Appunti diagnostica

Diagnostica per immagini: fisica delle radiazioni

Rappresentazione schematica di un atomo

Secondo lo schema ideato da Niels Bohr:

• Piccola struttura centrale detta nucleo in cui è concentrata la quasi totalità della massa.
• A sua volta il nucleo è formato da protoni e neutroni.
• Attorno al nucleo gli elettroni occupano delle orbite qui schematizzate come circolari.

(figura 1)

Cosa succede dentro il nucleo?

I protoni sono carichi positivamente, questi tendono a respingersi per azione della forza repulsiva di natura elettromagnetica che agisce fra cariche elettriche dello stesso segno. Un nucleo in cui agisce solo questa forza non potrebbe quindi esistere perché i protoni tenderebbero rapidamente a separarsi, scatenando una scissione nucleare.

Questo non succede per la presenza dei neutroni che garantiscono l'aggregazione stabile del nucleo, grazie a una forza di tipo attrattivo di natura non elettromagnetica ("forza nucleare forte") capace di vincere la forza repulsiva elettromagnetica esistente tra i protoni.

Ogni forma atomica è caratterizzata da

(figura 2):

• Numero atomico (Z): è il numero di protoni del nucleo e determina la specie chimica– (elemento) di appartenenza dell’atomo e quindi le sue proprietà chimiche.
• Numero di massa (A): indica il numero totale di nucleoni, ovvero la somma di protoni e neutroni (in alto a dx). Questo numero è una media in quanto, per esempio, non esiste solo l'O₁₆ ma anche O₁₅, O₁₄, etc.

Isotopi e ioni

2 atomi dello stesso elemento (stesso Z) ma con numero di massa (A) diverso si chiamano isotopi di un elemento ed alcuni di questi sono radioattivi. Per esempio: H ha di solito un protone ma esistono isotopi di H con numero di massa 2 e numero di massa 3 (trizio), quest'ultimo è radioattivo.

Diversamente ci sono gli ioni, è sempre un atomo ma che ha diverso numero di elettroni da quello dei protoni. In condizioni normali gli atomi sono elettricamente neutri poiché il numero degli elettroni orbitali (con carica elettrica negativa) eguaglia il numero di protoni del nucleo (con carica elettrica positiva). Nel caso degli ioni quindi si hanno disparità, se ho meno elettroni avrò carica positiva, se ne avrò di più ho carica positiva.

Differenza tra ione e isotopo: lo ione è carico elettricamente e le differenze stanno nella parte degli elettroni (o uno in più o uno in meno), sono quindi quelli più attivi che innescano le reazioni; gli isotopi, invece, differiscono per il nucleo in quanto possono emettere anche radiazioni e sono poco reattivi.

Isotopi

Il comportamento fisico al variare di A può essere molto diverso! Alcuni isotopi di uno stesso elemento possono essere energeticamente instabili e possono rilasciare energia sotto forma di radiazioni ionizzanti (si parla allora di radioisotopi).

Radioisotopi sono ad esempio, nel caso dell'Uranio, l'²³⁸U e l'²³⁵U, quest'ultimo è usato come combustibile nei reattori nucleari o, nel caso dello Iodio, lo ¹²³I e lo ¹³¹I, sono isotopi dello iodio impiegati in esami di diagnostica medico nucleare e radioterapia metabolica.

Radiazioni

Insieme di fenomeni caratterizzati dal trasporto di energia nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche (prive di massa) o di particelle corpuscolari (dotate di massa).

• Le prime sono pura energia perché non hanno massa e sono onde che si propagano nel vuoto. Non sono nocive ma rimangono sempre radiazioni. Sono fenomeni ondulatori e sono in realtà due onde che procedono su due piani perpendicolari l'uno all'altro: una è l'onda del campo elettrico e l'altra di quello magnetico.
• Le radiazioni delle seconde invece si propagano attraverso particelle partite da un nucleo instabile. Essendo dotate di massa e sparate a velocità elevate la loro energia è legata all'energia cinetica.

Raggi X e raggi gamma

Si distinguono per la loro origine. I raggi gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, i raggi x sono prodotti da transizioni energetiche dovute ad elettroni in rapido spostamento, che da livelli energetici quantizzati esterni vanno in livelli energetici liberi più interni. Inoltre i raggi X hanno minore energia rispetto ai raggi gamma.

Radiazioni corpuscolari

• Particelle leggere elettricamente cariche: le più importanti sono elettroni (carica elettrica negativa) e positroni (massa simile a quella dell’elettrone, carica elettrica positiva) ma che non è presente nel nucleo ed è emesso in tanti tipi di decadimento.
• Particelle pesanti elettricamente cariche: nuclei di atomi di basso numero atomico, aventi quindi carica positiva (es.: protoni, particelle alfa - particelle composte da 2 protoni e 2 neutroni. Si chiamano anche nucleo di elio e sono le più grandi che possono essere emesse da un radio nuclide).
• Particelle neutre: l’esempio più importante è il neutrone, particella priva di carica elettrica e di massa pari a quella del protone.

Decadimento e radiazioni ionizzanti

Il decadimento di un isotopo radioattivo è il processo che porta all'emissione di radiazioni. Questo avviene perché, in particolare negli isotopi molto energetici, si creano delle instabilità dovute all'eccessiva energia interna. L'isotopo, quindi, emetterà radiazioni fino a che non riesce a scaricare tutta questa energia in eccesso, tornando poi ad essere un isotopo stabile.

Esistono tre tipi di decadimento (figura 4):

• Alfa: emissione dal nucleo di una particella alfa. Questa particella ha 2 protoni e 2 neutroni, ed è chiamata nucleo di Elio, in quanto anche questo elemento ha le stesse caratteristiche. Un esempio è il decadimento del ²³⁸U: l'Uranio è un nucleo radioattivo molto grosso e molto instabile (238 nucleoni e 92 di numero atomico). Per raggiungere lo stato di stabilità emette particelle alfa e quindi da 238 togliamo 4 (234) e da 92 ci togliamo 2 protoni (90): diventa Torio.
• Beta: emissione dal nucleo di una particella beta. Di particelle beta ce ne sono di due tipi: il beta - che è in pratica un elettrone e il beta + che è un positrone. Questo tipo di decadimento viene fatto da nuclei più piccoli (massa sotto i 200) e il tutto parte dal nucleo. Ma come fa il nucleo ad emettere un elettrone se quest'ultimo non sta nel nucleo? Perché in realtà ciò che viene espulso è un neutrone che si trasforma in una coppia di protone-elettrone (particella beta -) e un antineutrino elettronico. Il nucleo figlio avrà un neutrone in meno e un protone in più. Esempio: il cobalto ha numero atomico 27 e con questo processo acquista un protone passa a 28, Nichel; il numero di massa rimane uguale. Nel beta + succede il contrario, un protone si trasforma in una coppia di neutrone-positrone e un neutrino elettronico. Il numero atomico perde 1.
• Gamma: emette radiazioni elettromagnetiche e resta esattamente lo stesso perché emettendo queste tipologie di radiazioni il nucleo rimane invariato, è solitamente più stabile.

Radiazioni ionizzanti

Sono radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole attraversati; strappano, cioè, un elettrone da un orbitale di un atomo. Creare ioni in una molecola in cui non dovrebbe esserci può causare qualche problema perché non è più carico ma è neutro e questo porta all'alterazione dei materiali.

In base alla modalità di ionizzazione queste radiazioni sono classificate in:

• Direttamente ionizzanti: che sono quelle con particelle elettricamente cariche (elettroni, particelle beta e alfa); siccome hanno una carica elettrica interagiscono direttamente con gli elettroni che sono carichi elettricamente pure loro e cedono tutta o un po' di energia nel cammino che fanno, creando coppie di ioni; essendo cariche sono in continuo movimento e perdono energia ogni volta che sbattono.
• Indirettamente ionizzanti: sono quelle neutre, sia le corpuscolari che le elettromagnetiche; la loro interazione con gli elettroni è del tipo "tutto o niente", è probabilistico.

Potere di penetrazione

(figura 5)

Le radiazioni ionizzanti propagandosi nello spazio possono incontrare materia vivente e non, con la quale interagiscono. I meccanismi di interazione sono diversi a seconda del tipo di radiazione, della sua energia e delle caratteristiche del materiale attraversato.

• Particella alfa è di grande massa e di grande carica quindi creerà molte coppie nel suo passaggio (attrae a sé elettroni a non finire, creando molti ioni). Il potere di penetrazione però sarà molto piccolo perché avendo perso tanta energia durante il movimento si fermerà prima; infatti basta un semplice foglio di carta per non farle passare. Sono usate molto per fare terapia.
• Particelle beta sono più piccole e con meno carica: quindi avranno densità di ionizzazione abbastanza elevata ma meno delle particelle alfa e camminerà qualcosa in più (lastra di metallo).
• Particelle gamma passano tutti gli stati e servono blocchi di calcestruzzo per fermarle ma, nonostante questo, non abbiamo la certezza al 100% che si fermino. È importante determinare lo spessore emivalente, ovvero lo spessore di un materiale in grado di ridurre a metà un fascio di raggi gamma.

Lo spessore percorso in media dalle particelle viene definito range. È definibile solo per le particelle cariche, tramite il suo calcolo sappiamo dove le particelle si fermeranno, mentre le altre (particelle gamma) non sono misurabili in quanto sono di tipo probabilistico: una si fermerà prima, una dopo, altre oltrepassano la barriera.

Le sorgenti di radiazioni ionizzanti

• Radionuclidi: nuclei atomici instabili che decadendo in altri nuclei più stabili emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e corpuscolare (radioattività).
• Macchine radiogene: macchine di radioterapia, TAC, etc e gli acceleratori di particelle che arricchisce o impoverisce il nucleo spingendo a grandi velocità particelle all'interno e da qui creo un radionuclide.

Per le radiazioni esistono, quindi, sorgenti naturali e artificiali. La proporzione tra naturale e artificiale è circa 50-50. Il fondo naturale è legato al Radon della crosta terrestre e ai raggi cosmici dallo spazio. Mentre la fonte artificiale è legata maggiormente alle applicazioni sanitarie.

Grandezze fisiche della radioattività

L'energia è una grandezza fisica legata alla capacità di un sistema di compiere un lavoro. Ad esempio l'energia trasportata dalle radiazioni ionizzanti viene utilizzata per compiere il lavoro necessario alla ionizzazione. Si misura in Joule, in fisica delle radiazioni si misura in elettronVolt (eV); 1 eV è l'energia che una scarica elementare (quella di un elettrone o di un protone) acquista attraversando una differenza di potenziale di 1 volt. 1 eV vale 1.6x10^-19 joule.

Radioprotezione

È la disciplina che studia gli effetti delle radiazioni ionizzanti sull’uomo e che fornisce le direttive per proteggersi dai pericoli che derivano dall’uso delle radiazioni soprattutto nell’impiego professionale e sul paziente. Il fine è quello di tutelare la salute umana.