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Radiazioni: tra misticismo e realtà

Spesso le parole nucleare o radiazioni ci fanno paura e vengono viste con scetticismo nell’immaginario collettivo. La scienza ci dice tuttavia che sono dei fedeli alleati in molti ambiti. Andiamo a vedere in che modo.

Cos’è una radiazione ionizzante

Benefici delle radiazioni 

Rischi delle radiazioni

Nuove scoperte

Risposta adattativa alle radiazioni 

Conclusioni

Cos’è una radiazione ionizzante

La radiazione ionizzante è un tipo di energia rilasciata dagli atomi che viaggia sotto forma di onde elettromagnetiche (gamma o raggi X) o particelle (neutroni, beta o alfa). La disintegrazione spontanea degli atomi è chiamata radioattività e l’energia in eccesso emessa è una forma di radiazione ionizzante.

Le radiazioni ionizzanti possono essere raggruppate come direttamente ionizzanti o indirettamente ionizzanti.

Qualsiasi particella carica con massa può ionizzare gli atomi direttamente per interazione fondamentale attraverso la forza di Coulomb se trasporta energia cinetica sufficiente. Tali particelle includono nuclei atomici, elettroni, muonipioni carichi, protoni e nuclei carichi energetici privati ​​dei loro elettroni. Quando si muovono a velocità relativistiche (vicino alla velocità della luce) queste particelle hanno energia cinetica sufficiente per essere ionizzanti e danneggiare il DNA.

La radiazione indirettamente ionizzante è elettricamente neutra e non interagisce fortemente con la materia. Quindi, la maggior parte degli effetti di ionizzazione è dovuta alla ionizzazione secondaria, tramite formazione di ROS (Specie Reattive dell’Ossigeno).

Benefici

Grazie alla scoperta delle radiazioni la scienza ha fatto balzi da giganti. Una delle principali applicazioni delle radiazioni è rappresentata dalla diagnostica in ambito medico.

Nel 1895 Wilhelm Conrad Röntgen ha scoperto ed eseguito la prima radiografia della storia, cambiando la medicina in modo radicale. Oggi, infatti,  è indispensabile l’uso delle radiazioni non solo nella diagnosi, ma anche nella cura di molte malattie.

Con la radiografia, ad esempio, risulta possibile lo studio dello scheletro, ma anche dei tessuti molli, sebbene con una proiezione bidimensionale. Con la TC si possono studiare le più disparate lesioni d’organo con delle ricostruzioni tridimensionali. Ancora, sfruttiamo tecniche come la PET che ci permette di valutare il metabolismo delle cellule e quindi di studiare patologie tumorali e infiammatorie.

In ambito non medico le radiazioni hanno svariati utilizzi: dalla Cristallografia a raggi X, che permette di studiare la struttura tridimensionale di ogni molecola a livello atomico, alla sterilizzazione di materiali tramite l’utilizzo di raggi UV o Gamma, a seconda dei vari usi.

Crediti immagine: https://iycr2014.cristallografia.org/

Ancora, è possibile usare le radiazioni di decadimento del Carbonio14 per riuscire a datare l’età di qualunque oggetto. Infatti questo isotopo del Carbonio ha un tempo di dimezzamento 5734 anni, calcolando quanti atomi di esso sono presenti in un oggetto, è possibile definirne la vita.

Rischi

Effetti delle radiazioni sul corpo umano Fonte: concert-h2020.eu

Ma non è tutto oro quel che luccica, infatti ad alte dosi le radiazioni hanno effetti collaterali:

  • Secondo le tabelle dell’Oms, se si viene esposti a 1.000 mSv nell’arco di un’ora si incorre in alterazioni temporanee dell’emoglobina.
  • Quando si sale a 2000-5000 mSv/h si hanno perdita dei capelli, nausea, emorragie, cataratta, danni a: tiroide, midollo osseo, intestino, pelle, organi riproduttivi.
  • Con 4000 mSv/h assorbiti in una settimana si ha la morte nel 50% dei casi, con 6 è morte certa e immediata.

Tuttavia simili livelli di radiazioni sono impossibili da raggiungere in condizioni normali, infatti una radiografia del torace espone a circa 0.7 mSv, mentre una TAC con mezzo di contrasto espone a circa 6-7 mSv.

Livelli di radiazioni in ambito medico – Fonte: UFSP

Nuove scoperte

Attualmente il sistema usato per la radioprotezione si chiama LNT (modello lineare senza soglia) che si basa sostanzialmente sul diminuire le radiazioni alla minima dose necessaria (As Low As Reasonably Achievable). Questo sistema però, si basa non su dati certi ma sulla credenza popolare, dato che quando fu istituito si ignoravano gli effetti delle radiazioni.

Nuovi studi dimostrano come questo concetto limita troppo l’uso delle radiazioni, infatti è stato provato che sotto i 100 mSv all’anno non ci sono effetti collaterali sulla salute, neanche lievi. Anzi, è stato dimostrato da una metanalisi su più di 1 milione di lavoratori a rischio che minime dosi di radiazioni, stimolando i processi di riparazione del DNA, si sono rivelate protettive nei confronti di alcuni tumori solidi.

Differente risposta molecolare ai diversi dosaggi di radiazioni ©Jacopo Burgio

Sempre nello stesso studio hanno analizzato popolazioni che vivono in alcune regioni come Guarapari (Brasile), Kerala (India), Ramsar (Iran) e Yangjiang (Cina), dove la radiazione di fondo naturale (data per lo più dal gas Radon) può raggiungere diverse centinaia di mSv/anno. Inizialmente, i ricercatori si aspettavano di trovare una relazione positiva tra i livelli di radiazioni di fondo e il rischio di malattia. Nella maggior parte di questi studi i ricercatori non hanno riscontrato alcun rischio per la salute, confrontando le popolazioni residenti in aree di radiazioni di fondo di alto livello con quelle residenti in luoghi di radiazioni di fondo di basso livello. Inoltre, diversi studi hanno dimostrato alcune prove che i livelli di radiazione di fondo naturale sono inversamente correlati con la mortalità per cancro.

Risposta adattativa alle radiazioni

Il nostro organismo, tende ad adattarsi ai vari stimoli esterni.

Una radiazione che va a colpire il DNA o che genera ROS, andrà a stimolare tutti quei processi di riparazione del danno cellulare insiti nel nostro genoma. Si va dalla morte programmata della cellula (apoptosi) all’attivazione delle elicasi e nucleotidasi. Esse andranno ad aprire il DNA tagliando la parte danneggiata, per andarla poi a sostituire con un frammento corretto (Riparazione per escissione di base, Riparazione per escissione di nucleotidi, Mismatch repair, ecc.) generato dalla DNA polimerasi.

Quando questo tipo di risposta adattativa alle radiazioni si attiva, un suo leggero eccesso può essere responsabile di un “plus di riparazione”, andando a riparare altre zone del DNA che magari erano danneggiate per altri motivi. Ecco spiegato il meccanismo attraverso cui minime dosi di radiazione sono protettive nei confronti di diversi tumori solidi.

Effetti fisiologici indotti dalle radiazioni ionizzanti ©Jacopo Burgio

Conclusioni

È chiaro che il modello LNT sia ormai obsoleto, e che, in generale, la concezione del nucleare “cattivo” sia sbagliata,come abbiamo analizzato in altri due precedenti articoli. Le radiazioni ed il nucleare ci proferiranno ulteriori soddisfazioni e opportunità se solo noi saremo capaci di vederli come tali senza pregiudizi. 50 anni fa saremmo morti perché la mancanza della TAC avrebbe fatto sfuggire le giuste diagnosi, oggi questo non accade. Dati gli imprevedibili progressi della scienza un domani, magari cureremo molto più facilmente patologie odierne di difficile gestione. Fidiamoci della Scienza!

Quest’oggi noi riscattiamo il mondo dal misticismo e dalla tirannia e lo accompagniamo in un futuro più radioso di quanto lo si possa immaginare.

 

Gabriele Galletta & Roberto Palazzolo

Materia e antimateria, lo Yin e lo Yang della fisica quantistica

Da Einstein e Schrödinger fino a Dirac: un viaggio alla scoperta dell’antimateria

Siamo agli inizi del ‘900, più precisamente nel 1905, quando viene presentata per la prima volta la Teoria della Relatività Ristretta di Albert Einstein, solo un paio di decenni prima della scoperta di Arthur Schrödinger dell’equazione madre della meccanica quantistica, branca della fisica che avrebbe dominato gli scenari futuri del mondo scientifico.

Fu a questo punto che i due fisici Klein e Gordon tentarono di adattare l’equazione di Schrödinger alla relatività ristretta di Einstein, senza tuttavia riuscire nel loro intento. Il loro approccio, infatti, non restituiva risultati accettabili per l’interpretazione della funzione d’onda (che rappresenta lo stato di un sistema fisico).

Qualche anno dopo, nel 1928, fu il fisico Paul Dirac ad ovviare alle problematiche della formula di Klein-Gordon, presentando alla comunità scientifica la sua nota equazione (la quale niente ha in comune con quella versione travisata, che tanto frutta ai tatuatori di tutto il mondo).

 

Equazione di Dirac, origine della meccanica quantistica relativistica

Risolvendo la sua equazione, Dirac si trovò davanti ad una scoperta sconvolgente: essa ammetteva soluzioni ad energia negativa, totalmente in opposizione ai dettami della fisica classica, fino ad allora imperante. Se fino a quel momento infatti tutte le leggi della fisica si basavano sul concetto di materia, adesso ci si trovava innanzi ad uno scenario nuovo ed affascinante, tutto incentrato sulla contrapposizione dicotomica di materia e antimateria.

Ma che cos’è quindi l’antimateria?

L’equazione di Dirac dimostrava l’esistenza, per ogni particella, di una “gemella” perfettamente identica, eccetto che per delle proprietà opposte. Ad esempio, per l’elettrone troviamo il positrone! Quando una particella di materia ed una di antimateria interagiscono tra loro, esse annichiliscono, scomparendo nel nulla, lasciando dietro sé pura energia e “strane” particelle.

 

Annichilazione elettrone-positrone. Fonte: Okpedia

 

Anche se tutto ciò può apparire frutto di pura astrazione, l’antimateria è sotto i nostri occhi molto più di quanto effettivamente possa sembrare. Basti pensare infatti ad alcune sofisticate ed utilissime tecnologie, come la PET (tomografia ad emissione di positroni), basata sul fenomeno dell’annichilazione tra elettrone e positrone, a seguito del quale si ottiene l’emissione di fotoni gamma (particelle di luce) che, come tante lampadine, illuminano la parte del corpo in esame.

 

Tomografia a Emissione di Positroni (PET)

Ciò che tutt’oggi conosciamo sul misterioso universo dell’antimateria è solo una piccola parte di un ben più complesso e misterioso scenario, che potrebbe sorprenderci ancora in futuro, dando vita a sempre nuove applicazioni della scienza nella nostra vita quotidiana.

 

Giovanni Gallo

Giulia Accetta