RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE - patgen-clip-rossetto2013

RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
Radiazioni ionizzanti Radiazioni eccitanti e ad effetto termico

• Elettromagnetiche
– Radiazioni cosmiche
– Raggi gamma
– Raggi X
– Ultravioletti
– Visibile
– Infra rosse
– Microonde
– Radio
– Elettriche
Tipi di radiazioni
80% delle radiazioni deriva da fonti naturali
• Particelle (radiazioni
corpuscolate)
– Alfa
– Beta
– Elettroni
– Neutroni
– Protoni
– Deuteroni
RADIAZIONI IONIZZANTI

Energia della
radiazione
Inferiore ad 1 eV
< 10 eV
> 10 eV
Effetto Cambiamenti
Termico
Eccitante
Ionizzante
energetici coinvolti
Oscillazioni e dislocamenti
degli atomi costituenti le
molecole mediante moti
vibrazionali, rotazionali e
traslazionali
eccitazione degli elettroni di
valenza con innesco di
reazioni chimiche
(FOTOATTIVAZIONE)
eccitazione di elettroni degli
orbitali più interni, transizioni
nucleari con ionizzazione
atomiche e molecolari

Radiazione ionizzante
• Deve avere una energia sufficiente a ionizzare la
materia che essa colpisce.
energia > 10 eV
lunghezza d’onda

Cos’è la Radioattività?
La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non
stabili, si trasformano in altri emettendo particelle. La
radioattività non è stata inventata dall'uomo, anzi, al
contrario, l'uomo è esposto alla radioattività Uin dal momento
della sua apparizione sulla Terra.
La radioattività è antica quanto l’Universo ed è presente
ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.

Henry Bequerel e i coniugi Curie

La scoperta della radioattività avvenne alla Uine dell’800 ad opera di
Henry Bequerel e dei coniugi Pierre e Marie Curie, che ricevettero il
Premio Nobel per la Fisica per le loro ricerche. Essi scoprirono che alcuni
minerali, contenenti uranio e radio, avevano la proprietà di impressionare
delle lastre fotograUiche poste nelle loro vicinanze. Le lastre fotograUiche,
una volta sviluppate, risultavano nere.
Per questa loro proprietà, elementi come l’uranio, il radio e il polonio (gli
ultimi due scoperti proprio da Pierre e Marie Curie) vennero denominati
“attivi” e il fenomeno di emissione di particelle venne detto radioattività.
Da allora sono stati identiUicati quasi 2500 specie di nuclei differenti e di
essi solo una piccola percentuale, circa 280, sono stabili.

Cos’è un decadimento radioattivo?
• Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni
isotopi naturali, presentano nuclei instabili. Tale instabilità provoca la
trasformazione spontanea in altri isotopi, e questa trasformazione si
accompagna con l'emissione di radiazioni corpuscolate (particelle α e
β) e non corpuscolate (radiazioni γ ed X).
• Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi, o anche radioisotopi, o
anche radionuclidi.
• La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un
altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa
è chiamata disintegrazione o decadimento radioattivo.
• Il tempo medio che occorre aspettare per avere tale trasformazione
può essere estremamente breve o estremamente lungo. Esso viene
detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di
secondo a miliardi di anni (per esempio, il potassio-­‐40 ha una vita
media di 1.8 miliardi di anni).
• Un altro tempo caratteristico di un radioisotopo è il “tempo di
dimezzamento”, ovvero il tempo necessario afUinché la metà degli
atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione
spontanea.

• Un altro tempo caratteristico di un radioisotopo è il “tempo di
dimezzamento”, ovvero il tempo necessario afUinché la metà degli
atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione
spontanea.
• Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano
dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle
emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni:
Radiazioni alfa, beta e gamma

Decadimento Alfa:
Consideriamo un nucleo con numero atomico Z e numero di massa A.
In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo emette una particella a,
cioè un nucleo di elio composto da due protoni e due neutroni, e si
trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di
massa (A – 4). Un esempio è il decadimento dell’uranio-238 in
torio-234 (Figura 3). Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco
penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice
foglio di carta.

Decadimento Beta:
Il nucleo emette un elettrone e si trasforma in un nucleo con numero
atomico (Z + 1) ma stesso numero di massa. Le radiazioni beta sono
più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente
bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi
millimetri di alluminio).

Decadimento Gamma:
Il nucleo non si trasforma ma passa semplicemente in uno stato di energia
inferiore ed emette un fotone. La radiazione gamma accompagna
solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo
l'emissione alfa o beta, il nucleo è ancora eccitato perché i suoi protoni e
neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio: di
conseguenza, il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia
attraverso l'emissione di una radiazione gamma.
Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto
penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il
piombo.

Interazione della radiazione
con la materia
Sono tanto più pericolose quanto più penetranti
Le particelle alpha formate da due protoni e due neutroni hanno forte
potere ionizzante ma bassa penetrazione a causa delle loro grandi
dimensioni. Di contro le particelle beta sono elettroni emessi dal nucleo e
hanno un minor potere ionizzante, ma una maggiore penetrazione rispetto
alle particelle alpha.

La radioattività è un fenomeno naturale: per questo motivo qualsiasi
cosa sulla Terra, inclusi i nostri corpi, contiene una certa percentuale
di elementi radioattivi.
La radioattività nell’aria è dovuta alla presenza del Radon (Rn).
Questo elemento viene prodotto dal decadimento dell’uranio e del
torio, che si trovano in moltissimi materiali, soprattutto nelle rocce.
Essendo gassoso, il radon riesce ad “evaporare” diffondendosi
nell’aria. In 1 m 3 di aria in un ediUicio chiuso avvengono in media 30
decadimenti di radon al secondo.
Un altro protagonista della radioattività naturale è il Potassio-­‐40,
che è presente nel nostro corpo e in generale nella materia biologica,
nei cibi, nella crosta terrestre e nell’acqua di mare. Per esempio, in un
corpo umano si hanno circa 5000 decadimenti di 40 K al secondo. La
radioattività, inoltre, è responsabile del calore interno della Terra.

L'Uranio Impoverito è uno dei materiali di scarto della rafUinazione dell'uranio naturale impiegato a
scopi militari, all'interno di bombe nucleari, o civili, come combustibile per alcuni tipi di reattori
nucleari.
L'uranio naturale è una miscela di tre isotopi, tutti radioattivi. La composizione approssimativa
dell'uranio naturale, con i relativi tempi di dimezzamento è la seguente:
Isotopo Massa % Tempo di Dimezzamento
U-234 0.0054 %
U-235 0.7110 %
-­‐ l'Uranio Impoverito -­‐
U-238 99.2836 %
247 mila anni
(emissione alfa)
710 milioni di anni
(emissione alfa)
4.51 miliardi di anni
(emissione alfa)
Come si può vedere, l'uranio naturale è costituito in massima parte da U-­‐238, l'isotopo meno attivo dei tre. Le armi
nucleari e il combustibile delle centrali nucleari contengono invece una percentuale maggiore di Uranio 235, ottenuta
attraverso il cosiddetto processo di arricchimento dell'Uranio.
Questo processo ha due prodotti: da una parte, un minerale di uranio arricchito nella sua frazione 235; dall'altra, un
minerale di uranio arricchito nella sua frazione 238, e pertanto impoverito della frazione 235. Per convenzione, il
primo viene chiamato uranio arricchito, e il secondo Uranio Impoverito.
L'Uranio Impoverito mantiene sempre una piccola percentuale dello stesso isotopo fortemente
radioattivo, ovvero l'U-­‐235, che serve anche come componente delle bombe nucleari.

Come si misura la radioattività?
L'unità di misura della radioattività è il becquerel (Bq). 1 Bq
corrisponde a 1 disintegrazione al secondo. Poiché questa unità
di misura è assai piccola, la radioattività si esprime molto
spesso in multipli di Bq: il kilo-­‐becquerel (kBq) = 10 3 Bq, il
Mega-­‐becquerel (MBq) = 10 6 Bq e il Gigabecquerel (GBq) =
10 9 Bq.
L'unità di misura usata in precedenza era il Curie (Ci) deUinita
come la quantità di radioattività presente in un grammo di
radio.

Che cos'è una radiazione ionizzante?
• Una radiazione capace di strappare elettroni dagli
atomi
• Questo processo viene detto ionizzazione
• Può iniziare danni biologici leggeri o così severi da
causare la morte

alpha
particle
Processo di ionizzazione
e -
Nucleus Nucleus
e -
e -
e -
alpha
particle

EFFETTI PATOLOGICI DELLE RADIAZIONI
IONIZZANTI
Sono un fattore patogeno diffuso a livello ambientale,
i cui effetti sugli organismi viventi dipendono da:
Energia (E)
Intensità (I) E = I x t
tempo di esposizione (t)
assorbimento

DANNI DA RADIAZIONI
Molti studi su cellule in coltura.
Le cellule e i tessuti degli organismi viventi sono costituiti
per la maggior parte (60-­‐80 %) di acqua e per il restante di
varie molecole ed atomi. Gli atomi più presenti sono H, O, C,
N, P, S, Ca.
Gli effetti delle radiazioni si possono distinguere in:
-­‐ EFFETTO DIRETTO
-­‐ EFFETTO INDIRETTO

Interazione diretta della radiazione con molecole
biologiche targets
• La radiazione colpisce direttamente la molecola
biologica
• Bersaglio: le molecole più grandi hanno più grande
probabilità di essere colpite:
DNA, RNA, proteine, zuccheri, lipidi
Effetti dipendenti da intensità e meccanismi di
riparo
Avviene con più probabilità con particelle alfa,
neutroni, etc.

Danni indiretti delle radiazioni
• Sono conseguenti alla radiolisi dell’acqua
• Costituiscono la maggior causa di danni biologici
dato che l’acqua è il componente principale, ed
anche se più piccola della maggior parte delle altre
molecole biologiche, ha la maggior probabilità di
essere colpita (per ogni molecola di DNA ci sono
circa 1.2 X 10 7 molecole di acqua)

RADICALI LIBERI:
Ogni specie chimica (mono-­‐ o poliatomica, dotata di carica elettrica o
elettricamente neutra) la cui struttura elettronica è caratterizzata
dalla presenza di almeno un elettrone spaiato.
I radicali liberi sono caratterizzati da una considerevole instabilità e
reattività.
Si formano normalmente durante i processi ossidativi della cellula.

TARGETS BIOLOGICI
• DNA è una molecola molto sensibile ai danni
• Molti dei danni al DNA sono riparabili dai
vari sistemi di riparo del DNA, purchè
essi ne abbiano il tempo……
• Vari tipi di danno: alterazione di basi,
rottura di un singolo Uilamento, rottura di
ambedue i Uilamenti, crosslinking
Azione diretta o indiretta

Azione diretta
• Rottura di un Uilamento da parte di una
particella ad alta energia
X-­‐ray
e -­‐

Azione indiretta
• Danno al DNA da parte di un radicale
libero
X-ray
e -
H
Ossidazione basi, alchilazione, perdita basi
H
O
OH .

Il danno a un singolo Uilamento è comune ed è
riparabile utilizzando la copia complementare
intatta

Danno ad ambedue i Uilamenti
• Il danno al secondo Uilamento
avviene prima che il danno sia
riparato (intensità della
radiazione)
• Non è riparabile e causa
aberrazioni cromosomiche

DANNO AL DNA:
Ampio spettro di alterazioni strutturali: DELEZIONI,
ROTTURE, TRASLOCAZIONI E FRAMMENTAZIONI.
Fuso mitotico disordinato.
RigonUiamento nucleare e condensazione cromatina
Rottura membrana nucleare. APOPTOSI.
A dosi elevate di energia radiante: NECROSI e lisi
cellulare.

Danno al DNA da radiazioni attivano p53 con arresto del ciclo
cellulare, riparazione del DNA e in alcuni casi apoptosi

DANNI DA RADIAZIONI
Diverse sono le conseguenze in seguito a lesioni
sui cromosomi, distinguiamo:
• DANNO GENETICO: per mutazione di una cellula
sessuale (ovocita o spermatozoo). Il danno si
vedrà sui Uigli in 1° -­‐ 2° -­‐3° generazione.
• DANNO SOMATICO : per mutazione di una cellula
qualsiasi dell’organismo, escluse le cellule sessuali,
i danni si manifestano immediatamente.

DANNI DA RADIAZIONI
• TEMPO DI LATENZA: le manifestazioni cliniche
delle radiolesioni possono non evidenziarsi
immediatamente, bensì dopo un tempo di latenza
più o meno lungo.
• Diverse sono le variabili che inUluenzano il tempo
di latenza, come ad es. la “radiosensibilità
cellulare”

RADIOSENSIBILITA’ CELLULARE
Poiché il DNA è il più importante bersaglio subcellulare
delle radiazioni ionizzanti la radiosensibilità è:
- DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALLA CAPACITA’
PROLIFERATIVA
- INVERSAMENTE PROPORZIONALE AL DIFFERENZIAMENTO
CELLULARE
§ cellule emopoietiche immature
§ cellule germinali
§ epitelio gastrointestinale
§ Linfociti
sono altamente sensibili al danno da radiazioni

I soggetti colpiti da radiazioni possono manifestare:
Anemia
Infezioni batteriche
Emorragie
Sterilità
Embrioni abortivi
Diarree sanguinolente + infezioni intestinali
Eruzioni cutanee
Cancro

MODALITA’ DI IRRAGGIAMENTO:
ESTERNO: sorgente esterna al rivestimento cutaneo
INTERNO: radiofarmaci per scintigraUie, esposizione
a polveri di uranio da parte di minatori

DOSE DELLA RADIAZIONE DIPENDE DA:
-­‐ NATURA DELLA RADIAZIONE (± energetica, ± penetrante)
-­‐ MODALITA’ DI IRRAGGIAMENTO (DOSI SUDDIVISE
possono permettere alle cellule di riparare parte del danno. La terapia radiante
dei tumori sfrutta la capacità delle cellule normali di riparare i danni al DNA più
rapidamente delle cellule tumorali).
-­‐ ESTENSIONE DELLA SUPERFICIE CORPOREA
IRRADIATA (irraggiamento locale o Panirraggiamento)

EFFETTI ACUTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI
SULLE CELLULE
L'unità di misura della dose assorbita dalla materia a seguito dell'esposizione alle
radiazioni ionizzanti é il Gray (Gy). 1 Gy corrisponde a una quantità di energia di
1 Joule (J) assorbita da 1 kilogrammo di materia. 1 Gy equivale a 100 rad
› 10 Gy (1000 rad) necrosi
1-­‐2 Gy (100-­‐200 rad) distruzione delle cellule proliferanti
‹ 0.5 Gy (50 rad) nessun effetto istopatologico
(danni subcellulari spt. al DNA. Cellule geneticamente danneggiate
possono diventare maligne)

EFFETTI SOMATICI TARDIVI (STOCASTICI)
• Tumori
– Leucemie 8-­‐10 anni
– Tumori ossei 15 anni
– Tumore della tiroide 15-­‐30
– Tumori polmonari 10-­‐20 anni
Leucemie infantili da analisi con raggi X di donne incinte a causa
del fatto che l’embrione ed il feto sono molto radiosensibili dato
che sono caratterizzati da un’intensa proliferazione cellulare. E
ciò ampliUica la possibilità di Uissare e trasmettere mutazioni
somatiche coinvolte nella cancerogenesi.