Radiazione ionizzante

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Radiazione ionizzante (anche radiazione ionizzante ) è un termine per qualsiasi particella o radiazione elettromagnetica in grado di rimuovere elettroni da atomi o molecole (principalmente attraverso processi di collisione) in modo che rimangano ioni caricati positivamente o residui molecolari ( ionizzazione ).

Alcune radiazioni ionizzanti provengono da sostanze radioattive . Il termine abbreviato radiazione radioattiva è talvolta usato colloquialmente per loro . Tale radiazione è anche chiamata radiazione nucleare .

La designazione come radiazione ionizzante risale a Joseph John Thomson , che annunciò il 27 febbraio 1896 che i raggi X dividono le molecole dell'aria in particelle caricate elettricamente e descrisse ciò come "l'aria è ionizzata".

Tipi di radiazioni ionizzanti

La radiazione ionizzante è qualsiasi radiazione la cui energia cinetica (nel caso delle particelle) o energia quantistica (nel caso delle onde) è sufficiente per rilasciare elettroni da un atomo o da una molecola, anche tramite reazioni intermedie. Per generare l' energia di ionizzazione necessaria per questo , l'energia della particella o quantistica di solito deve essere superiore a circa 5 elettronvolt (eV).

• Nello spettro elettromagnetico, ciò corrisponde a lunghezze d'onda inferiori a circa 250 nm; pertanto solo raggi cosmici ( raggi cosmici ), radiazioni gamma , raggi X e corto onda radiazione ultravioletta sufficiente energia quantistica di elettroni dai gusci atomici da risolvere e così legami covalenti separati. Al contrario, le onde radio , le onde radar, le microonde , le radiazioni infrarosse o la luce visibile non sono radiazioni ionizzanti, perché non possono modificare o scomporre in modo permanente le molecole (a parte le sostanze speciali sensibili alla luce). Molecole che verrebbero scomposte da tali fotoni a bassa energia non potrebbero esistere in condizioni normali .
• I protoni liberi , gli elettroni o altre particelle cariche sono contati come radiazioni ionizzanti da un'energia cinetica di circa 5 eV. Di conseguenza, la radiazione alfa (nuclei di elio con carica positiva) e la radiazione beta (elettroni con carica negativa o positroni con carica positiva) sono sempre radiazioni ionizzanti.
• Poiché sono elettricamente neutri, i neutroni liberi non hanno alcuna interazione evidente con gli elettroni. Tuttavia, ionizzano indirettamente attraverso reazioni nucleari o processi di diffusione sui nuclei atomici. Il trasferimento di quantità di moto più efficace dei neutroni veloci avviene sui nuclei degli atomi di idrogeno, che hanno quasi la stessa massa ( urto elastico ). Ecco perché, da un lato, l'acqua è un buon moderatore ; i neutroni veloci invece sono particolarmente pericolosi per i tessuti viventi perché contengono sempre acqua (es. nel citosol ). Ogni molecola d'acqua (H ₂ O) contiene due atomi di idrogeno (H).

Interazione con la materia

La materia scherma le radiazioni ionizzanti attraverso l' assorbimento .

Il meccanismo omonimo - la ionizzazione - è il rilascio di elettroni dai gusci atomici. Le radiazioni ionizzanti sono suddivise approssimativamente in radiazioni ionizzanti libere e dense : le radiazioni provenienti da particelle massicce (protoni e ioni) sono densamente ionizzanti perché le particelle rilasciano quasi continuamente energia al mezzo penetrato durante il loro percorso e lo ionizzano nel processo. I fotoni (cioè raggi X o raggi gamma ) sono sottilmente ionizzanti. Se c'è abbastanza energia trasferita all'elettrone rilasciato, si parla di un elettrone delta , che a sua volta può ionizzarsi. Gli elettroni ad alta energia generano nella materia oltre bremsstrahlung , che agisce anche ionizzante. Anche la radiazione elettronica viene contata come radiazione debolmente ionizzante. I percorsi delle particelle di radiazioni cariche ionizzanti possono essere osservati in una camera a nebbia come tracce di nebbia .

Quanto più densamente ionizza un tipo di particella, tanto più pronunciato è l'aumento caratteristico del trasferimento di energia lineare / capacità di frenata , cioè io. l'energia prodotta per distanza, verso la fine del percorso ( picco di Bragg ).

	particelle cariche (ad esempio radiazioni alfa e radiazioni beta ): direttamente ionizzanti
	particelle non cariche (es. radiazioni gamma e radiazioni di neutroni ): ionizzanti indirettamente
Interazione della radiazione ionizzante con la materia: Nel caso del neutrone incidente, sono mostrati alcuni tipici processi intermedi in materiale contenente idrogeno. I quanti gamma sono rappresentati da linee ondulate, particelle cariche e neutroni da linee rette o linee rette. I piccoli cerchi rappresentano i processi di ionizzazione.

I fotoni (gamma quanti) non ionizzano continuamente nel loro percorso come le particelle alfa o beta. L'interazione di un quanto gamma con la materia avviene attraverso uno dei seguenti tre processi:

1. Effetto foto : con l'effetto foto, il fotone fa uscire un elettrone dal guscio di un atomo.
2. Effetto Compton : Ad ogni diffusione Compton, il fotone emette energia a un elettrone colpito e vola in una direzione diversa con energia ridotta.
3. Formazione di coppie : Nella formazione di coppie, il fotone scompare; la sua energia porta alla formazione di una coppia particella-antiparticella.

Processi di interazione per radiazioni gamma in funzione dell'energia e del numero atomico

A basse energie e grandi numeri atomici predomina l'effetto fotoelettrico, ad alte energie e grandi numeri atomici la formazione della coppia, nel range compreso tra 0,1 e 20 MeV per elementi leggeri lo scattering Compton (vedi diagramma). Se l'energia del fotone è sufficientemente alta, anche protoni o neutroni rapidi possono essere rilasciati attraverso l' effetto foto nucleare e si possono formare radionuclidi .

Le radiazioni ionizzanti frantumano i composti chimici e si creano radicali altamente reattivi . È qui che risiede il loro effetto biologicamente dannoso. La radiolisi dell'acqua è di particolare rilevanza per la biologia delle radiazioni . Le specie reattive dell'ossigeno generate in questo modo sono responsabili del cosiddetto effetto ossigeno . Reagiscono con molecole come enzimi o DNA , che li inattiva o li danneggia e potrebbe dover essere riparata . Contrariamente alle radiazioni ionizzanti sottili, le radiazioni ionizzanti dense creano danni complessi al DNA che sono molto più difficili da riparare, con danni individuali multipli nelle immediate vicinanze, il che porta a una maggiore efficacia biologica relativa , che viene presa in considerazione nella protezione dalle radiazioni attraverso una maggiore fattori di ponderazione delle radiazioni .

Esposizione alle radiazioni della popolazione

Fonti naturali di radiazioni

L' esposizione alle radiazioni ionizzanti da fonti naturali porta per i residenti in Germania, a seconda della situazione di vita (casa, ecc.) a una dose equivalente da 1 a 10 mSv all'anno. Si tratta principalmente di raggi cosmici e radiazioni di sostanze radioattive che si trovano naturalmente nella crosta terrestre, nei materiali da costruzione e nell'atmosfera, ad es. B. gli isotopi radioattivi degli elementi vitali carbonio e potassio . Il corpo umano stesso contiene anche una piccola quantità di queste sostanze radioattive, che viene mantenuta costante dal metabolismo .

• Radioattività naturale:
  • Radon (può accumularsi soprattutto nei locali interrati)
  • Potassio -40 e altri radionuclidi in pietre e materiali da costruzione
  • particelle radioattive incorporate negli alimenti
  • contenuto naturale di carbonio 14 negli alimenti e nell'aria
• Radiazione cosmica : particelle principalmente cariche velocemente, la radiazione secondaria attraverso l'interazione con l'atmosfera raggiunge la superficie terrestre; responsabile z. B. per l'esposizione alle radiazioni durante il traffico aereo. Il carico aumenta con l'altezza sul livello del mare.
• Radiazione del sole : Ultravioletto (l'UV-B è quasi completamente assorbito, ma porta ancora a scottature , tra l'altro ; l'UV-C è completamente assorbito nell'atmosfera e, rompendo l'ossigeno molecolare, porta allo strato di ozono), la radiazione delle particelle ( vento solare ) porta alle aurore.

Sorgenti di radiazioni civilizzatrici

La dose annua delle sorgenti di radiazioni civilizzatrici è in media dello stesso ordine di grandezza di quella naturale. Lei viene da

• applicazioni di radiazioni mediche come i raggi X o la radioterapia ,
• materiale radioattivo rilasciato in precedenti test di armi nucleari o incidenti nucleari come Chernobyl ,
• Reattori nucleari e acceleratori di particelle .

I raggi X sorgono inevitabilmente anche come "sottoprodotto" nei dispositivi in ​​cui gli elettroni vengono accelerati con l'alta tensione, come gli schermi dei tubi , i microscopi elettronici , i trasmettitori radar o i sistemi di saldatura a fascio di elettroni . C'è un parere su questo dal Medical Advisory Board su "Malattie professionali" presso il Ministero federale tedesco del lavoro e degli affari sociali.

effetto

Dimensioni e unità di misura

Dose assorbita

La dose assorbita è quella di un oggetto irradiato, ad es. B. tessuto corporeo, quantità di energia assorbita per unità di massa in un periodo di stress. Dipende dall'intensità dell'irraggiamento e dalla capacità di assorbimento della sostanza irradiata per il dato tipo ed energia di radiazione.

• Unità SI : Grigio Gy; 1 grigio = 1 J/kg (radiazione non ponderata da una sorgente)

Dose di ioni

La dose ionica è una misura della forza della ionizzazione, espressa dalla carica rilasciata per massa della sostanza irradiata.

• Unità SI : C/kg ( coulomb per chilogrammo )

Dose equivalente

La dose equivalente è una misura della forza dell'effetto biologico di una certa dose di radiazioni; la loro validità è limitata all'uso in radioprotezione . Dosi equivalenti della stessa dimensione sono quindi comparabili in termini di effetto sull'uomo, indipendentemente dal tipo e dall'energia della radiazione.

La dose equivalente si ottiene moltiplicando la dose assorbita in grigio per il fattore di ponderazione della radiazione (precedentemente chiamato fattore di qualità ), che descrive in modo semplificato l' efficacia biologica relativa della radiazione in esame. Dipende dal tipo e dall'energia della radiazione. Ad esempio, il fattore di ponderazione della radiazione per le radiazioni beta e gamma è 1; la dose equivalente in Sv è numericamente uguale alla dose assorbita in Gy. Per altri tipi di radiazioni si applicano fattori fino a 20 (vedere la tabella nel fattore di ponderazione delle radiazioni).

• Unità SI : Sievert Sv; 1 Sv = 1 J/kg

Vedi anche: ordine di grandezza (dose equivalente)

Effetto biologico

I radicali generati dalle radiazioni ionizzanti di solito causano danni maggiori attraverso successive reazioni chimiche rispetto alla distruzione della prima molecola mediante la sola radiazione. Questo effetto è auspicabile , ad esempio nella lotta contro il cancro , perché favorisce la morte delle cellule colpite, in questo caso idealmente cellule tumorali. Il Radonbalneologie imposta il gas nobile sull'effetto terapeutico del radon in alcune malattie.

Le opinioni divergono sull'entità della nocività:

• La malattia da radiazioni si verifica da un'esposizione a breve termine di circa 0,2-1,0  Sv . 4  Sv in quanto le radiazioni a breve termine sono fatali nel 50% dei casi, 7 Sv sono decisamente fatali. Si manifesta in un sistema immunitario indebolito e brucia . Senza dubbio, da un'elevata dose di radiazioni (superiore a circa 2  Sv ) vengono distrutte contemporaneamente così tante molecole con funzioni biologiche che le cellule colpite non sono più vitali. Troppe sostanze tossiche vengono create anche dalla scomposizione di molecole che uccidono la cellula. A livello molecolare, tra l'altro, è coinvolto l'effetto dannoso dei radicali causati dalla radiolisi . Come conseguenza a lungo termine sono frequenti anche le modificazioni del materiale genetico , che con una certa probabilità possono portare al cancro , ma soprattutto a mutazioni che possono portare a malformazioni nella prole o allo sviluppo di embrioni/feti nonché alla sterilità totale (infertilità ) (vedi anche rischio di radiazioni ).
• A dosi di vita media di circa 0,1  Sv , che corrisponde grosso modo alla dose che una persona ingerisce nel corso di 76 anni a causa della radiazione naturale costante (in Germania) fino a 1,3 mSv/a, non ci sono osservazioni eclatanti. apparentemente tutti gli esseri viventi si sono adattati ad essa nel corso dell'evoluzione.
• Gli effetti di dosi molto basse intorno a 0,02  Sv sono controversi:
  1. Alcuni esperti suggeriscono che la nocività delle radiazioni ionizzanti diminuisce linearmente con la diminuzione della dose. Poiché il rischio di morire di cancro è aumentato solo di 1 a 0,02  Sv secondo il modello lineare, sarebbero necessari milioni di persone per il test per prove statistiche affidabili. Tale prova non è possibile.
  2. Un numero significativamente inferiore di scienziati sta registrando indicazioni che una minore esposizione alle radiazioni può anche causare danni maggiori; ad esempio perché il sistema immunitario “si addormenta” per mancanza di attività e aumenta la suscettibilità alle malattie. È controverso se una riduzione dell'esposizione naturale alle radiazioni possa promuovere la malattia (vedi Hormesis ).

La radiazione alfa ha sui tessuti viventi per il loro potere ionizzante un effetto nocivo particolarmente elevato, ma deve aerare un raggio di pochi centimetri e può essere completamente schermata con un semplice foglio di carta (lo stesso scopo soddisfa i fiocchi di pelle morta superiore) , in modo che gli emettitori alfa che si trovano al di fuori del corpo umano siano in gran parte innocui. Gli emettitori alfa sono pericolosi quando entrano in contatto diretto con i tessuti viventi. Un modo per farlo è inalare gli aerosol che vengono assorbiti attraverso le mucose delle vie aeree; la polvere radioattiva viene immagazzinata nei polmoni e può causare il cancro. A causa delle sue proprietà chimiche, il gas nobile radon non viene immagazzinato nell'organismo, ma viene messo in pericolo dal decadimento radioattivo nei polmoni durante l'inalazione . Se un emettitore alfa molto potente (emivita di pochi giorni o meno) è stato ingerito attraverso il cibo o iniettato nel flusso sanguigno, anche pochi microgrammi possono essere fatali per l'uomo.

Inoltre, le radiazioni ultraviolette possono agire ionizzanti perché i componenti a lunghezza d'onda più corta, a causa dello strato di ozono che raggiungono solo una piccola parte del sole sulla superficie terrestre, aumentano il rischio di cancro della pelle.

Altri effetti

Le radiazioni ionizzanti possono causare errori nei circuiti microelettronici (chip) (errori di bit nella RAM, ecc.). Questi errori si verificano tanto più frequentemente quanto minori sono gli oneri sui rispettivi componenti. Sono quindi i più inquietanti in strutture molto piccole. La stabilità contro tali errori è un importante criterio di progettazione. Devono essere prese misure protettive adeguate, specialmente per l'uso nello spazio.

Applicazioni biologiche e chimiche delle radiazioni ionizzanti

In biologia viene utilizzato principalmente l' effetto mutante e sterilizzante. Nel miglioramento genetico delle piante, ad esempio, vengono generate "mutazioni indotte dalle radiazioni" ( mutagenesi ), che possono produrre specie modificate . Un campo di applicazione è la " tecnologia degli insetti sterili ", o SIT in breve. Gli insetti nocivi maschi vengono sterilizzati mediante radiazioni gamma e quindi rilasciati nell'area bersaglio. L'assenza di prole porta ad una diminuzione della popolazione. Il vantaggio qui è che non vengono utilizzate sostanze chimiche dannose e altri insetti rimangono inalterati.

Le radiazioni ionizzanti sono adatte anche per la sterilizzazione di dispositivi, impianti, alimenti e acqua potabile. Questo uccide i microrganismi. Tuttavia, alla sterilizzazione con radiazioni degli alimenti si applicano requisiti rigorosi. La crescita di una piantina può essere migliorata da radiazioni deboli, mentre una radiazione eccessiva ha un effetto di inibizione della crescita.

Nella produzione di polimeri , l'irraggiamento consente la reticolazione senza generare calore. Anche componenti di grandi dimensioni possono essere collegati in rete con radiazioni che penetrano lontano. Tra le altre cose, vengono utilizzate radiazioni beta (materiali isolanti reticolati con radiazioni) e radiazioni ultraviolette (indurimento di strati di lacca di resina sintetica). Quando vengono aggiunti attivatori, alcune reazioni polimeriche possono essere avviate anche mediante irradiazione con luce visibile.

Le radiazioni ionizzanti possono causare cambiamenti di colore nelle pietre preziose, negli occhiali e nelle plastiche pigmentate. In cristalli come il corindone , questo viene fatto creando centri di colore .

La fotolitografia (u a nella.. Microelettronica - e produzione di circuiti stampati ) utilizza reazioni di reticolazione (resist positivo) o reazioni di decomposizione (resist negativo) che sono causate da radiazioni ultraviolette, raggi X, ioniche o beta.

La radiazione ultravioletta può essere utilizzata per lo sbiancamento senza cloro della cellulosa . I componenti coloranti (sporco) dei tessuti vengono scomposti chimicamente e convertiti in sostanze volatili o lavabili.

Protezione dalle radiazioni

Gli esseri umani non possono percepire direttamente le radiazioni ionizzanti, sia radioattive che di altro tipo. È quindi necessaria una cura particolare per un'efficace protezione dalle radiazioni durante la manipolazione di materiali radioattivi. Schermando, mantenendo una grande distanza e limitando la durata del campo di radiazione ( regola 3-A ), sono utili , se necessario, l'uso di dispositivi di misurazione e allarme ( dosimetri ).

letteratura

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link internet

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