Radioattività

7.1

Effetti biologici delle radiazioni

Gli effetti delle radiazioni sulla materia vivente sono prodotti attraverso lo stesso meccanismo della ionizzazione descritto per la materia inanimata. I danni più gravi si hanno quando le radiazioni ionizzanti colpiscono la molecola di DNA, presente nel nucleo di ogni cellula.

L’entità dei danni dipende in primo luogo dalla dose di radiazione; in secondo luogo, dall’organo colpito, che può essere vitale o non vitale; infine, dal tipo di danno cellulare: una cellula colpita può essere distrutta completamente, oppure può essere alterata senza essere distrutta; in quest’ultimo caso, c’è la possibilità che si attivi il processo di proliferazione anomala che sta all’origine della carcinogenesi (vedi Cancro).

Il ritardo con cui si manifestano gli effetti nell’organismo rispetto al momento dell’esposizione alle radiazioni, unito al fatto che il meccanismo di induzione di un tumore è una combinazione di eventi casuali non prevedibili (la penetrazione della radiazione nel nucleo della cellula, la lesione di un sito specifico della molecola di DNA, l’inadeguatezza della risposta dell’organismo al danno subito), fanno sì che sia difficile correlare l’insorgenza di un tumore con un’eventuale dose di radiazione assorbita. I risultati più attendibili si possono ottenere quindi da studi statistici, che analizzino intere popolazioni esposte a radiazioni.

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Radioattività artificiale

Nel 1919 Rutherford realizzò la prima reazione nucleare indotta, bombardando azoto ordinario gassoso (azoto 14) con particelle alfa: trovò che i nuclei di azoto catturano le particelle alfa ed emettono un protone ad altissima velocità, trasformandosi infine nell’isotopo stabile dell’ossigeno di numero di massa 17. Il processo può essere descritto mediante la reazione:

¨N+¸He→©O+§H

dove, come è convenzione, i numeri atomici dei nuclidi sono riportati in basso a sinistra accanto ai simboli chimici, mentre il numero di massa è scritto in alto a sinistra; la particella alfa e il protone che partecipano alla reazione sono rappresentati rispettivamente come un nucleo di elio e un nucleo di idrogeno.

Solo nel 1933 fu dimostrato che tali reazioni nucleari possono condurre alla formazione di nuclidi radioattivi. Fu in quell’anno che i chimici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie prepararono la prima sostanza radioattiva artificiale bombardando l’alluminio con particelle alfa. Il nucleo dell’alluminio cattura la particella alfa ed emette un neutrone, trasformandosi in un isotopo del fosforo, che in un intervallo di tempo relativamente breve decade con emissione di positroni. I due scienziati produssero inoltre un isotopo dell’azoto a partire dal boro e un isotopo dell’alluminio partendo dal magnesio.

Da allora sono stati condotti innumerevoli esperimenti di radioattività artificiale, mediante il bombardamento di tutti i nuclidi della tavola periodica con particelle alfa, protoni, neutroni e deutoni (nuclei di deuterio, l’isotopo dell’idrogeno di massa 2). Il risultato di questa intensa attività di ricerca è l’attuale conoscenza di oltre 400 sostanze radioattive artificiali. Un notevole impulso a questi studi è venuto dall’uso degli acceleratori di particelle, gigantesche macchine capaci di portare le particelle a velocità enormi, aumentando la probabilità di scontro e interazione.

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Applicazioni

Innumerevoli sono i campi di applicazione della radioattività, naturale e artificiale. Uno dei più importanti è quello medico: le radiazioni prodotte da sorgenti artificiali opportune vengono ampiamente utilizzate in diagnostica (vedi Radiologia) e nella radioterapia del tumore. In campo scientifico sono impiegate per svariati usi: per la datazione di reperti archeologici, di siti geologici, o come traccianti per lo studio di processi biochimici.

In fisica fondamentale si impiegano comunemente per la ricerca nel campo delle particelle elementari; nell’industria, per il controllo di qualità attraverso le tecniche radiografiche e in dispositivi particolari come le sorgenti di luce fosforescente. Vengono inoltre impiegate in tecniche di analisi in traccia; ad esempio, nell’analisi per attivazione neutronica, in cui il campione viene reso radioattivo mediante bombardamento con neutroni: le impurità (tracce) della sostanza in esame, non rivelabili con altri mezzi, vengono individuate analizzando i radioisotopi prodotti nel processo.

L’applicazione più recente, ancora in fase di sperimentazione, vede la radioattività fornire energia a lungo termine all’interno di microscopiche batterie. Il modello oggi più attendibile, messo a punto presso i laboratori della Cornell University, funzionerebbe con il nichel 63 che, decadendo, produrrebbe la polarizzazione della pila e il movimento di una parte mobile del congegno; tale movimento potrebbe essere sfruttato direttamente per il funzionamento di determinati dispositivi o, in alternativa, potrebbe fornire energia da immagazzinare in forma magnetica. Le applicazioni più interessanti del dispositivo riguarderebbero la microelettronica e i dispositivi medici impiantabili.

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Radioattività ambientale e dose annua assorbita

Nell’ambiente esiste un fondo di radioattività naturale generato dai raggi cosmici e dagli elementi radioattivi naturali presenti nelle rocce e nella biosfera. Il contributo più importante, pari a circa il 52%, a questo fondo di radioattività dell’ambiente si deve all’uranio 238 e ai suoi discendenti della serie radioattiva di cui è capostipite, in particolare il radon. Il 16,6% circa è ascrivibile invece al torio 232 e ai suoi discendenti; il 15% a isotopi quali il potassio 40 e il rubidio 87, e un altro 15% ai raggi cosmici, che, benché schermati dagli strati alti dell’atmosfera, penetrano in minima percentuale fino alla biosfera. Il totale corrisponde a una dose di circa 130 mRem all’anno.

Se si vuole calcolare la dose a cui un essere umano è normalmente soggetto, tuttavia, si deve aggiungere una componente dovuta alle eventuali esposizioni a radiazioni artificiali: quelle provenienti da radioterapie e analisi radiologiche (circa 46 mRem all’anno), quelle immesse nell’ambiente dai test nucleari (circa 2 mRem all’anno), quelle riconducibili all’attività delle centrali nucleari (circa 0,2 mRem all’anno). Questi contributi portano la dose annua assorbita a circa 200 mRem all’anno. Per avere un’idea degli effetti che queste dosi possono sortire sull’organismo, si consideri che una quantità di radiazioni compresa tra 0 e 25 Rem (1 Rem = 1000 mRem) non produce in genere alcun effetto osservabile; tra 25 e 100 Rem si osservano piccole variazioni nella composizione del sangue; tra 100 e 200 Rem si avverte nausea e affaticamento, oltre a sostanziali variazioni della composizione del sangue e, in pochissimi casi, la morte; si ha invece alta possibilità di morte per dosi superiori ai 200 Rem.