P O L I S M O L

Progetto Envirad

L’Envirad ( Environmental Radioactivity ) è un progetto dell’ INFN Federico II di Napoli che ha come scopo il  monitoraggio del radon nel suolo e nell’aria all’interno delle scuole e di altri edifici siti sul territorio campano, al fine di elaborare un archivio regionale di dati sulla radioattività naturale in Campania. Inoltre, il progetto si propone di dare agli studenti che vi partecipano  occasione formativa sul problema della radioattività e opportunità di lavorare con l’ambiente di ricerca universitario. Da  molti anni, il problema del radon, che è un prodotto del decadimento radioattivo di radioisotopi di origine naturale, è oggetto di attenzione per i potenziali danni alla salute. È infatti noto che questo gas, se inalato in ambienti in cui è presente in altissima concentrazione, come le miniere, causa una elevata incidenza di tumori all’apparato respiratorio. La Campania è una regione in cui i livelli di radioattività sono particolarmente alti, in quanto sia il suolo che i materiali utilizzati in edilizia, per la loro origine vulcanica, contengono elevate quantità di Uranio e Potassio; quindi sono potenzialmente sorgenti attive di gas radon e di radiazioni.

La nostra scuola  partecipa al progetto da tre anni, nel corso dei quali ha monitorato il radon nei locali del nostro istituto, ha lavorato sui film LR115 per il conteggio delle particelle alfa e si è interessato ai danni biologici prodotti dalle radiazioni sui linfociti ed altri tipi di  cellule. Ora mi riservo di trattare le proprietà fisico- chimiche del radon.

Il radon

Il radon è un gas nobile radioattivo prodotto dal decadimento del Radio, che a sua volta proviene dal decadimento dell’Uranio238. Essendo un gas nobile risulta chimicamente inerte. Esso è incolore e inodore; si diffonde attraverso le rocce ed il terreno ed è solubile in acqua. La sua concentrazione si misura in Bq/m³( Becquerel per metro cubo), ossia il numero di disintegrazioni nucleari al secondo per ogni metro cubo d’aria. La pericolosità di questo gas  è essenzialmente dovuta alle sue peculiarità chimico-fisiche e al suo tempo di dimezzamento pari a circa 3,82 giorni. Essendo inerte ed elettricamente privo di carica elettrica è caratterizzato da una grande mobilità (al contrario di elementi come il radio o l’uranio che restano vincolati nel materiale in cui si trovano). In effetti il radon è un gas che può facilmente penetrare all’interno dei polmoni e qui esplicare la sua azione degenerativa. Data la sua instabilità, una volta giunto all’interno dell’apparato respiratorio può andare incontro al processo di decadimento radioattivo. Anche gli atomi radioattivi che si generano in seguito al decadimento del radon all’aria aperta (la cosiddetta “progenie del radon”) possono penetrare all’interno dei polmoni: essendo elettricamente carichi possono aderire al particolato aerodisperso ( piccole particelle presenti nell’atmosfera) e, tramite questo, giungere a contatto con le cellule dell’epitelio polmonare. Nei polmoni le particelle alfa che si liberano in seguito al decadimento del radon e della sua progenie possono danneggiare il DNA e l’RNA delle cellule. Se i naturali meccanismi di riparazione degli acidi nucleici (DNA e RNA) non sono in grado di riparare tutti i danni causati da queste radiazioni alfa allora vi è la possibilità che il tutto possa portare alla formazione di un tumore ai polmoni. Al momento non si ritiene possibile l’insorgenza di tumore in altri organi del corpo in quanto le radiazioni alfa percorrono delle distanze relativamente brevi e quindi insufficienti a raggiungere altre zone corporee. Per quanto riguarda la presenza del radon nell’acqua, finora non risulta alcuna evidenza scientifica che il radon alle comuni concentrazioni presenti in natura possa provocare l’insorgenza di un tumore all’apparato digestivo.Bisogna inoltre sottolineare che i fumatori sono i soggetti più a rischio in quanto è stato dimostrato un effetto sinergico tra la presenza del radon e quella del fumo di sigaretta.

Decadimento ed emivita

Il radon decade spontaneamente  senza cause ben note ( del resto anche gli altri elementi tendono a decadere per cause ancora sconosciute), perché come tanti altri nuclidi  presenta una composizione nucleare instabile che tende ad equilibrarsi con l’emissione  di radiazioni corpuscolari  e/o elettromagnetiche. Il decadimento radioattivo, quindi, è un processo di trasformazione di un radio-nuclide padre in un nuclide figlio  espresso dalla funzione N_(t) = N₀*e^-λt, dove:

N_t = numero degli atomi al tempo t

N₀ = numero degli elettroni al tempo 0

e = base dei logaritmi naturali

λ = costante di decadimento che equivale a 0,693/emivita

t = tempo trascorso

Di conseguenza va definito il concetto di emivita o tempo di dimezzamento, ossia  il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei di un dato radio-nuclide vada incontro a decadimento.

Il decadimento radioattivo viene anche detto radioattività, che si misura in  Becquerel dove 1Bq= 1 disintegrazione al secondo.

 La radioattività è un insieme di processi tramite i quali dei nuclei atomici instabili (nuclidi) emettono particelle subatomiche per raggiungere uno stato di stabilità.

Come ben sappiamo ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni e neutroni, e da un certo numero di elettroni che gli orbitano intorno. Essendo tutti carichi positivamente i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb e, se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili.
In effetti i nuclei atomici sono tenuti coesi dalla cosiddetta forza nucleare forte. Questa forza richiede anche la presenza dei neutroni per manifestarsi. Quando le forze all’interno del nucleo non sono bilanciate (ovvero il nucleo è instabile) questo tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l’emissione di una o più particelle. Storicamente (in seguito agli studi di Marie Curie) i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi principali, da cui prendono il nome le rispettive radiazioni:

• decadimento alfa
• decadimento beta
• decadimento gamma

Decadimento alfa ( raggi α )

Il decadimento alfa riguarda principalmente i nuclei instabili di elementi con numero di massa maggiore di 200  e consiste nell’emissione di nuclei di elio detti (particelle α). L’emissione di una particella alfa da parte di un nucleo instabile  fa diminuire  rispettivamente di 2 e 4 unità il numero atomico e il numero di massa dell’elemento preso in considerazione.  Il nucleo(Z,A) risulta  instabile se ha una massa maggiore della somma delle masse del nucleo(Z-2,A-4) e di un nucleo ⁴He; di conseguenza può decadere  per emissione di una particella alfa. Un esempio è il decadimento del Radio-226 in Radon-222.

Per i nuclei più pesanti, con numero di massa maggiore di 200, i tempi di dimezzamento sono tanto brevi che l’emissione di particelle alfa da parte di un campione avviene con una frequenza misurabile come nel caso del Rn222.

Decadimento beta ( raggi β )

Il decadimento beta  può essere di due tipi: β^- o β⁺.

Il decadimento β^- riguarda i nuclei instabili per eccesso di neutroni; in questo caso un neutrone in eccesso si trasforma  in un protone con conseguente espulsione dal nucleo di un elettrone(radiazione beta negativa)  e di un antineutrino.

n = p + e^- + antineutrino

La massa di un neutrone libero è maggiore di quella di un atomo di H( cioè di un protone e di un elettrone). Perciò, da un punto di vista energetico un neutrone  può scindersi in un protone e in un elettrone. Tale decadimento fa aumentare di un unità il numero atomico dell’elemento(Z=Z+1), ma lascia invariato il numero di massa A, in quanto il numero totale di nucleoni resta lo stesso. Il decadimento β^-  di un nucleo è possibile solo se il suo successore ha una massa minore rispetto al  nucleo iniziale. Ne è un esempio il decadimento del Litio-8 in Berillio-8.

Il decadimento β⁺, invece, riguarda i nuclei instabili per un difetto di neutroni; qui un protone in eccesso si trasforma in un neutrone con conseguente espulsione dal nucleo di un positrone ( radiazione beta positiva) e di un neutrino.

p = n + e⁺ + neutrino

Tale decadimento fa diminuire di un unità il numero atomico dell’elemento (Z=Z-1) e lascia invariato il numero di massa A. E’ possibile se il nucleo figlio ha una massa maggiore di quella del nucleo padre. Ne è un esempio il decadimento dello Zinco-65 in Rame-65.

Decadimento gamma (raggi λ )

I raggi  λ derivano dalla diseccitazione  energetica di nuclei instabili che liberano l’energia in eccesso sottoforma di onde elettromagnetiche; in altre parole si tratta di radiazioni  prive di massa e di carica, “pacchetti” di energia che viaggiano alla velocità della luce.

Danni biologici delle radiazioni

Le radiazioni, tra l’altro,  possono interagire con la materia vivente e la  ionizzano direttamente o indirettamente, provocando cioè la formazione di ioni nei mezzi attraversati.

In base alle modalità di ionizzazione, le radiazioni possono essere distinte in:

- direttamente ionizzanti, ossia particelle cariche come elettroni, protoni, particelle alfa e beta;

- indirettamente ionizzanti, ossia radiazioni sottoforma di onde quali raggi x, raggi gamma.

Nel primo caso le radiazioni, attraversando la cellula vivente, ionizzano  ed eccitano gli atomi o le molecole della propria struttura con conseguente produzione di  frammenti instabili, dotati di una notevole carica elettrica. Nel secondo caso, invece, si ha la formazione di radicali liberi e ioni che interagendo con la cellula generano alterazioni fisico-chimiche.

I danni provocati alle cellule possono essere raggruppati in tre categorie:

- Danni somatici deterministici.

- Danni somatici stocastici.

- Danni stocastici.

I danni somatici deterministici derivano da un irradiamento breve ma intenso e si manifestano circa due settimane dopo l’incidente. Ne sono un esempio quelli in cui può incorrere l’apparato respiratorio: a basse dosi la conseguenza immediata è l’infiammazione dei polmoni; mentre a dosi elevate si rischia addirittura l’emorragia.

I danni somatici stocastici si verificano anni o decenni dopo l’irradiazione; ne sono un esempio le  leucemie e i  tumori.

I danni stocastici,invece, si manifestano nella progenie degli individui irraggiati e coinvolgono soprattutto le cellule germinali dei genitori.

Mutazioni

Le mutazioni sono modificazioni della sequenza e/o del numero di nucleotidi che compongono il DNA. Le mutazioni avvengono spontaneamente, ma con maggior frequenza quando il DNA viene esposto a radiazioni o altri agenti mutageni. In base alle entità delle variazioni provocate nel DNA  vengono distinte in mutazioni puntiformi ( se coinvolgono 1 o più coppie di nucleotidi) e mutazioni cromosomiche ( se coinvolgono ampie regioni cromosomiche). Una mutazione puntiforme può consistere nella sostituzione di un nucleotidi con un altro, nell’inserzione (aggiunta) oppure nella delezione(rimozione) di uno o più nucleotidi. Le mutazioni cromosomiche  comprendono traslocazioni (spostamenti di sezioni di cromosoma) inversioni e aberrazioni cromosomiche. Tra gli esempi più noti di aberrazioni cromosomiche abbiamo i dicentrici e  i ring.

I dicentrici provengono da due rotture su due cromosomi diversi che poi si ricombinano tra loro assumendo la forma tipica di “caramella” avente due centromeri con l’aggiunta di frammenti acentrici sparsi. I ring si hanno in seguito a due rotture a carico dello stesso cromosoma, esso si ripiega su se stesso  assumendo la forma ad “anello”, avente un solo centromero e 2 frammenti acentrici sparsi o uniti fra loro.

Un altro esempio di mutazione cromosomica è rappresentato dall’aneuploidia; si tratta di un’anomalia cromosomica, per cui i cromosomi nelle cellule sono in numero diverso dal normale corredo cromosomico diploide. Sono esempi di aneuploidìa le monosomie, in cui un cromosoma è rappresentato in copia singola mentre per il resto il corredo cromosomico è diploide, e le trisomie, in cui un cromosoma o parte di esso è presente in una copia in più rispetto al resto del corredo diploide.