Radiazioni e radioativit

a.a. 2010/2011Prof Nicola Perna

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Le radiazioni non ionizzanti (onde radio, microonde, raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti) non sono in grado di produrre ionizzazione, ma possono danneggiare i tessuti biologici che attraversano (riscaldamento, ustioni, ecc.).

Le radiazioni non ionizzanti (onde radio, microonde, raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti) non sono in grado di produrre ionizzazione, ma possono danneggiare i tessuti biologici che attraversano (riscaldamento, ustioni, ecc.).

RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI

Le radiazioni ionizzanti possono essere sia onde elettromagnetiche (raggi X, raggi ) sia particelle (, ) dette anche raggi corpuscolari. Esse sono in grado di produrre coppie di ioni al loro passaggio nella materia.

Le radiazioni ionizzanti possono essere sia onde elettromagnetiche (raggi X, raggi ) sia particelle (, ) dette anche raggi corpuscolari. Esse sono in grado di produrre coppie di ioni al loro passaggio nella materia.

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Le radiazioni ionizzanti trovano largo impiego in medicina, dove sono utilizzate sia a scopo diagnostico sia a scopo terapeutico.

Le radiazioni ionizzanti trovano largo impiego in medicina, dove sono utilizzate sia a scopo diagnostico sia a scopo terapeutico.

Il passaggio delle radiazioni ionizzanti attraverso la materia vivente provoca sempre danni di tipo radiobiologico, per cui il loro impiego giustificato solo se i vantaggi sono superiori ai danni.

Il passaggio delle radiazioni ionizzanti attraverso la materia vivente provoca sempre danni di tipo radiobiologico, per cui il loro impiego giustificato solo se i vantaggi sono superiori ai danni.

RADIAZIONI IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTI

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RADIAZIONI IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTI

Lentit del danno prodotto dipende dal tipo di radiazione e dalla dose assorbita.Lentit del danno prodotto dipende dal tipo di radiazione e dalla dose assorbita.

Gli effetti biologici delle radiazioni possono essere distinti in effetti somatici (che coinvolgono gli individui irradiati) ed effetti genetici (che coinvolgono la loro discendenza).

Gli effetti biologici delle radiazioni possono essere distinti in effetti somatici (che coinvolgono gli individui irradiati) ed effetti genetici (che coinvolgono la loro discendenza).

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I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche di frequenza 510161019 Hz che si producono quando atomi pesanti sono investiti da fasci di elettroni di elevata energia. Due distinti processi di emissione possono dar luogo a:

(a) Radiazione di frenamento (spettro continuo);

(b) Raggi X caratteristici (spettro a righe).

I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche di frequenza 510161019 Hz che si producono quando atomi pesanti sono investiti da fasci di elettroni di elevata energia. Due distinti processi di emissione possono dar luogo a:

(a) Radiazione di frenamento (spettro continuo);

(b) Raggi X caratteristici (spettro a righe).

RAGGI XRAGGI X

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RAGGI XRAGGI X

Tubo di CoolidgeTubo di Coolidge Produzione di raggi XSi generano raggi X quando gli elettroni emessi da un filamento incandescente F per effetto termoionico, accelerati dalla differenza di potenziale V, colpiscono un bersaglio metallico T posto in un tubo a vuoto C. La finestra W trasparente ai raggi X.

Produzione di raggi XSi generano raggi X quando gli elettroni emessi da un filamento incandescente F per effetto termoionico, accelerati dalla differenza di potenziale V, colpiscono un bersaglio metallico T posto in un tubo a vuoto C. La finestra W trasparente ai raggi X.

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I raggi X sono radiazioni molto penetranti che attraversano con piccola attenuazione i tessuti molli, ma sono assorbiti da ossa, mezzi di contrasto, ecc.

I raggi X sono radiazioni molto penetranti che attraversano con piccola attenuazione i tessuti molli, ma sono assorbiti da ossa, mezzi di contrasto, ecc.

doeII

= d: spessore : coeff. di assorbimentod: spessore : coeff. di assorbimento

RAGGI XRAGGI X

Si definisce spessore di dimezzamento (H.V.T. = half value thickness) lo spessore per cui lintensit incidente si riduce alla met.

Si definisce spessore di dimezzamento (H.V.T. = half value thickness) lo spessore per cui lintensit incidente si riduce alla met.

In medicina sono sono utilizzati per diagnostica (radioscopia, radiografia, tomografia assiale computerizzata-TAC) e terapia (irradiazione di cellule cancerose).

In medicina sono sono utilizzati per diagnostica (radioscopia, radiografia, tomografia assiale computerizzata-TAC) e terapia (irradiazione di cellule cancerose).

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Ogni nucleo costituito da protoni e neutroni legati da forze attrattive molto intense, dette forze nucleari.Ogni nucleo costituito da protoni e neutroni legati da forze attrattive molto intense, dette forze nucleari.

NUCLEO ATOMICONUCLEO ATOMICO

Massa Carica

Protone p 1.671027 kg 1.61019 CNeutrone n 1.671027 kg 0

Un nucleo indicato con il simbolo , dove:X = simbolo dellatomo;A = numero di massa (protoni+neutroni);Z = numero atomico (protoni).

Un nucleo indicato con il simbolo , dove:X = simbolo dellatomo;A = numero di massa (protoni+neutroni);Z = numero atomico (protoni).

XAZ

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In altri termini, si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo stesso numero atomico (Z), ma diverso numero di massa (A), cio lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.

In altri termini, si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo stesso numero atomico (Z), ma diverso numero di massa (A), cio lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.

ISOTOPI E NUCLIDIISOTOPI E NUCLIDI

Le specie atomiche sono 114, di cui 90 naturali. Di queste, 81 hanno almeno un isotopo stabile. Tutti gli elementi hanno due o pi isotopi.

Le specie atomiche sono 114, di cui 90 naturali. Di queste, 81 hanno almeno un isotopo stabile. Tutti gli elementi hanno due o pi isotopi.

Isotopo: nuclide di uno stesso elemento.Nuclide: ciascuna specie atomica caratterizzata da un definito numero di protoni e neutroni.

Isotopo: nuclide di uno stesso elemento.Nuclide: ciascuna specie atomica caratterizzata da un definito numero di protoni e neutroni.

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TAVOLA DEI NUCLIDITAVOLA DEI NUCLIDI

numero di neutroni N

num

ero

di p

roto

ni Z

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Gli isotopi hanno propriet fisiche molto diverse ma identiche propriet chimiche: se un atomo sostituito da un suo isotopo radioattivo, la molecola di cui fa parte mantiene inalterate le sue propriet biochimiche e metaboliche.

Gli isotopi hanno propriet fisiche molto diverse ma identiche propriet chimiche: se un atomo sostituito da un suo isotopo radioattivo, la molecola di cui fa parte mantiene inalterate le sue propriet biochimiche e metaboliche.

ISOTOPIISOTOPI

Il destino di una tale molecola sostituita allinterno dellorganismo pu essere seguito con rilevatori di radiazioni. Questo principio alla base della medicina nucleare.

Il destino di una tale molecola sostituita allinterno dellorganismo pu essere seguito con rilevatori di radiazioni. Questo principio alla base della medicina nucleare.

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La radioattivit consiste nellemissione di radiazioni , , oppure da parte di un nucleo atomico instabile. La radioattivit consiste nellemissione di radiazioni , , oppure da parte di un nucleo atomico instabile.

Radiazioni : nuclei di He;

Radiazioni : elettroni (e) o positroni (e+);

Raggi : radiazioni elettromagnetiche di frequenza superiore a 1019 Hz.

Radiazioni : nuclei di He;

Radiazioni : elettroni (e) o positroni (e+);

Raggi : radiazioni elettromagnetiche di frequenza superiore a 1019 Hz.

RADIOATTIVITRADIOATTIVIT

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ALCUNI ISOTOPIALCUNI ISOTOPI

o)radioattiv - (instabile trizio:H

(stabile) deuterio:H

(stabile) protone:H

31

21

11

o)radioattiv- (instabile carbonio :C

(stabile) carbonio:C

(stabile) carbonio:C

(stabile) carbonio:C

146

136

126

116

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In un decadimento radioattivo il nucleo emette alcune particelle ( o ) trasformandosi in un altro nucleo ed eventualmente emettendo energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (raggi ).

In un decadimento radioattivo il nucleo emette alcune particelle ( o ) trasformandosi in un altro nucleo ed eventualmente emettendo energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (raggi ).

RADIOATTIVITRADIOATTIVIT

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DECADIMENTO ALFADECADIMENTO ALFA

HeXX 4242

AZ +

AZ

HeRnRa :Esempio 4222286

22688 +

n

p

2

2

n

p

138

88

n

p

136

86+

Ra22688 Rn22286 He

42

Lesposizione a sorgenti esterne al corpo non particolarmente pericolosa: eventuali particelle che riescano a colpire loperatore,si fermano comunque nello strato morto della pelle. Diventa invece molto pericolosa se la sorgente interna, perch loperatore ha inalato o ingerito atomi radioattivi, oppure questi sono entrati attraverso una ferita.

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Decadimento +Decadimento +Decadimento Decadimento

++ +eFNe 1991910

DECADIMENTO BETADECADIMENTO BETA

: neutrino: antineutrino: neutrino: antineutrino

++

++

+

epn

eAZ XX 1AZ

++ eNC 14714

6

Lesposizione a particelle beta provenienti da sorgenti esterne al corpo pu provocare danni alla pelle, perch la maggior parte delle particelle riesce a penetrare oltre lo strato morto, e a agli occhi.

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DECADIMENTO GAMMADECADIMENTO GAMMA

+ XXAZAZ

+ NiNi 60286028

Xnucleo del

eccitato stato:XAZ

AZ

60Ni*

60Ni

RADIAZIONI IONIZZANTI

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LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVOLEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO

Dato un campione macroscopico composto da un gran numero di isotopi radioattivi, il numero di decadimenti N che avvengono in un certo intervallo di tempo t dato dalla legge del decadimento radioattivo:

Dato un campione macroscopico composto da un gran numero di isotopi radioattivi, il numero di decadimenti N che avvengono in un certo intervallo di tempo t dato dalla legge del decadimento radioattivo:

tNN =

=

=t

t

eNN

eNN

0

0N : numero di nuclei allistante tN0 : numero iniziale di nuclei : costante di decadimento = 1/ : tempo di vita media

N : numero di nuclei allistante tN0 : numero iniziale di nuclei : costante di decadimento = 1/ : tempo di vita media

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Rappresentazione grafica della legge del decadimento radioattivo per un campione di

Rappresentazione grafica della legge del decadimento radioattivo per un campione di C146

LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVOLEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO

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La emivita fisica (o tempo di dimezzamento) di una sostanza radioattiva il tempo necessario affinch decada la met dei nuclei iniziali:

La emivita fisica (o tempo di dimezzamento) di una sostanza radioattiva il tempo necessario affinch decada la met dei nuclei iniziali:

EMIVITAEMIVITA

=

= 693.02ln21T

I tempi di dimezzamento degli isotopi radioattivi conosciuti variano approssimativamente da 1022 s fino a 1028 s (circa 1021 anni).I tempi di dimezzamento degli isotopi radioattivi conosciuti variano approssimativamente da 1022 s fino a 1028 s (circa 1021 anni).

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EMIVITAEMIVITA

La emivita efficace di una sostanza radioattiva la combinazione di quella fisica e di quella biologica.La emivita efficace di una sostanza radioattiva la combinazione di quella fisica e di quella biologica.

bfeff

111TTT

+=

La emivita biologica di una sostanza radioattiva il tempo necessario affinch la met dei nuclei iniziali sia eliminata dallorganismo mediante processi metabolici.

La emivita biologica di una sostanza radioattiva il tempo necessario affinch la met dei nuclei iniziali sia eliminata dallorganismo mediante processi metabolici.

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Tempi di dimezzamento fisici e biologici di alcuni isotopi radioattivi

Tempi di dimezzamento fisici e biologici di alcuni isotopi radioattivi

EMIVITAEMIVITA

1808tiroideI3954.0fegatoCu6546sangueFe

1018152ossaCa12003.14ossaP180102ossa35102grassoC19104corpoH(giorni)(giorni)

13151

6429

5926

34520

3215

6

6146

331

bf

TT

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Lattivit di un campione radioattivo definita come il numero di disintegrazioni al secondo.Lattivit di un campione radioattivo definita come il numero di disintegrazioni al secondo.

ATTIVITATTIVIT

NtN =

=attivit

Nel S.I lunit di misura dellattivit il becquerel (Bq)1 Bq = 1 disintegrazione / sec

Nel S.I lunit di misura dellattivit il becquerel (Bq)1 Bq = 1 disintegrazione / sec

tuttora in uso anche lunit di misura denominata curie (Ci)1 Ci = 3.7 1010 Bq

tuttora in uso anche lunit di misura denominata curie (Ci)1 Ci = 3.7 1010 Bq

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La dosimetria studia lassorbimento di radiazioni da parte dei tessuti biologici, anche in relazione ai danni che esse producono.

La dosimetria studia lassorbimento di radiazioni da parte dei tessuti biologici, anche in relazione ai danni che esse producono.

DOSE ASSORBITA (D)DOSE ASSORBITA (D)

Dose assorbitaQuantit di energia assorbita da una massa unitaria di tessuto quando viene irraggiato sia da radiazione elettromagnetica che da particelle.

D = E / m

Dose assorbitaQuantit di energia assorbita da una massa unitaria di tessuto quando viene irraggiato sia da radiazione elettromagnetica che da particelle.

D = E / mLunit di misura della dose assorbita nel S.I. il gray (Gy)1 Gy = 1 joule / kgrad (radiation absorbed dose): vecchia unit di misura oggi sostituita dal gray (1 rad = 0.01 Gy)

Lunit di misura della dose assorbita nel S.I. il gray (Gy)1 Gy = 1 joule / kgrad (radiation absorbed dose): vecchia unit di misura oggi sostituita dal gray (1 rad = 0.01 Gy)

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FATTORE DI PESO PER LA RADIAZIONEFATTORE DI PESO PER LA RADIAZIONE

La probabilit di subire dei danni da parte di un individuo che si espone a radiazioni ionizzanti dipende non solo dalla quantit di energia ricevuta in un determinato volume di tessuto, ma anche dal tipo di radiazione, alla quale si pu associare un fattore di peso per la radiazione wR.

La probabilit di subire dei danni da parte di un individuo che si espone a radiazioni ionizzanti dipende non solo dalla quantit di energia ricevuta in un determinato volume di tessuto, ma anche dal tipo di radiazione, alla quale si pu associare un fattore di peso per la radiazione wR.

Tipo di radiazione Fattore di peso, wRRaggi X e , tutte le energie 1Elettroni, tutte le energie 1Neutroni, da 0 a 20 MeV 520Protoni 5Particelle alfa, nuclei pesanti 20

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DOSE EQUIVALENTE (H)DOSE EQUIVALENTE (H)

LUnit di misura della dose equivalente nel S.I. il sievert (Sv).

Nel caso di esposizione a soli raggi X, 1 Sv corrisponde allassorbimento di 1Jkg1 di energia.

rem (roentgen equivalent man): vecchia unit di misura oggi sostituita dal sievert (1 rem = 0.01 Sv)

LUnit di misura della dose equivalente nel S.I. il sievert (Sv).

Nel caso di esposizione a soli raggi X, 1 Sv corrisponde allassorbimento di 1Jkg1 di energia.

rem (roentgen equivalent man): vecchia unit di misura oggi sostituita dal sievert (1 rem = 0.01 Sv)

Dose equivalenteDose equivalente

RwDH =

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I tessuti umani presentano in genere una sensibilit differenziata alle radiazioni ionizzanti. Di conseguenza la grandezza dose equivalente non sufficiente a valutare il livello di rischio biologico. Occorre associare ad essa un indice di sensibilit tissutale alla radiazione, detto fattore di peso per il tessuto (wT).

I tessuti umani presentano in genere una sensibilit differenziata alle radiazioni ionizzanti. Di conseguenza la grandezza dose equivalente non sufficiente a valutare il livello di rischio biologico. Occorre associare ad essa un indice di sensibilit tissutale alla radiazione, detto fattore di peso per il tessuto (wT).

Tessuto o organo Fattore di peso, wT (ICRP 60/1990)

Gonadi 0.20Midollo osseo (rosso) 0.12Polmone 0.12Mammella femminile 0.05Tiroide 0.05Superficie ossea 0.01Rimanenti organi e tessuti 0.05

FATTORE DI PESO PER IL TESSUTOFATTORE DI PESO PER IL TESSUTO

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DOSE EFFICACE (E)DOSE EFFICACE (E)

Lavoratori Pubblico

Dose efficace 20 mSv/anno 1 mSv/annoDose equivalente per organoCristallino 150 mSv/anno 15 mSv/annoPelle 500 mSv/anno 50 mSv/annoMani e piedi 500 mSv/anno 50 mSv/anno

Limiti raccomandatiLimiti raccomandati

Dose efficace:Dose efficace: TT wHE =

RADIAZIONI IONIZZANTI

Gli effetti delle radiazioni sulluomo possono essere classificati in due differenti tipologie: effetti di tipo deterministico ed effetti di tipo stocastico o probabilistico.

Per i primi esiste una soglia al di sopra del quale si manifesta leffetto ed definita una funzione dose-gravit delleffetto.

Per gli effetti stocastici - legati ad esposizioni a dosi inferiori alle soglie richieste per gli effetti deterministici, non definibile una soglia di esposizione. Lesposizione in questo caso aumenta la probabilit di comparsa del danno, e non lentit del danno stesso.

EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULLUOMO

RADIAZIONI IONIZZANTI

Sindromi da irradiazione acuta L'esposizione ad "alte dosi" di radiazioni ionizzanti, sia per irradiazione esterna che interna, determina l'insorgenza di diverse sindromi in rapporto all'entit della dose ricevuta. Legge di Bergonie e Tribondeau: "la radiosensibilit di un tessuto direttamente proporzionale all'attivit mitotica e inversamente proporzionale al grado di differenziazione delle sue cellule". In pratica non sono i tipi cellulari pi o meno radiosensibili, bens i "processi cellulari" (divisione cellulare) Sindrome del sistema nervoso centrale: si manifesta ad altissime dosi (oltre 10 Gy) in quanto il tessuto nervoso ha un'attivit mitotica praticamente nulla. La morte avviene per variazioni (da infiammazione) della permeabilit dei vasi encefalici con conseguente edema cerebrale e ipertensione endocranica. Per dosi molto forti vi anche un danno diretto sui neuroni. Dopo un iniziale periodo di ipereattivit e convulsioni, segue apatia e coma; la morte interviene entro 48 ore.

Sindrome gastrointestinale: la superficie dell'intestino in continuo rinnovamento da parte di cellule ad alto indice mitotico situate nelle cripte. Dopo un'irradiazione acuta (6 - 10 Gy) si ha una disepitelizzazione dell'intestino per mancato rinnovo della mucosa con conseguente perdita di liquidi ed elettroliti e danno nutrizionale. La perdita della barriera epiteliale facilita inoltre l'insorgenza di infezioni dovute anche alla carenza di leucociti per il contemporaneo insorgere della sindrome emopoietica. La morte sopravviene entro 3 - 5 giorni dall'irradiazione.

Sindrome emopoietica: il midollo osseo contiene tutti i precursori delle cellule del sangue: l'attivit mitotica pertanto intensa in considerazione del continuo rinnovamento delle cellule circolanti (vita media dei leucociti: 3 - 5 giorni, eritrociti: 120 giorni). Questo fatto spiega la notevole radiosensibilit del midollo osseo e il differente andamento delle curve di sopravvivenza nel midollo e nel sangue circolante (le cellule mature sono molto meno radiosensibili). La sindrome emopoietica si manifesta per dosi di 2 - 6 Gy. La DL 50/30 (dose letale per il 50% dei soggetti in 30 giorni) dell'uomo si colloca a circa 3 Gy.

EFFETTI DETERMINISTICI (1)

RADIAZIONI IONIZZANTIEFFETTI DETERMINISTICI (2)

Effetti sulle gonadi: dosi di 1 - 2 Gy su entrambe le ovaie determinano sterilit temporanea e assenza di mestruazioni per 1-3 anni; 4 Gy causano sterilit permanente. Nell'uomo 0.1 Gy causano oligospermia per 12 mesi; 2.5 Gy: sterilit per 2-3 anni; 4-6 Gy: sterilit definitiva.

Effetti sulla cute: sede principale del danno lo strato germinale dell'epidermide, anche se la risposta pi pronta l'eritema temporaneo dovuto alla dilatazione dei capillari. Dopo 2-3 settimane ricompare l'eritema per danno ai capillari e flittene con necrosi per deficit proliferativo dello strato germinale.

Effetti sull'organismo in sviluppo: chiaramente l'embrione e il feto presentano in tutti i propri organi e tessuti un alto indice mitotico. L'irradiazione di 1 Gy nei primi 6 giorni di gravidanza determina la morte del 50% degli embrioni; i sopravvissuti si sviluppano in modo normale. L'esposizione dal 9 al 60 giorno determina una mortalit di grado inferiore e un notevolissimo aumento delle malformazioni anche per dosi relativamente basse. Nel periodo fetale si riduce gradualmente il rischio di malformazioni e la radiosensibilit si avvicina a valori simili a quelli dei bambini. Da qui la raccomandazione per tutte le donne in et feconda di sottoporsi ad esami radiologici esclusivamente nei primi 10 giorni del ciclo (art. 111, comma 2, lett. C), D.Lgs. n. 241/2000)

RADIAZIONI IONIZZANTIEFFETTI DETERMINISTICI

RADIAZIONI IONIZZANTIEFFETTI STOCASTICI

L'esposizione a "basse dosi" di radiazioni ionizzanti non determina la comparsa di danni immediati, bens aumenta le probabilit statistiche di comparsa di danni a distanza. Queste malattie non presentano diversit rispetto a quelle dovute a cause "naturali" e quindi la loro discriminazione estremamente difficoltosa; i dati finora ottenuti si basano sull'aumento dell'incidenza delle suddette malattie. Le caratteristiche principali degli effetti stocastici sono: 1. Non richiedono il superamento di una dose-soglia. 2. Riguardano solo una piccola frazione degli esposti con frequenza di comparsa proporzionale alla dose.

La gravit non dipende dalla dose in quanto sono del tipo tutto o nulla.

Radiazioni e tumori: a causa dei danni a carico del materiale cromatidico cellulare, le radiazioni ionizzanti possono indurre l'insorgenza di tumori solidi e leucemie. I tempi di latenza sono estremamente lunghi: da pochi anni per le leucemie a oltre 20 anni per il carcinoma polmonare. I dati attuali ci indicano un rischio totale di cancerogenesi di 1,25 x 10-2 x Sv-1 per cui, ad esempio, ad una dose di 10 mSv associato un rischio pari a 1,25 x 10-4.

Effetti genetici: si visto che le radiazioni ionizzanti provocano il danno maggiore a carico del DNA; quindi comprensibile che anche basse dosi di radiazioni possano creare dei danni genetici che si evidenzieranno nella prole in prima o successive generazioni. L'incidenza naturale di malformazioni (gravi, lievi, lievissime) calcolata in 105.000 casi per milione di nati vivi. Studi su animali valutano in 1 Gy la dose di raddoppio: ovvero se 1 milione di individui ricevessero 1 Gy, si avrebbe il raddoppio delle malformazioni. Estrapolando si calcola che 10 mGy provochino 185 nuovi casi per milione, pari ad un incremento dello 0.17% dei casi naturali.

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