LE RADIAZIONI E LA VITA

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1 La vita sulla terra si è sviluppata con la costante presenza delle radiazioni naturali. Esse non sono niente di nuovo, niente di inventato dall intelligenza umana: le radiazioni ci sono sempre state. Eric J Hall, professore di radiologia, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York. "Radiation and Life Traduzione a cura di Angela Alessio e Massimo Vascotto 12/1999 LE RADIAZIONI E LA VITA Le radiazioni sono energia che viaggia attraverso lo spazio. La luce del sole è una delle forme più familiari di radiazione. Ci porta luce, calore ed abbronzature. Controlliamo i suoi effetti su di noi con gli occhiali da sole, l ombra, i condizionatori d aria e gli schermi solari. Non ci sarebbe vita sulla terra senza grandi quantità di luce solare, ma abbiamo pian piano capito che la troppa esposizione alla luce solare non è una cosa buona. Infatti. potrebbe essere pericolosa, quindi la controlliamo. La luce solare consiste in radiazioni in una gamma di lunghezze d onda dall infrarosso, ad onda lunga, all ultravioletto, la più piccola lunghezza d onda. Al di là dell ultravioletto, ci sono tipi di radiazione ad energia più alta, che vengono usati in medicina e che noi tutti riceviamo, a piccole dosi, dallo spazio, dall aria e dalla terra. In generale, possiamo chiamare queste radiazioni ionizzanti. Esse possono causare danni alla materia, in particolare ai tessuti vivi. Quindi, ad alti livelli, sono pericolose e dobbiamo controllare la nostra esposizione ad esse. Gli esseri viventi si sono evoluti in un ambiente caratterizzato da livelli significativi di radiazioni ionizzanti. Inoltre, molti di noi devono la vita e la salute a radiazioni di questo tipo, prodotte artificialmente. I raggi X usati in campo medico e dentistico evidenziano problemi nascosti. Altre radiazioni vengono usate per sterilizzare gli alimenti ed alcune persone vengono trattate con radiazioni per curare certe malattie. Noi tutti traiamo beneficio da numerosi prodotti e servizi, resi possibili dall uso assennato di materiali radioattivi. La radiazione di fondo è quella naturale, inevitabilmente presente nel nostro ambiente. I suoi valori possono variare ampiamente. Le persone che vivono in aree granitiche o su sabbie mineralizzate ricevono maggiori quantità di radiazioni terrestri rispetto agli altri, mentre chi vive o lavora ad altitudini elevate riceve maggiori quantità di radiazioni cosmiche. Radiazioni a cui siamo largamente esposti per cause naturali sono quelle del radon, un gas che filtra dalla crosta terrestre ed è presente nell aria che respiriamo. Nel diagramma, di seguito riportato, vengono riportate le medie delle dosi annuali di radiazione provenienti da fonti naturali in Europa e Australia: in giallo i raggi cosmici; in rosso i raggi gamma all aria aperta; in verde i raggi gamma in ambiente chiuso; in blu il radon.

2 Le radiazioni provengono dagli atomi, le unità basilari che costituiscono la materia. L ATOMO INSTABILE La maggior parte degli atomi è stabile; un atomo di carbonio 12, ad esempio, rimane un atomo di carbonio 12 per sempre ed un atomo di ossigeno 16 rimane un atomo di ossigeno 16 per sempre, ma alcuni atomi ad un certo punto si disintegrano, dando origine ad un atomo totalmente nuovo. Questi atomi sono detti instabili o radioattivi. Un atomo instabile ha un eccesso di energia interna, col risultato che il suo nucleo può trasformarsi per assumere una forma più stabile. Questo processo è chiamato decadimento radioattivo. Ogni tipo di atomo è chiamato isotopo e gli isotopi instabili (e quindi radioattivi) sono chiamati radioisotopi. Alcuni elementi, come ad esempio l uranio, non hanno isotopi stabili. Quando un atomo di un radioisotopo decade, cede un po della sua energia in eccesso come radiazione, sotto forma di raggi gamma o particelle rapide. Se esso decade con un emissione alfa o beta, diventa un elemento nuovo. Per tutta la durata di questo processo, l atomo progredisce verso uno stato stabile, in cui non sarà più radioattivo. Un altra forma di radiazione nucleare si ha quando una forma di radioisotopo si muta in un altra forma o isomero, rilasciando nel processo un raggio gamma. La forma eccitata viene indicata con una m vicino al suo numero atomico, ad esempio il tecnezio 99m (Tc 99m) decade nel Tc 99. I raggi gamma vengono spesso emessi assieme a radiazioni alfa o beta, perché il nucleo decade in uno stato meno eccitato. A prescindere dalle normali misure di massa e volume, la quantità di materiale radioattivo si misura in Becquerel (Bq), un unità di misura che ci permette di paragonare la radioattività presente in materiali naturali e non. LE RADIAZIONI IONIZZANTI Ora ci occuperemo soprattutto di radiazioni ionizzanti, provenienti dal nucleo atomico. Esse compaiono in due forme - raggi e particelle, all estremità ad alta frequenza dello spettro energetico. Le radiazioni ionizzanti producono, nel materiale che colpiscono, particelle elettricamente cariche, chiamate ioni. Questo processo è detto ionizzazione. Le radiazioni ionizzanti sono in grado di toccare le grandi molecole chimiche di cui tutti gli organismi viventi sono composti e quindi causano cambiamenti biologicamente importanti. Ci sono vari tipi di radiazione ionizzante: I raggi gamma (γ) e i raggi X, come la luce, rappresentano l energia trasmessa in un onda, senza il movimento del materiale, proprio come il calore e la luce, provenienti da un fuoco o dal sole, che viaggiano nello spazio. I raggi gamma e i raggi X sono virtualmente identici, tranne per il fatto che i raggi X non provengono dal nucleo atomico. A differenza della luce, entrambi hanno un grosso potere di penetrazione e possono passare attraverso il corpo umano. Come protezione contro di essi, vengono usate spesse barriere di calcestruzzo, piombo o acqua. Le particelle alfa hanno una carica elettrica positiva e vengono emesse sia da elementi pesanti presenti in natura, come l uranio e il radio, sia da alcuni elementi artificiali. A causa della loro relativa grandezza, le particelle alfa collidono immediatamente con la materia e perdono velocemente la loro energia. Quindi hanno un basso potere di penetrazione e possono essere fermate dal primo strato dell epidermide o da un foglio di carta. Comunque, se vengono introdotte nel corpo umano, ad esempio per respirazione o ingestione, le particelle alfa possono alterarne le cellule. Dentro al corpo, poiché rilasciano la loro energia dopo una distanza relativamente breve, le particelle alfa possono causare danni biologici maggiori delle altre radiazioni.

3 Le particelle beta sono elettroni ad alta velocità espulsi dal nucleo degli atomi. Queste particelle sono molto più piccole delle particelle alfa e possono penetrare anche da 1 a 2 centimetri d acqua o carne umana. Le particelle beta vengono emesse da molti elementi radioattivi. Possono essere fermate da un foglio d alluminio di un paio di millimetri di spessore. Le radiazioni cosmiche consistono in una varietà di particelle altamente energetiche, inclusi i protoni, che bombardano la terra dallo spazio. Esse sono più intense ad altitudini elevate che al livello del mare, dove l atmosfera terrestre è più densa e dà la maggiore protezione. Anche i neutroni sono particelle molto penetranti. Sulla terra, provengono principalmente dalla scissione o fissione di certi atomi, all interno di un reattore nucleare. L acqua ed il calcestruzzo sono gli scudi usati più comunemente contro le radiazioni da neutroni provenienti dal nucleo di un reattore nucleare. E importante capire che le radiazioni ionizzanti non fanno diventare un corpo radioattivo. LA RADIOATTIVITA DI ALCUNI ELEMENTI NATURALI E NON 1 essere umano adulto 7000 Bq 1 kg di caffè 1000 Bq 1 kg di fertilizzante superfosfatico 5000 Bq L aria in una casa australiana di 100mq (radon) 3000 Bq 1 rilevatore di fumo ad uso casalingo Bq Radioisotopi per diagnosi mediche 70 milioni di Bq Fonte di radioisotopi per terapie mediche milioni di Bq 1 kg di scorie nucleari vetrificate di alto livello vecchie di 50 anni milioni di Bq 1 insegna luminosa (anni 70) indicante Uscita milioni di Bq 1 kg di uranio 25 milioni di Bq 1 kg di uranio grezzo (Canadese, 15%) 25 milioni di Bq 1 kg di uranio grezzo (Australiano, 0.3%) Bq 1 kg di scorie radioattive di basso livello 1 milione Bq 1 kg di cenere di carbone 2000 Bq 1 kg di granito 1000 Bq NB: Sebbene la radioattività intrinseca sia la stessa, la dose di radiazioni ricevuta da una persona che maneggia un chilogrammo di uranio canadese di grado elevato sarà molto maggiore che per la stessa esposizione ad un chilogrammo di uranio puro, poiché quello grezzo contiene un certo numero di prodotti di decadimento di breve vita (vedi la sezione sul decadimento radioattivo, più avanti). MISURAZIONE E MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI I Gray ed i Sievert I nostri cinque sensi non possono percepire le radiazioni o capire se un materiale è radioattivo. Comunque, vari strumenti possono individuare e misurare le radiazioni, in maniera affidabile ed accurata. Le radiazioni ionizzanti vengono misurate con le unità di misura internazionali, il Gray (Gy) ed il Sievert (Sv). La quantità di radiazione o dose ricevuta da una persona è misurata nei termini dell energia assorbita dai tessuti corporei ed è espressa in Gray. Un uguale esposizione a diversi tipi di radiazione però non produce necessariamente effetti biologici uguali. Un Gray di radiazione alfa, ad esempio, avrà un effetto maggiore di un Gray di radiazione beta. Quando prendiamo in considerazione gli effetti di una radiazione, la esprimiamo in unità di misura chiamate Sievert. Un Sievert di radiazione produce un effetto biologico costante, a prescindere dal tipo di radiazione. Quantità più piccole sono espresse in millisievert (un millesimo di Sievert) o microsievert (un milionesimo). Useremo qui l unità di misura più comune, il millisievert (msv). IN CHE MISURA LE RADIAZIONI IONIZZANTI SONO PERICOLOSE? Una scala dei livelli di radiazione Il seguente schema indica i probabili effetti ed implicazioni per il corpo umano di una serie di dosi di radiazione e tempi di esposizione msv (10 Sievert) in una dose di breve durata causerebbero malessere immediato e conseguente morte nel giro di poche settimane.

4 Fra i 2 e i 10 Sievert in una dose di breve durata causerebbero un grave malessere da radiazione e l aumento della probabilità che esso possa essere fatale msv (1 Sievert) in una dose di breve durata causerebbero probabilmente un malessere (temporaneo) come la nausea e una diminuzione del numero dei globuli bianchi, ma non la morte. Inoltre, la gravità della malattia aumenta con l aumentare del dosaggio msv, accumulati in un certo periodo di tempo, causerebbero probabilmente un cancro fatale, molti anni più tardi, in 5 persone su 100 esposte ad essi (se ad esempio la normale incidenza del cancro fosse del 25%, questa dose l aumenterebbe al 30%). 50 msv all anno sono, se accumulati, il più basso dosaggio che abbia dato prova di poter causare il cancro. E il dosaggio emesso da livelli di fondo naturali in numerose località. Inoltre, la probabilità dell insorgere di un cancro (piuttosto che la sua gravità) aumenta con l aumentare del dosaggio. 20 msv all anno in media per 5 anni sono il limite per gli impiegati in industrie nucleari ed i minatori in miniere di uranio o sabbie minerali, che vengono accuratamente monitorati. 10 msv all anno sono la reale dose massima ricevuta da qualsiasi minatore australiano in una miniera d uranio. 3-5 msv all anno sono il dosaggio tipico (oltre al sottofondo) ricevuto dai minatori in miniere d uranio in Australia e Canada. 3 msv all anno (approssimativamente) sono la normale radiazione di sottofondo da fonti naturali nel Nord America, inclusa una media di quasi 2 msv all anno da radon nell aria. 2 msv all anno (approssimativamente) sono la normale radiazione di sottofondo da fonti naturali in Australia, inclusa una media di 0.7 msv all anno da radon nell aria. Questa dose si avvicina molto alla dose minima che ogni essere umano sulla terra riceve msv all anno è il tipico dosaggio da fonti artificiali di radiazione, principalmente mediche msv all anno, una frazione della radiazione naturale di sottofondo, sono il limite massimo di radiazione alla barriera perimetrale di una stazione nucleare per la produzione di energia elettrica. In pratica, la dose reale è molto inferiore. Per livelli più bassi di esposizione alle radiazioni, gli effetti biologici sono così piccoli che non possono essere rilevati. Gli standard per la protezione dalle radiazioni comunque suppongono che l effetto sia direttamente proporzionale alla dose, anche a bassi livelli. Secondo questa teoria lineare degli effetti delle radiazioni, se la dose viene dimezzata, l effetto - o il rischio di subirne un effetto - è dimezzato. Dosi di radiazione più concentrate, pur non essendo immediatamente fatali, possono originare un cancro che verrebbe rilevato soltanto parecchi anni dopo l esposizione alle radiazioni. Il corpo umano ha dei meccanismi di difesa dai danni prodotti sia dalle radiazioni che da agenti cancerogeni chimici. Comunque, solitamente, il corpo umano ha a che fare soltanto con danni relativamente piccoli ma costanti e non con un danno grave in un solo momento, come fu il caso dei sopravvissuti alla bomba atomica nel Si è tenuto conto di questo effetto nel calcolare i rischi professionali, ma il grado di protezione dall esposizione a radiazioni di basso livello potrebbe essere ben maggiore di quanto cautamente permesso da queste stime. Circa Australiani lavorano in ambienti in cui possono venire esposti a radiazioni al di sopra dei livelli di sottofondo. Di conseguenza, indossano dei dosimetri di controllo (dispositivi di controllo personale) mentre lavorano e la loro esposizione viene monitorata accuratamente. LA RADIAZIONE DI FONDO I livelli di radiazione di sottofondo, in natura, variano da 1.0 a 3.5 millisievert all anno ed in alcune località possono essere molto più elevati. Il più alto livello conosciuto di radiazione di sottofondo in una zona abitata da una popolazione sedentaria si ha negli Stati di Kerala e Madras, in India, dove circa persone ricevono un dosaggio medio annuale di oltre 15 millisievert all anno da raggi gamma, più un valore simile da radon. Livelli paragonabili si hanno in Brasile, Iran e Sudan, con esposizioni medie fino a 38 msv all anno. Si conoscono quattro posti in India ed Europa in cui la radiazione naturale di sottofondo dà dosaggi di più di 50 msv all anno. Non sono stati rilevati effetti nocivi alla salute originati dalle dosi provenienti da questi alti livelli naturali. RADIAZIONI ARTIFICIALI Radiazioni ionizzanti vengono anche generate da varie attività mediche, commerciali ed industriali. La fonte di esposizione più familiare e, in termini nazionali, anche più diffusa è costituita dai raggi X per uso medico. Una tipica proporzione fra radiazioni naturali di sottofondo e radiazioni da fonti artificiali è illustrata nel diagramma a torta (a sinistra). La radiazione naturale costituisce l 88% della dose annuale per la popolazione e le procedure mediche rappresentano la maggior parte del restante 12%. Le radiazioni naturali non differiscono in tipo o effetto da quelle artificiali.

5 DECADIMENTO RADIOATTIVO Gli atomi di una sostanza radioattiva decadono in maniera casuale, ma a scadenze caratteristiche. Sono noti il tempo impiegato, il numero di passaggi richiesto e i tipi di radiazione emessa ad ogni passaggio. Il periodo di dimezzamento è il tempo che metà degli atomi di una sostanza radioattiva impiega per decadere. Il periodo di dimezzamento può variare da meno di un milionesimo di secondo a milioni di anni, a seconda dell elemento. Dopo un periodo di dimezzamento, il livello di radioattività di una sostanza è dimezzato, dopo due periodi di dimezzamento è ridotto a un quarto, dopo tre ad un ottavo e così via. Tutti gli atomi di uranio sono leggermente radioattivi. Il precedente schema per l uranio 238 mostra i vari cambiamenti, il tipo di radiazione emessa ad ogni passaggio ed il periodo di dimezzamento di ogni passaggio che l U238 attraversa nel corso della sua trasformazione in piombo 206, stabile e non radioattivo. Minore è la durata della vita di ogni tipo di radioisotopo, maggiore è la radiazione emessa per unità di massa. Vedi anche la pubblicazione dell ANSTO su radioattività, radioisotopi ecc. Periodi di decadimento radioattivo: dopo dieci periodi di dimezzamento, il livello di radioattività è ridotto ad un millesimo. I RISCHI DELLE RADIAZIONI PER LA SALUTE Molte cose potenzialmente di grande beneficio per l umanità sono associate a dei rischi. Le radiazioni ricadono in questa categoria. Comunque, i materiali radioattivi dovrebbero essere usati solo quando i benefici sono significativamente maggiori dei rischi. Le radiazioni ionizzanti sono solo una delle centinaia di cose che possono causare gravi effetti alla salute degli esseri umani. Il livello dei danni causati dalle radiazioni dipende a sua volta da molti fattori: la durata della dose, la sua quantità, il tipo di radiazione, la parte del corpo ad essa esposta, l età e lo stato di salute, ad esempio. E noto da molti anni che dosi massicce di radiazione ionizzante, molto superiori dei livelli di sottofondo, possono causare un quantificabile aumento di cancri, leucemie ( cancro del sangue ) e mutazioni genetiche (anche se non negli esseri umani) nelle generazioni future. Ma quali sono le possibilità di contrarre un cancro dopo l esposizione a piccole dosi di radiazione? Qualsiasi dose di radiazione, non importa quanto piccola, implica un possibile rischio per la salute dell uomo, ma per dosi al di sotto dei 50 millisievert i rischi sono così minimi che i loro effetti non sono misurabili e sono quindi trascurabili. C è poi un ritardo di molti anni fra l esposizione di una persona ad una potenziale causa di cancro e l insorgere della malattia. Ciò rende difficile stabilire con ogni certezza quale di molti possibili agenti sia stata la causa di un particolare cancro. Il fumo delle sigarette, fattori dietetici e la luce del sole sono fra le cause di cancro più probabili. Ma è chiaro che le radiazioni usate in maniera impropria possono aumentare i rischi per la salute. D altra parte, dosi massicce di radiazione direzionate contro un tumore vengono usate in radioterapia per uccidere le cellule cancerose, mentre dosi ancor più massicce vengono usate per uccidere i batteri nocivi nel cibo e per sterilizzare bende ed altri materiali per uso medico. Le radiazioni sono diventate uno strumento importante nel nostro mondo moderno. Vedi anche L atomo pacifico in questa serie. LA PROTEZIONE DALLE RADIAZIONI Dal momento che l esposizione a radiazioni ionizzanti è rischiosa, dovremmo evitarla completamente? Anche se volessimo, sarebbe impossibile. Abbiamo già detto che le radiazioni sono sempre state presenti nell ambiente e nel nostro corpo. Possiamo comunque evitare le esposizioni eccessive. Ci sono vari strumenti, semplici e sensibili, capaci di rilevare anche minime quantità di radiazione, provenienti da fonti naturali ed artificiali. Inoltre, abbiamo quattro modi per proteggerci: il tempo, la distanza, la schermatura ed il contenimento.

6 Tempo: per le persone che, a causa del loro lavoro, sono esposte a radiazioni oltre alla naturale radiazione di sottofondo, la dose viene ridotta ed il rischio di malattia quasi eliminato limitando il tempo di esposizione. Distanza: con lo stesso meccanismo per il quale il calore emesso da un fuoco diminuisce se ci si allontana da esso, l intensità di una radiazione diminuisce con l aumentare della distanza dalla fonte della radiazione. Schermatura: barriere di piombo, calcestruzzo o acqua forniscono una buona protezione dalle radiazioni penetranti, come i raggi gamma. I materiali radioattivi quindi vengono spesso riposti o maneggiati sotto acqua o vengono controllati a distanza in stanze costruite con spessi strati di calcestruzzo o rivestite di piombo. Contenimento: i materiali radioattivi vengono confinati in spazi più ristretti possibile e vengono tenuti lontani dall ambiente esterno. Gli isotopi radioattivi per uso medico, ad esempio, vengono somministrati in ambienti appositi, chiusi, mentre i reattori nucleari operano all interno di sistemi chiusi da barriere multiple che contengono i materiali radioattivi. Le stanze vengono mantenute ad una pressione atmosferica inferiore, di modo che qualsiasi infiltrazione avvenga verso la stanza e non verso l esterno. Protezione radiologica La maggior parte degli Stati ha i propri sistemi di protezione dalle radiazioni, spesso basati sulle raccomandazioni dell International Commission on Radiological Protection (I.C.R.P.) 1. Da più di cinquanta anni, l autorità dell I.C.R.P. proviene dal rilievo scientifico dei suoi membri e dal valore delle sue raccomandazioni. I tre punti chiave delle raccomandazioni dell I.C.R.P. sono: Nessun trattamento deve essere adottato se la sua introduzione non produce un beneficio nettamente positivo. Tutte le esposizioni devono essere mantenute basse ed ottenute ragionevolmente, tenendo conto dei fattori economici e sociali. L equivalente di una dose per gli individui non deve eccedere i limiti raccomandati dalla Commissione per le circostanze appropriate Gli standard australiani per la protezione dalle radiazioni sono basati sulle raccomandazioni dell I.C.R.P. sia per la categoria occupazionale che per quella pubblica. L I.C.R.P. raccomanda che la dose massima permissibile in un esposizione per motivi occupazionali sia di 20 millisievert annui in media per 5 anni (ossia 100 millisievert), con un tetto massimo di 50 millisievert in un anno singolo. Per l esposizione dei normali cittadini, il limite è di 1 millisievert annuo in media per 5 anni. Per entrambe le categorie, le cifre sono oltre ai livelli di sottofondo ed al di sopra di essi ed escludono l esposizione per motivi medici. In Australia, le regole per la protezione dalle radiazioni sono stabilite dagli Stati e dai Territori ed anche dall Environment Protection (Nuclear Codes) Act 2 del Tre Codici per la pratica sono stati redatti da un comitato congiunto Commonwealth - States Consultative per ricoprire: la protezione dalle radiazioni nelle miniere e le fabbriche di materiali radioattivi grezzi il trasporto sicuro di sostanze radioattive la gestione di scorie radioattive provenienti da miniere e fabbriche di materiali radioattivi grezzi Altre informazioni sull argomento, insieme a link per le fonti straniere, si trovano nelle istruzioni dell U.I.C. su Le radiazioni ed il ciclo del carburante nucleare URANIUM INFORMATION CENTRE Ltd. A.C.N GPO Box 1649N, Melbourne 3001 Australia phone (03) fax (03) uic@mpx.com.au Ultima revisione: agosto Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica 2 Atto di protezione ambientale (Codice nucleare)