ORIGINI DELLE RADIAZIONI

Le radiazioni ionizzanti sono prodotte:

1. da nuclidi radioattivi,
2. da particelle provenienti dal cosmo (raggi cosmici),
3. da speciali apparecchiature elettroniche (raggi X).

I raggi cosmici sono sempre naturali, invece le sostanze radioattive possono essere naturali o artificiali. I comuni raggi X che tutti conoscono, per l'uso che ne viene fatto nella diagnostica medica, sono artificiali, ma possono trovarsi anche in natura.

Una particolare sorgente di radiazioni ionizzanti è quella che deriva da un'esplosione nucleare.

NUCLIDI RADIOATTIVI

I nuclei atomici con numero di neutroni in difetto o in eccesso rispetto alle condizioni di stabilità, tendono a trasformarsi in nuclei di altri elementi (con numero atomico minore) o in isotopi dei nuclei di partenza (mantenendo lo stesso numero atomico). Ciò avviene emettendo particelle (raggi alfa e beta) e radiazioni elettromagnetiche (raggi gamma), entrambe dotate di potere penetrante e ionizzante. I raggi alfa, beta e gamma sono di natura tra loro diversa. In un campo elettrico, ad esempio, i raggi alfa e beta+ deflettono verso il negativo, i beta- verso il positivo e i gamma non deflettono (i raggi beta+ si chiamano anche positroni).

I nuclei instabili, prima di decadere a un livello energetico più basso, rimangono nel loro stato di radioattività per un periodo di tempo variabile da una frazione di secondo fino a molti milioni di anni, secondo la loro specie atomica. Il fenomeno non è in alcun modo influenzabile dall'esterno (variazioni di pressione, di temperatura, ecc.).

Le sostanze radioattive in natura sono una decina e sono costituite da nuclidi di numero atomico maggiore di 82 (piombo) e minore o uguale a 92 (uranio).
Quelle artificiali sono invece molte di più, costituite da radioelementi con numero atomico uguale o maggiore di 93 (transuranici) e da isotopi artificiali di elementi stabili (radioisotopi).

Sostanze radioattive in natura sono ad esempio le seguenti:
Radio (Ra)
Uranio (U)
Torio (Th)
Attinio (Ac)
Polonio (Po)

Quelle artificiali sono, ad esempio, il plutonio (Pu) e i prodotti di fissione formati dal bombardamento neutronico di certi elementi pesanti in un reattore nucleare (radioelementi), nonché i radioisotopi prodotti dall'uomo.

RADIAZIONI COSMICHE

I raggi cosmici sono particelle di origine extraterrestre costituite prevalentemente da nuclei di idrogeno (protoni) e di altri atomi, sia leggeri (raggi alfa) che pesanti, ma anche da elettroni, positroni, neutrini e fotoni gamma. Provengono dalla Galassia e dallo spazio esterno, con una frequenza media (negli strati alti dell'atmosfera) di circa ventimila particelle al metro quadrato ogni minuto, e hanno un'energia elevatissima. Molte di queste particelle, chiamate raggi cosmici primari, si scontrano poi con gli atomi dell'atmosfera terrestre, generando altre particelle (raggi cosmici secondari) che sono protoni, neutroni, mesoni, fotoni, ecc., formanti sciami fotoni-elettroni caratteristici, dall'eccezionale potere penetrante. Per avere un'idea di quanto questi raggi siano penetranti, basti pensare che sono stati rilevati anche ad alcuni chilometri sotto la superficie terrestre.

Al livello del mare, si ha una media di una particella di raggi cosmici al minuto su una superficie di un centimetro quadrato.

TUBO A RAGGI CATODICI

I raggi X sono emessi dai metalli colpiti da raggi catodici. Questi si producono in speciali tubi a vuoto (tubi Coolidge) con degli elettrodi di metallo. Dal catodo riscaldato si sprigionano, per effetto termoionico, degli elettroni (raggi catodici) che vanno in direzione dell'anodo, con velocità direttamente proporzionale alla tensione fornita dalla sorgente. Lo scontro dei raggi catodici con l'anodo (metallo) genera i raggi X.

ESAME DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI

L'energia delle radiazioni ionizzanti è espressa in elettronvolt (eV). 1eV è l'energia acquistata da un elettrone quando attraversa una differenza di potenziale di 1V nel vuoto.

RAGGI ALFA

• Costituzione: sono particelle costituite da nuclei di elio (2 neutroni e 2 protoni) e hanno doppia carica positiva.
• Sorgente: nuclidi radioattivi.
• Energia: generalmente superiore a 4 MeV.
• Velocità: 15-20 mila km/s.
• Potere penetrante: debolissimo (100 volte meno dei raggi beta), 2-8 cm di aria, non oltre 0,05 mm di alluminio, non oltre lo strato basale dell'epidermide, non oltre un foglio di carta. Una particella alfa di 3 MeV percorre nell'aria ca. 2,8 cm. Occorre un'energia molto elevata (7,5 MeV) perché possano penetrare entro la pelle.
• Potere ionizzante: molto elevato (mille volte maggiore dei beta). Una particella alfa di 3 MeV produce nell'aria 4000 coppie di ioni/mm.
• Pericolosità: le particelle alfa sono dannose solo se emesse entro il corpo umano. In tal caso possono creare gravi danni per la grande forza di ionizzazione posseduta.

RAGGI BETA

• Costituzione: flusso di particelle costituite da elettroni (beta-, negativi) e da positroni (beta+, elettroni positivi) emessi da un nucleo che si disintegra. Alcune particelle beta aventi alta velocità interagiscono con la materia, con emissione di raggi X (raggi X naturali).
• Sorgente: nuclidi radioattivi.
• Energia: da pochi keV a molti MeV (generalmente inferiore a 4 MeV).
• Velocità: 150-300 mila km/s.
• Potere penetrante: debole (100 volte più dei raggi alfa, ma 100 volte meno dei raggi gamma), non oltre 5 mm di alluminio, non oltre 1 cm nella pelle, non oltre 2,5 cm di legno. Una particella beta di 3 MeV percorre nell'aria ca. 100 cm.
• Potere ionizzante: minimo. Una particella beta di 3 MeV produce nell'aria solo 4 coppie di ioni/mm.
• Pericolosità: se emesse entro il corpo umano sono sempre dannose. Se emesse da una sorgente esterna sono dannose solo per gli organi, in pratica, a meno di 1 cm dalla cute.

RAGGI GAMMA

• Costituzione: sono onde elettromagnetiche, come la luce, e non di natura corpuscolare come i raggi alfa e beta. La loro frequenza varia da sostanza a sostanza (lunghezza d'onda compresa tra 10^-14 e 10^-11 metri).
• Sorgente: nuclidi radioattivi.
• Energia: da pochi keV a molti MeV (10 keV - 10 MeV). L'energia è proporzionale alla loro frequenza.
• Velocità: quella della luce.
• Potere penetrante: forte (100 volte più dei raggi beta). Qualche centimetro di piombo diminuisce l'intensità di tali raggi di un fattore 2.
• Potere ionizzante: producono elettroni secondari che ionizzano l'aria.
• Pericolosità: sono sempre pericolosi, anche se emessi da sorgenti esterne al corpo umano.

RAGGI X

• Costituzione: sono radiazioni elettromagnetiche simili ai raggi gamma, ma di frequenza minore (quindi di lunghezza d'onda maggiore: 10^-11 - 10^-9 metri). A differenza dei raggi alfa, beta e gamma che vengono emessi da nuclei atomici radioattivi, i raggi X sono prodotti da apparecchiature elettroniche o dai raggi beta negativi che si scontrano a grande velocità con la materia.
• Sorgente: scontro di elettroni con la materia (tubo da raggi X).
• Energia: da alcuni keV a molti MeV.
• Velocità: quella della luce.
• Potere penetrante: forte.
• Potere ionizzante: forte.
• Pericolosità: elevata, ma inferiore a quella dei raggi gamma, inoltre la sorgente è sempre esterna al corpo umano e cessa le sue emissioni una volta spenta.

RAGGI COSMICI

• Costituzione: nuclei atomici, elettroni, positroni e raggi gamma (raggi cosmici primari) o sciami fotoni-elettroni (raggi cosmici secondari).
• Sorgente: extraterrestre.
• Energia: fino a molte migliaia di MeV (tra 10⁸ e 10²⁰ eV).
• Velocità: elevatissima, forse anche superiore a quella della luce (sostengono alcuni).
• Potere penetrante: fortissimo.
• Potere ionizzante: fortissimo.
• Pericolosità: la loro scarsa presenza li rende del tutto innocui.

Anche i neutroni emessi nella disintegrazione degli atomi radioattivi e nella fissione producono indirettamente ionizzazione e causano l'emissione di radiazioni gamma di alta energia quando interagiscono con atomi di idrogeno. Poiché producono protoni ionizzanti e particelle beta quando interagiscono con la materia, possono far sì che alcuni elementi stabili diventino radioattivi.

Carrara Luca, 5E