Effetti biologici delle radiazioni

Tutti i nuclidi radioattivi emettono particelle ad alta energia o onde elettromagnetiche. Quando questa radiazione incontra cellule viventi, può causare riscaldamento, rompere legami chimici o ionizzare molecole. Il danno biologico più grave si verifica quando queste emissioni radioattive frammentano o ionizzano molecole. Ad esempio, le α e β emesse dalle reazioni di decadimento nucleare possiedono energie molto più elevate rispetto alle normali energie di legame chimico. Quando queste particelle colpiscono e penetrano nella materia, producono ioni e frammenti molecolari estremamente reattivi. Il danno che ciò arreca alle biomolecole negli organismi viventi può causare gravi malfunzionamenti nei normali processi cellulari, tassando i meccanismi di riparazione dell’organismo ed eventualmente causando malattie o addirittura la morte.

C’è una grande differenza nell’entità degli effetti biologici delle radiazioni non ionizzanti (ad esempio, luce e microonde) e delle radiazioni ionizzanti, emissioni abbastanza energetiche da far uscire gli elettroni dalle molecole (ad esempio, particelle di α e β, raggi γ, raggi X e radiazioni ultraviolette ad alta energia).

L’energia assorbita dalle radiazioni non ionizzanti accelera il movimento di atomi e molecole, che equivale a riscaldare il campione. Sebbene i sistemi biologici siano sensibili al calore, è necessaria una grande quantità di radiazioni non ionizzanti prima di raggiungere livelli pericolosi. Le radiazioni ionizzanti, tuttavia, possono causare danni molto più gravi rompendo i legami o rimuovendo gli elettroni nelle molecole biologiche, interrompendone la struttura e la funzione. Il danno può anche essere fatto indirettamente, prima ionizzando H₂O, che forma uno ione H₂O⁺ che reagisce con l’acqua, formando uno ione idronio e un radicale idrossile.

Poiché il radicale idrossile ha un elettrone spaiato, è altamente reattivo. Questo radicale idrossile può reagire con tutti i tipi di molecole biologiche (DNA, proteine, enzimi e così via), causando danni alle molecole e interrompendo i processi fisiologici.

L’energia erogata da ogni tipo di radiazione ai tessuti è diversa e viene misurata in termini di dose assorbita, la cui unità SI è il grigio. La deposizione di un joule di energia in un chilogrammo di materiale corrisponde a un grigio. Anche l’unità CGS, che è il rad, è ancora ampiamente utilizzata (1 rad = 0,01 Gy).

La risposta biologica alla dose assorbita di ogni tipo di radiazione è descritta da un fattore di ponderazione delle radiazioni, che dipende dalla potenza ionizzante e dalla capacità di penetrazione. La dose assorbita moltiplicata per il fattore di ponderazione delle radiazioni è nota come dose equivalente, che viene misurata in sievert in unità SI. Anche l’unità CGS, che è la rem, è ancora ampiamente utilizzata (1 rem = 0,01 Sv).

La tabella 1. Fattori di ponderazione delle radiazioni.

Diversi tessuti corporei hanno sensibilità diverse alle radiazioni ionizzanti. Se l’esposizione è concentrata in un’area del corpo o la dose equivalente non è altrimenti uniforme in tutto il corpo, vengono utilizzati fattori di ponderazione tissutale per determinare il danno complessivo al corpo data la dose irregolare. La dose efficace per il corpo viene calcolata sommando le dosi equivalenti ponderate per tutti gli organi.

Diversi dispositivi sono usati per rilevare e misurare le radiazioni, tra cui contatori Geiger-Müller (GM), contatori di scintillazione e dosimetri a radiazioni. Un contatore Geiger-Müller ha due parti: un tubo cilindrico riempito con un gas inerte come argon o elio e un contatore. All’interno del tubo c’è una coppia di elettrodi con un’alta tensione attraverso di essi. Ogni radiazione ionizzante inizia una cascata di ionizzazioni di molecole di gas, creando una corrente tra anodo e catodo a causa del flusso di elettroni, che viene raccolto, amplificato, visualizzato dal contatore come conteggi al minuto o disintegrazioni al secondo. I contatori GM non possono distinguere tra i tipi di radiazioni, ma le varianti compensate dall’energia possono misurare la dose e quindi possono essere utilizzate come dosimetri personali. Un contatore di scintillazione contiene uno scintillatore, un materiale che emette luce quando eccitato dalle radiazioni ionizzanti, e un sensore che converte la luce in un segnale elettrico. I dosimetri a radiazioni misurano anche le radiazioni ionizzanti e sono spesso utilizzati per determinare l’esposizione personale alle radiazioni. I tipi comunemente usati sono dosimetri personali elettronici, badge film, dosimetri termoluminescenti e in fibra di quarzo.

Gli effetti delle radiazioni dipendono dal tipo, dall’energia e dalla posizione della sorgente di radiazioni e dalla durata dell’esposizione. La persona media è esposta a radiazioni di fondo, compresi i raggi cosmici del sole e il radon dell’uranio nel terreno, le radiazioni provenienti dall’esposizione medica, comprese le scansioni CAT, i test dei radioisotopi, i raggi X e così via; e piccole quantità di radiazioni provenienti da altre attività umane, come i voli aerei (che sono bombardati dall’aumento del numero di raggi cosmici nell’atmosfera superiore), la radioattività dai prodotti di consumo e una varietà di radionuclidi che entrano nel nostro corpo quando respiriamo (ad esempio, carbonio-14) o attraverso la catena alimentare (ad esempio, potassio-40, stronzio-90 e iodio-131).

Una dose improvvisa e a breve termine di una grande quantità di radiazioni può causare una vasta gamma di effetti sulla salute, dai cambiamenti nella chimica del sangue alla morte. L’esposizione a breve termine a decine di rems di radiazioni causerà probabilmente sintomi o malattie molto evidenti; si stima che una dose acuta di 500 rems o 5 Sv abbia una probabilità del 50% di causare il decesso della vittima entro 30 giorni dall’esposizione. L’esposizione alle emissioni radioattive ha un effetto cumulativo sul corpo durante la vita di una persona, motivo per cui è importante evitare qualsiasi esposizione non necessaria alle radiazioni.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.6: Effetti biologici delle radiazioni.