Una radiazione ionizzante è una radiazione che trasporta abbastanza energia da estrarre elettroni dagli atomi o dalle molecole colpiti da tale radiazione, lasciando questi ultimi come ioni positivi atomici o molecolari (cationi). Le radiazioni ionizzanti possono essere costituite da particelle subatomiche o ioni o anche atomi che si muovono ad alte velocità, o anche onde elettromagnetiche con frequenze (o lunghezze d'onda) nell'estremità più energetica dello spettro elettromagnetico.

Le radiazioni ionizzanti sono usate in svariati campi tra cui la medicina, la ricerca, l'industria manifatturiera e l'edilizia, ma presentano rischi per la salute se non vengono prese le giuste misure contro un'esposizione indesiderata. L'esposizione alle radiazioni ionizzanti causa infatti danni ai tessuti degli esseri viventi e può causare mutazioni, malattia acuta da radiazione, cancro e morte.

Le radiazioni ionizzanti sono invisibili e non sono direttamente avvertibili dai sensi umani, perciò sono necessari strumenti per il loro rilevamento, come i contatori Geiger. Tali radiazioni possono comunque causare l'emissione di luce visibile come conseguenza dell'interazione con la materia, come nel caso della radiazione Cherenkov e della radioluminescenza.

Distinzione tra radiazioni ionizzanti e non ionizzanti

I raggi gamma, i raggi X e la porzione ad alta frequenza degli ultravioletti (UV) dello spettro elettromagnetico sono radiazioni ionizzanti, mentre la parte più bassa degli ultravioletti e anche il resto dello spettro, con frequenza minore degli UV, comprendente la luce visibile (inclusi quasi tutti i tipi di luce laser), gli infrarossi, le microonde e le onde radio, si considera tutto composto da radiazioni non ionizzanti. Il confine che esiste nell'ultravioletto tra radiazioni elettromagnetiche ionizzanti e non ionizzanti non è nettamente definito, dal momento che atomi e molecole diversi vengono ionizzati a energie differenti. Tale confine si colloca convenzionalmente a un'energia del fotone tra 10 eV e 33 eV nell'ultravioletto.

Esempi di radiazioni ionizzanti Le particelle subatomiche ionizzanti più comuni comprendono le particelle alfa, le particelle beta e i neutroni. Quasi tutti i prodotti del decadimento radioattivo sono ionizzanti, perché l'energia del decadimento radioattivo è generalmente molto più alta di quella richiesta per ionizzare. Altre particelle subatomiche ionizzanti che esistono naturalmente sono i muoni, i mesoni, i positroni, e altre particelle che costituiscono i raggi cosmici secondari, i quali vengono prodotti dopo che i raggi cosmici primari interagiscono con l'atmosfera terrestre.

I raggi cosmici sono generati dalle stelle e da alcuni eventi celesti catastrofici come l'esplosione di una supernova. I raggi cosmici possono anche produrre radioisotopi sulla Terra (per esempio il carbonio-14), che successivamente decadono e producono una radiazione ionizzante. I raggi cosmici e il decadimento degli isotopi radioattivi sono le principali fonti della radiazione ionizzante naturale sulla Terra, chiamata "radiazione cosmica di fondo". Radiazioni ionizzanti possono essere anche prodotte artificialmente usando tubi a raggi X, acceleratori di particelle, e uno qualsiasi dei vari metodi con i quali vengono prodotti artificialmente i radioisotopi.

Tipi di radiazione

La radiazione ionizzante è classificata in base alla natura delle particelle o delle onde elettromagnetiche che creano l'effetto ionizzante. Queste hanno diversi meccanismi di ionizzazione e possono essere raggruppate come ionizzanti direttamente o indirettamente.

Direttamente ionizzanti

Ogni particella carica massiva può ionizzare gli atomi direttamente tramite interazione fondamentale attraverso la forza di Coulomb se trasporta un'energia cinetica sufficiente. Queste particelle includono nuclei atomici, elettroni, muoni, protoni. Quando si muovono a velocità relativistiche queste particelle hanno un'energia cinetica sufficiente per essere ionizzanti, ma non sono necessarie velocità di quell'ordine. Ad esempio, una particella alfa tipica è ionizzante, ma si muove a 0.05 c, e un elettrone con 33 eV (con energia sufficiente ad ionizzare qualsiasi elemento) si muove a circa 0.01 c.

In particolare a due sorgenti ionizzanti sono stati dati nomi speciali per riconoscerle: frammenti equivalenti a nuclei di elio, espulsi da nuclei atomici più pesanti sono chiamati particelle alfa e gli elettroni espulsi di solito (ma non sempre) a velocità relativistica sono chiamati particelle beta.

I raggi cosmici naturali sono costituiti principalmente da protoni relativistici, ma comprendono anche nuclei atomici più pesanti come ioni elio e ioni HZE (nuclei da raggi cosmici galattici, con carica elettrica +2) e ad alta energia. Nell'atmosfera i raggi cosmici interagendo con le molecole d'aria producono pioni, che hanno una durata breve, e decadono in muoni, un tipo primario di raggi cosmici che raggiungono il suolo (e lo penetrano anche per un certo tratto).

Particelle alfa

Le particelle alfa sono costituite da due protoni e due neutroni legati in una particella identica ad un nucleo di elio. Le emissioni di particelle alfa sono generalmente prodotte nel processo di decadimento alfa, ma possono anche essere prodotte in altri modi. Le particelle alfa sono denominate come la prima lettera dell'alfabeto greco, α. Il simbolo della particella alfa è α o α2+. Poiché sono identici ai nuclei dell'elio, sono anche a volte scritti come o indicando uno ione di elio con una carica +2 (cioè senza i suoi due elettroni). Se lo ione acquista gli elettroni dall'ambiente, la particella alfa può essere scritta come un normale (elettricamente neutro) atomo di elio .

Le particelle alfa sono fortemente ionizzanti. Se derivano dal decadimento radioattivo hanno una bassa profondità di penetrazione cioè possono essere assorbite da pochi centimetri di aria o appena dalla pelle. Più potenti sono le particelle alfa prodotte da fissione ternaria, cioè le fissioni nucleari con tre prodotti di decadimento, essendo in questo caso di energia molto più elevata, circa tre volte di quelli prodotti dai processi di decadimento nucleare binari, in questo caso sono in grado di attraversare il corpo umano negli strati più profondi. Le particelle alfa costituiscono il 10-12% dei raggi cosmici, e in questo caso hanno energie molto maggiori di quelle dei processi nucleari e quando vengono incontrate nello spazio sono in grado di attraversare il corpo umano e schermi anche molto spessi. Tuttavia questo tipo di radiazioni è notevolmente attenuato dall'atmosfera terrestre, che è uno schermo di radiazioni equivalente a circa 10 metri d'acqua.

Particelle beta

Le particelle beta sono elettroni o positroni di grande energia cinetica, emessi da alcuni nuclei radioattivi, come il potassio-40. La produzione delle particelle beta è chiamata decadimento beta. Sono indicate con la lettera greca beta β. Ci sono due forme di decadimento beta, β− e β+, che danno origine rispettivamente all'elettrone e al positrone.

Quando si dice che qualcosa ha subìto contaminazione radioattiva, significa spesso che la sua superficie emette particelle beta, rilevabili con un contatore Geiger o un altro rivelatore di radiazioni. Che siano beta è facilmente verificabile, infatti avvicinando il misuratore di radiazione alla sorgente il segnale del contatore aumenta visibilmente, ma basta frapporre un foglio di alluminio tra sorgente e strumento per diminuire in maniera sensibile il segnale misurato. Se fosse una contaminazione alfa basterebbe un foglio di carta.

Le particelle beta ad alta energia, mentre passano attraverso la materia, possono produrre raggi X secondari, conosciuti come bremsstrahlung ("radiazione di frenatura"), oppure elettroni secondari, chiamati (raggi delta). Entrambi possono causare a loro volta un effetto di ionizzazione indiretta (terziaria).

La radiazione di bremsstrahlung riguarda la schermatura degli emettitori beta, poiché l'interazione delle particelle beta con il materiale schermante produce radiazioni di Bremsstrahlung. Questo effetto è maggiore con il materiale di elevato numero atomico, per evitare questo effetto indesiderato gli schermi per le particelle beta sono fatti con materiali che hanno un basso numero atomico.

Positroni

Il positrone, detto anche "antielettrone", è l'antiparticella (o la controparte in antimateria) dell'elettrone. Quando un positrone a bassa energia collide con un elettrone a bassa energia, si verifica l'annichilazione, con conseguente trasformazione della loro massa in energia totale di due o più fotoni gamma.

I positroni possono essere generati da un decadimento nucleare o attraverso interazioni deboli o dalla produzione di coppia prodotta da un fotone sufficientemente energetico. I positroni sono fonti artificiali comuni di radiazione ionizzante utilizzate nelle scansioni mediante tomografia a emissione di positroni (PET), una tecnica di diagnostica medica.

Poiché i positroni sono particelle caricate positivamente, possono anche ionizzare direttamente un atomo attraverso la interazione Coulombiana.

Radiazione elettromagnetica

Quando la frequenza delle onde elettromagnetiche è superiore a quella visibile, gli effetti della quantizzazione delle onde elettromagnetiche sono più evidenti, per cui in tale parte dello spettro elettromagnetico, si parla di fotoni. Anche se i fotoni sono elettricamente neutri, possono ionizzare gli atomi direttamente attraverso l'effetto fotoelettrico e l'effetto Compton. Ciascuna di queste interazioni provocherà l'espulsione di un elettrone da un atomo a velocità relativistiche, trasformando tale elettrone in una particella beta (particella beta secondaria) che ionizzerà molti altri atomi. Poiché la maggior parte degli atomi interessati sono ionizzati direttamente dalle particelle beta secondarie, i fotoni sono chiamati radiazioni indirettamente ionizzanti.

La radiazione di fotoni è chiamata raggi gamma se prodotta da una reazione nucleare, decadimento di particelle subatomiche, o decadimento radioattivo all'interno del nucleo. Altrimenti è chiamata raggi x se prodotta all'esterno del nucleo. Il generico termine "fotone" è perciò utilizzato per descrivere entrambi.

I raggi X normalmente hanno energia inferiore rispetto ai raggi gamma, e con una vecchia convenzione si definiva il confine a una lunghezza d'onda di 10−11 m o a un'energia di 100 keV. Questa soglia è stata dettata dalle limitazioni dei vecchi tubi a raggi X ed alla mancata conoscenza delle cosiddette transizioni isomeriche. Le tecnologie e le scoperte moderne hanno portato ad una sovrapposizione tra le energie a raggi X e gamma. In molti campi sono funzionalmente identici, differendo per gli studi terrestri solo per l'origine della radiazione. In astronomia, però, dove l'origine delle radiazioni spesso non può essere determinata in modo affidabile, è stata conservata la vecchia divisione energetica, con raggi X definiti tra 120 eV e 120 keV e raggi gamma come di qualsiasi energia superiore a 100/120 keV, indipendentemente dalla fonte. La maggior parte dei "raggi gamma astronomici" conosciuti, non sono originati nei processi radioattivi nucleari, ma piuttosto derivano da processi come quelli che producono raggi X astronomici, solo che sono prodotti da elettroni molto più energetici.