulari ( DNA , organelli ). Tuttavia, ogni giorno siamo esposti a una bassa dose di radiazioni. Fortunatamente, in queste condizioni, i meccanismi intracellulari consentono di riparare le lesioni prodotte. D'altra parte, in caso di esposizione a dosi elevate, questi meccanismi vengono superati e può quindi manifestarsi una disfunzione dell'organismo, una patologia, addirittura la morte.
Idealmente, quindi, l'esposizione alle radiazioni ionizzanti, quando necessaria o inevitabile, dovrebbe essere mantenuta la più bassa possibile in base ai principi della protezione dalle radiazioni .
Per apprezzare appieno i rischi associati alle radiazioni ionizzanti, è necessario interessarsi a quelle di origine naturale a cui l'uomo è sempre stato esposto. Tutti gli organismi viventi vi si adattano e sembrano in grado di correggere, in una certa misura, i danni causati da questa naturale irradiazione.
In Francia, l'esposizione umana media annuale alle radiazioni ionizzanti è di circa 2 mSv . Oltre a questa radioattività naturale, ci sono radiazioni da sorgenti artificiali. Queste radiazioni sono dello stesso tipo di quelle emesse dalle sorgenti naturali ei loro effetti sulla materia vivente sono, a parità di dosi, identici. Si tratta principalmente di radiografie mediche o dentali e, in misura minore, di radiazioni da radionuclidi ingeriti o inalati (con il fumo di sigaretta, ad esempio). In Francia, il sistema informativo di sorveglianza sull'esposizione alle radiazioni ionizzanti , noto come SISERI, raccoglie dati sulle misure di protezione dalle radiazioni per i lavoratori soggetti a radiazioni ionizzanti.
Solo l'1,5% proviene da altre fonti come ricadute da test di armi nucleari aeree e ricadute dal disastro di Chernobyl , ma il loro effetto può essere notevolmente aggravato quando la contaminazione è interna, a seguito di inalazione o assorbimento (i casi più comuni ) di radionuclidi negli alimenti.
L'esposizione alla radioattività naturale rimane molto inferiore all'esposizione diretta alle radiazioni ionizzanti a causa, ad esempio, di incidenti o incidenti nelle centrali atomiche , dove si incontrano valori da 100 a oltre 10.000 mSv .
A seconda di come la radiazione raggiunge il corpo, ci sono due modalità di esposizione: esterna o interna.
I regolamenti hanno definito diverse modalità di esposizione dal 2006:
La contaminazione può essere superficiale o volumetrica (atmosferica).
Vedi anche Irradiazione e Contaminazione Radioattiva .
Valori di alcuni periodi radioattivi :
Tutti i radioisotopi non vengono eliminati naturalmente ( urina, ecc.) Alla stessa velocità. Alcuni possono accumularsi in organi specifici ( ossa , fegato ...) prima di essere evacuati dal corpo.
Per ciascuno degli elementi radioattivi, oltre alla sua emivita , viene definita un'emivita biologica .
Noi Non abbiamo dimostrato alcuna conseguenza sulla salute delle radiazioni naturali, ad eccezione dei soggetti con ipersensibilità come l' atassia teleangectasia . Secondo un'ipotesi controversa ( ormesi ), potrebbero esserci, al contrario, effetti benefici anche a basse dosi di irraggiamento . Infatti, in alcune regioni del mondo ( Ramsar (Iran), Kerala (India)), le dosi ricevute dai residenti superano 240 volte le dosi generalmente raccomandate dagli standard internazionali. Inoltre, alcuni studi dimostrano che queste popolazioni non sono colpite più di quelle delle regioni limitrofe e sembra avere un effetto piuttosto positivo. Altri studi, invece, mostrano un elevato numero di aberrazioni genetiche, disturbi dell'immunità (alto tasso di allergie) e un aumento della sterilità nelle donne.
Le radiazioni ionizzanti che riceviamo da sorgenti naturali hanno origini diverse e si dividono in tre tipologie principali:
Radiazione cosmicaChiamata radiazione cosmica un flusso di particelle (principalmente protoni ) con un'energia molto elevata, dell'ordine del gigaélectron-volt (GeV). È di origine solare o galattica . Questi protoni ad alta energia si scontrano con i nuclei degli atomi in atmosfera e creano frammenti che sono essi stessi dotati di alta energia ( protoni , neutroni , muoni , neutrini , mesoni , ecc).
Il tasso di dose equivalente dalla radiazione cosmica è in media di 0,3 mSv · anno -1 a livello del mare . Ma varia notevolmente a seconda dell'altitudine e della latitudine (vedi tabella sotto).
Variazione del tasso di dose equivalente assorbita (m Sv / anno) in funzione dell'altitudine e della latitudine| Altitudine (km) |
0 ° ( equatore ) |
30 ° | 50 ° |
| 0 | 0.35 | 0.4 | 0,5 |
| 1 | 0.60 | 0.7 | 0.9 |
| 2 | 1.0 | 1.3 | 1.7 |
| 3 | 1.7 | 2.2 | 3.0 |
| 4 | 2.6 | 3.6 | 5.0 |
| 5 | 4.0 | 5.8 | 8.0 |
| 10 | 14.0 | 23.0 | 45.0 |
| 15 | 30.0 | 50.0 | 110.0 |
| 20 | 35.0 | 60.0 | 140.0 |
Ciò si traduce in alcune popolazioni che sono esposte a un'esposizione superiore alla media. La tabella seguente riporta gli equivalenti di dose ricevuti dalle popolazioni dei comuni situati in altitudine.
Tasso equivalente di dose di radiazione cosmica| città | Altitudine (m) |
Latitudine (°) |
DDDE (m Sv / anno) |
Popolazione (ab.) |
| La Paz ( Bolivia ) | 3.630 | 16 ° S | 2.7 | 1.800.000 |
| Quito ( Ecuador ) | 2.850 | 0 ° S | 1.6 | 2.600.000 |
| Bogotà ( Colombia ) | 2.640 | 4 ° N | 1.5 | 8.800.000 |
| Cerro de Pasco ( Perù ) | 4.259 | 10 ° S | 3.3 | 70.000 |
| Lhasa ( Tibet ) | 3.684 | 30 ° N | 3.1 | 200.000 |
Siamo esposti alle radiazioni dei radioelementi nella crosta terrestre . Ci sono una cinquantina di radioelementi naturali, la maggior parte dei quali fanno parte delle tre famiglie naturali di torio , uranio e attinio .
È il torio che esiste in quantità maggiore (10 ppm in media). Quindi troviamo l'uranio (da 2 a 3 ppm), quindi l'attinio.
Un altro radioelemento contribuisce in modo significativo: il potassio 40 ( 40 K), un isotopo naturale del potassio (0,01167%). La sua concentrazione è dell'ordine di 100-1000 Bq · kg -1 di terreno.
Il tasso medio di dose radioattiva assorbita a causa di tutti questi isotopi è di circa 0,3 mSv · anno -1 in Francia. Tuttavia, varia ampiamente a seconda della composizione del terreno. La dose equivalente ricevuta in Bretagna o nei Vosgi è da due a tre volte superiore a quella ricevuta nel bacino parigino . In alcune aree, come lo stato del Kerala, sulla costa sud-occidentale dell'India , raggiunge anche i 30 mSv · anno -1 .
Circa l'80% del calore interno della Terra proviene da quello prodotto dalla radioattività naturale nel terreno. Vedi l'articolo Energia geotermica .
Elementi radioattivi naturali assorbiti per inalazione o ingestioneEmanazioni gassosi da taluni prodotti risultanti dal decadimento di uranio contenute nel terreno come radon , o potassio dagli alimenti di cui trattenere una parte del nostro corpo (elemento del quale manteniamo permanentemente uno stock di circa 165 g per persona ), causa ciascuno di noi, in media, irradia 1,55 mSv all'anno. La principale fonte di irraggiamento naturale è 222 Rn , un gas naturale radioattivo. Rappresenta circa un terzo dell'irraggiamento ricevuto e aumenta nelle regioni granitiche.
Tutte le famiglie naturali hanno nella loro catena di decadimento un isotopo del radon ( 222 Rn generato da 226 Ra e 220 Rn chiamato anche thoron , generato da 224 Ra ). Questi gas emanano dal suolo, dall'acqua e dai materiali da costruzione. I valori medi delle concentrazioni sono stati valutati a 2 Bq / m 3 all'aperto e 20 Bq / m 3 nelle abitazioni per le più importanti: 222 Rn. Questi gas e i loro discendenti solidi si irradiano ai polmoni.
Essendo il potassio un elemento importante della nostra costituzione e vitale per il corretto funzionamento delle nostre cellule ( circa 165 g per persona ), l'isotopo 40 K di questo elemento contribuisce ad una costante attività interna di circa 5.000 Bq , che provengono da aggiungere una parte simile a causa dell'attività di tutti gli altri isotopi instabili del nostro corpo .
Esempio: radioattività da diversi ambienti naturali
La tabella seguente riassume il contributo dei vari componenti della radioattività naturale. Va ricordato, però, che si tratta di valori medi che possono variare notevolmente a seconda dell'altitudine, della latitudine e della composizione del sottosuolo.
| Fonte naturale | Esposizione (m Sv / anno) |
| Radiazione cosmica | 0.3 |
| Radiazione tellurica | 0.32 |
| Isotopi cosmici | 0,01 |
| 40 K | 0.17 |
| 222 Rn + discendenti | 0,55 |
| 220 Rn + discendenti | 0.15 |
| Varie | 0,06 |
| Totale | 1.56 |
Per ogni abitante l'esposizione media annua a sorgenti artificiali di radiazione è di circa 1 mSv. Si tratta principalmente di irradiazioni mediche e applicazioni industriali di radiazioni.
Le centrali nucleari , gli impianti di ritrattamento nucleare , l' impatto dei precedenti test nucleari atmosferici e il disastro di Chernobyl, ecc., Espongono ogni uomo in media 0,002 mSv all'anno.
Irradiazioni medicheSi tratta principalmente di radiografie mediche e dentali che provocano un'irradiazione esterna prossima a 1 mSv all'anno (media in Francia).
Lo sviluppo della radiologia diagnostica è stato un fattore chiave del progresso medico nel corso del XX ° secolo . Gli equivalenti di dose erogati dai diversi tipi di esami variano notevolmente a seconda della profondità degli organi studiati e delle dimensioni del segmento dell'organismo interessato. Accanto ai dispositivi tradizionali, sono gradualmente apparsi dispositivi più sofisticati ( “scanner” ) che, combinati con i computer, consentono di produrre immagini trasversali ( tomografie ) dell'organismo.
Dosi erogate durante i più comuni esami diagnostici di radiologia| Esame medico | Dose (m Gy ) |
| Petto x - ray | 0.7 |
| Radiografia del cranio | 2 |
| Radiografia dell'addome | 3 |
| Scanner del cranio | 27 |
| Urografia | 20 |
| Scansione TC di tutto il corpo | 160 |
| Transito esogastroduodenale | 90 |
La radioterapia esterna è un trattamento del cancro di base. Viene generalmente utilizzata la radiazione ad alta energia emessa da sorgenti di cobalto radioattivo 60 Co o da acceleratori di particelle .
In alcuni trattamenti cosiddetti brachiterapici viene posto un corpo radioattivo, sia a contatto immediato con i tessuti da irradiare, sia impiantato sotto forma di aghi radioattivi ( iridio , cesio ). Le dosi convenzionalmente somministrate sono elevate (da 40 a 80 Gy) e distanziate nel tempo per consentire la rigenerazione dei tessuti sani. Le tecniche per l'impianto definitivo di grani radioattivi ( iodio , palladio ) si stanno espandendo.
La medicina nucleare utilizza isotopi radioattivi per esplorare il corpo umano. Consiste nell'iniettare un isotopo radioattivo che viene fissato nella parte da esplorare e nel realizzare un'immagine utilizzando una camera a scintillazione ( scintigrafia ).
Gli isotopi utilizzati sono lo iodio 131 ( 131 I) per l'esplorazione funzionale della tiroide e soprattutto il tecnezio 99m ( 99m Tc) il cui interesse è la sua breve emivita (T = 6.02 h) che minimizza le dosi equivalenti somministrate. Può essere ottenuto da 99m Mo molibdeno mediante un apparato di eluizione .
L'esplorazione funzionale di organi come il cervello utilizza la tomografia a emissione di positroni . L'isotopo utilizzato è spesso 18 F , (periodo 2 h) iniettato in una forma legata a uno zucchero: l'attività cerebrale consuma glucosio e le aree più attive durante un compito cognitivo saranno visualizzate da una gamma camera .
Dose equivalenti dopo l'iniezione di 99m Tc per diverse esplorazioni| Esplorazione | Dose equivalente (m Sv per m Ci di 99m Tc iniettato) |
| Vescica urinaria | 0,85 |
| Stomaco | 0,51 |
| Intestino | 2.3 |
| Tiroide | 1.3 |
| Ovaie | 0.3 |
| Testicoli | 0,09 |
| Midollo osseo | 0.17 |
| Tutto il corpo | 0.11 |
Di seguito è riportato un riepilogo delle principali fonti di esposizione umana con gli equivalenti di dose corrispondenti.
Va tenuto presente che si tratta di valori medi e che alcuni gruppi di individui (come i lavoratori dell'energia nucleare e le popolazioni che vivono in determinate regioni) sono esposti a dosi equivalenti maggiori.
Inventario generale degli impegni di dose (mSv / anno) per un individuo medio| Radioattività | Esposizione interna | Esposizione totale |
| Radioattività naturale | 0.94 | 1.64 |
| Irradiazione per scopi medici | 0.015 | 0,8 |
| Test nucleari | 0,02 | 0,04 |
| Energia nucleare | 0.015 | 0,02 |
| Totale | 0.99 | 2.5 |
Le radiazioni ionizzanti prodotte dall'uranio radioattivo o da altri combustibili sono utilizzate dalle centrali nucleari per la produzione di elettricità, nella medicina nucleare , per la progettazione di armi nucleari , ecc.