Radiazioni non ionizzanti - Non-ionizing radiation

Non ionizzanti (o non ionizzanti ) radiazioni si riferisce a qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica e non esercita sufficiente energia per quantica ( energia fotonica ) per ionizzare atomi o molecole, cioè, per rimuovere completamente un elettrone da un atomo o molecola . Invece di produrre ioni caricati quando passa attraverso la materia, non ionizzanti elettromagnetica radiazione ha energia sufficiente solo per eccitazione (il movimento di un elettrone ad uno stato energetico superiore). Le radiazioni non ionizzanti possono causare alcuni problemi di salute, in particolare le scottature solari , e i raggi ultravioletti non ionizzanti (UV-A) possono causare melanoma e tumori della pelle non melanoma , ma generalmente non rappresentano un rischio significativo per la salute. Al contrario, le radiazioni ionizzanti hanno una frequenza più alta e una lunghezza d'onda più corta rispetto alle radiazioni non ionizzanti e possono rappresentare un serio rischio per la salute: l'esposizione ad esse può causare ustioni, malattie da radiazioni , molti tipi di cancro e danni genetici . L'uso delle radiazioni ionizzanti richiede complesse misure di radioprotezione , che in genere non sono richieste con le radiazioni non ionizzanti.

La regione in cui la radiazione è considerata "ionizzante" non è ben definita, poiché diverse molecole e atomi ionizzano a diverse energie . Le definizioni usuali hanno suggerito che le radiazioni con energie di particelle o fotoni inferiori a 10 elettronvolt (eV) siano considerate non ionizzanti. Un'altra soglia suggerita è 33 elettronvolt, che è l'energia necessaria per ionizzare le molecole d'acqua. La luce del Sole che raggiunge la Terra è composta in gran parte da radiazioni non ionizzanti, poiché i raggi ionizzanti del lontano ultravioletto sono stati filtrati dai gas dell'atmosfera, in particolare dall'ossigeno. La restante radiazione ultravioletta del Sole provoca danni molecolari (per esempio, scottature solari) con mezzi fotochimici e che producono radicali liberi .

Meccanismi di interazione con la materia, compreso il tessuto vivente

Il vicino ultravioletto , la luce visibile , l' infrarosso , il microonde , le onde radio e la radiofrequenza a bassa frequenza (onde lunghe) sono tutti esempi di radiazioni non ionizzanti. Al contrario, la luce ultravioletta lontana, i raggi X, i raggi gamma e tutte le radiazioni di particelle provenienti dal decadimento radioattivo sono ionizzanti. Le radiazioni elettromagnetiche visibili e vicine all'ultravioletto possono indurre reazioni fotochimiche o accelerare reazioni radicali , come l' invecchiamento fotochimico delle vernici o la scomposizione dei composti aromatizzanti nella birra per produrre il " sapore fulminante ". La radiazione ultravioletta vicina, sebbene tecnicamente non ionizzante, può ancora eccitare e causare reazioni fotochimiche in alcune molecole. Ciò accade perché alle energie dei fotoni ultravioletti, le molecole possono essere eccitate elettronicamente o promosse alla forma di radicali liberi, anche senza che avvenga la ionizzazione.

Il verificarsi della ionizzazione dipende dall'energia delle singole particelle o onde e non dal loro numero. Un'intensa inondazione di particelle o onde non causerà ionizzazione se queste particelle o onde non trasportano energia sufficiente per essere ionizzanti, a meno che non aumentino la temperatura di un corpo fino a un punto abbastanza alto da ionizzare piccole frazioni di atomi o molecole mediante il processo di ionizzazione termica. In tali casi, anche la "radiazione non ionizzante" è in grado di provocare la ionizzazione termica se deposita abbastanza calore per aumentare le temperature alle energie di ionizzazione. Queste reazioni si verificano a energie molto più elevate rispetto alle radiazioni ionizzanti, che richiedono solo una singola particella per ionizzare. Un esempio familiare di ionizzazione termica è la ionizzazione alla fiamma di un fuoco comune e le reazioni di imbrunimento nei cibi comuni indotte dalla radiazione infrarossa, durante la cottura alla griglia.

L'energia delle particelle di radiazioni non ionizzanti è bassa e, invece di produrre ioni carichi quando attraversano la materia, la radiazione elettromagnetica non ionizzante ha solo energia sufficiente per modificare le configurazioni di valenza rotazionale, vibrazionale o elettronica di molecole e atomi. Questo produce effetti termici. I possibili effetti non termici di forme di radiazioni non ionizzanti sui tessuti viventi sono stati studiati solo di recente. Gran parte del dibattito attuale riguarda livelli relativamente bassi di esposizione alle radiazioni a radiofrequenza (RF) dei telefoni cellulari e delle stazioni base che producono effetti "non termici". Alcuni esperimenti hanno suggerito che potrebbero esserci effetti biologici a livelli di esposizione non termici, ma le prove per la produzione di rischi per la salute sono contraddittorie e non provate. La comunità scientifica e gli organismi internazionali riconoscono che sono necessarie ulteriori ricerche per migliorare la nostra comprensione in alcune aree. Nel frattempo, il consenso è che non ci sono prove scientifiche coerenti e convincenti di effetti negativi sulla salute causati dalle radiazioni RF a potenze sufficientemente basse da non produrre effetti sulla salute termica.

Rischi per la salute

Diversi effetti biologici sono osservati per diversi tipi di radiazioni non ionizzanti. Le frequenze superiori della radiazione non ionizzante vicino a queste energie (gran parte dello spettro della luce UV e parte della luce visibile) sono in grado di provocare danni biologici non termici, simili alle radiazioni ionizzanti. Il danno causato dalle frequenze superiori è un fatto accettato. L'unica area di dibattito rimasta è incentrata sul fatto che gli effetti non termici delle radiazioni di frequenze molto più basse (radiazioni a microonde, millimetriche e onde radio) comportino rischi per la salute.

Frequenze superiori

L'esposizione alla luce ultravioletta non ionizzante provoca cancro della pelle , scottature solari , invecchiamento precoce della pelle e altri effetti.

Frequenze più basse

Segnale di pericolo di radiazioni non ionizzanti

Oltre al noto effetto della luce ultravioletta non ionizzante che causa il cancro della pelle, le radiazioni non ionizzanti possono produrre effetti non mutageni come l'incitamento dell'energia termica nei tessuti biologici che può portare a ustioni. Nel 2011, l' Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha rilasciato una dichiarazione aggiungendo campi elettromagnetici RF (comprese le microonde e le onde millimetriche) alla loro lista di cose che potrebbero essere cancerogene per l'uomo.

In termini di potenziali effetti biologici, la porzione non ionizzante dello spettro può essere suddivisa in:

  1. La porzione di radiazione ottica, dove può verificarsi l'eccitazione degli elettroni (luce visibile, luce infrarossa)
  2. La parte in cui la lunghezza d'onda è più piccola del corpo. Può verificarsi riscaldamento tramite correnti indotte. Inoltre, ci sono affermazioni di altri effetti biologici avversi. Tali effetti non sono ben compresi e persino ampiamente negati. (Microonde e RF ad alta frequenza).
  3. La porzione in cui la lunghezza d'onda è molto più grande del corpo e il riscaldamento tramite correnti indotte si verifica raramente (RF a bassa frequenza, frequenze di potenza, campi statici).

È stato dimostrato che gli effetti di cui sopra sono dovuti solo agli effetti del riscaldamento. A bassi livelli di potenza dove non c'è effetto di riscaldamento, il rischio di cancro non è significativo.

L' Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro ha recentemente affermato che potrebbe esserci qualche rischio da radiazioni non ionizzanti per l'uomo. Ma uno studio successivo ha riportato che la base della valutazione IARC non era coerente con le tendenze di incidenza osservate. Questo e altri rapporti suggeriscono che non c'è praticamente alcun modo in cui i risultati su cui l'IARC ha basato le sue conclusioni siano corretti.

Fonte lunghezza d'onda Frequenza Effetti biologici
UV-A Luce nera , luce solare 319–400 nm 750–940 THz Occhio: cataratta fotochimica ; pelle: eritema , inclusa la pigmentazione
Luce visibile Luce solare , fuoco , LED, lampadine, laser 400–780 nm 385–750 THz Occhio: danno retinico fotochimico e termico; pelle: fotoinvecchiamento
IR-A Luce solare, radiazioni termiche , lampadine a incandescenza , laser , telecomandi 780 nm – 1,4 µm 215-385 THz Occhio: lesione retinica termica, cataratta termica; pelle: bruciare
IR-B Luce solare, radiazione termica, lampadine a incandescenza, laser 1,4–3 µm 100–215 THz Occhio: ustione corneale , cataratta; pelle: bruciare
IR-C Luce solare, radiazioni termiche, lampadine a incandescenza, laser a infrarossi lontani 3 µm – 1 mm 300 GHz – 100 THz Occhio: ustione corneale, cataratta; riscaldamento della superficie corporea
Microonde Telefoni cellulari/cellulari, forni a microonde, telefoni cordless, onde millimetriche, scanner millimetrici aeroportuali, rilevatori di movimento, telecomunicazioni a lunga distanza, radar, Wi-Fi 1 mm – 33 cm 1–300 GHz Riscaldamento del tessuto corporeo
Radiazione a radiofrequenza Telefoni cellulari/cellulari, televisione, FM, AM, onde corte, CB, telefoni cordless 33 cm – 3 km 100kHz – 1GHz Riscaldamento del tessuto corporeo, aumento della temperatura corporea
RF . a bassa frequenza Linee elettriche >3 km <100kHz Cumulo di carica sulla superficie corporea; disturbo delle risposte nervose e muscolari
Campo statico Magneti potenti, risonanza magnetica Infinito 0 Hz (i campi tecnicamente statici non sono "radiazioni") Carica elettrica sulla superficie corporea

Tipi di radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti

Vicino alla radiazione ultravioletta

La luce ultravioletta può causare ustioni alla pelle e cataratta agli occhi. L'ultravioletto è classificato in UV vicino, medio e lontano in base all'energia, dove l'ultravioletto vicino e medio sono tecnicamente non ionizzanti, ma dove tutte le lunghezze d'onda UV possono causare reazioni fotochimiche che in una certa misura imitano la ionizzazione (inclusi danni al DNA e cancerogenesi). La radiazione UV superiore a 10 eV (lunghezza d'onda inferiore a 125 nm) è considerata ionizzante. Tuttavia, il resto dello spettro UV da 3,1 eV (400 nm) a 10 eV, sebbene tecnicamente non ionizzante, può produrre reazioni fotochimiche dannose per le molecole con mezzi diversi dal semplice calore. Poiché queste reazioni sono spesso molto simili a quelle causate dalle radiazioni ionizzanti, spesso l'intero spettro UV è considerato equivalente alla radiazione ionizzante nella sua interazione con molti sistemi (compresi i sistemi biologici).

Ad esempio, la luce ultravioletta, anche nella gamma non ionizzante, può produrre radicali liberi che inducono danni cellulari e può essere cancerogena . La fotochimica, come la formazione del dimero di pirimidina nel DNA, può avvenire attraverso la maggior parte della banda UV, inclusa gran parte della banda che è formalmente non ionizzante. La luce ultravioletta induce la produzione di melanina dalle cellule dei melanociti per provocare l' abbronzatura della pelle. La vitamina D viene prodotta sulla pelle da una reazione radicale avviata dai raggi UV.

Gli occhiali da sole in plastica ( policarbonato ) generalmente assorbono le radiazioni UV. La sovraesposizione ai raggi UV agli occhi provoca cecità da neve , comune alle aree con superfici riflettenti, come neve o acqua.

Luce visibile

La luce, o luce visibile, è la gamma molto ristretta di radiazione elettromagnetica visibile all'occhio umano (circa 400-700 nm) o fino a 380-750 nm. Più in generale, i fisici si riferiscono alla luce come radiazione elettromagnetica di tutte le lunghezze d'onda, visibili o meno.

La luce visibile ad alta energia è la luce blu-violetta con un potenziale dannoso più elevato.

Infrarossi

La luce infrarossa (IR) è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda compresa tra 0,7 e 300 micrometri, che corrisponde a un intervallo di frequenza compreso tra circa 1 e 430 THz. Le lunghezze d'onda IR sono più lunghe di quelle della luce visibile, ma più corte di quelle delle microonde a radiazione terahertz. La luce del sole fornisce un'irradiazione di poco più di 1 kilowatt per metro quadrato a livello del mare. Di questa energia, 527 watt sono radiazioni infrarosse, 445 watt sono luce visibile e 32 watt sono radiazioni ultraviolette.

Microonde

Le microonde sono onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda che vanno da un metro a un millimetro, o equivalente, con frequenze comprese tra 300 MHz (0,3 GHz) e 300 GHz. Questa ampia definizione include sia UHF che EHF (onde millimetriche) e varie fonti utilizzano confini diversi. In tutti i casi, il microonde include l'intera banda SHF (da 3 a 30 GHz o da 10 a 1 cm) come minimo, con l'ingegneria RF che spesso pone il limite inferiore a 1 GHz (30 cm) e quello superiore a circa 100 GHz (3 mm) . Le applicazioni includono telefoni cellulari (cellulari), radar, scanner aeroportuali, forni a microonde, satelliti di telerilevamento terrestre e comunicazioni radio e satellitari.

Onde radio

Le onde radio sono un tipo di radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda nello spettro elettromagnetico più lunghe della luce infrarossa. Come tutte le altre onde elettromagnetiche, viaggiano alla velocità della luce. Le onde radio naturali sono prodotte da fulmini o da oggetti astronomici. Le onde radio generate artificialmente vengono utilizzate per comunicazioni radio fisse e mobili, trasmissioni, radar e altri sistemi di navigazione, comunicazioni satellitari, reti di computer e innumerevoli altre applicazioni. Differenti frequenze di onde radio hanno differenti caratteristiche di propagazione nell'atmosfera terrestre; le onde lunghe possono coprire una parte della Terra in modo molto coerente, le onde più corte possono riflettere la ionosfera e viaggiare per il mondo, e le lunghezze d'onda molto più corte si piegano o riflettono molto poco e viaggiano lungo una linea di vista.

Frequenza molto bassa (VLF)

La frequenza molto bassa o VLF è la gamma di RF da 3 a 30 kHz. Poiché non c'è molta larghezza di banda in questa banda dello spettro radio, vengono utilizzati solo i segnali più semplici, come per la navigazione radio. Conosciuta anche come banda miriametrica o onda miriametrica poiché le lunghezze d'onda vanno da dieci a un miriametro (un'unità metrica obsoleta pari a 10 chilometri).

Frequenza estremamente bassa (ELF)

La frequenza estremamente bassa (ELF) è la gamma delle frequenze di radiazione da 300 Hz a 3 kHz. Nella scienza dell'atmosfera viene solitamente data una definizione alternativa, da 3 Hz a 3 kHz. Nella relativa scienza della magnetosfera, le oscillazioni elettromagnetiche a frequenza più bassa (pulsazioni che si verificano al di sotto di ~3 Hz) sono considerate nell'intervallo ULF, che è quindi anche definito in modo diverso dalle bande radio ITU.

Radiazione termica

La radiazione termica, sinonimo comune di infrarossi quando si verifica a temperature comunemente riscontrate sulla Terra, è il processo mediante il quale la superficie di un oggetto irradia la propria energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche. La radiazione infrarossa che si può sentire emanare da un riscaldatore domestico, una lampada a infrarossi o un forno da cucina sono esempi di radiazione termica, così come l'IR e la luce visibile emessi da una lampadina a incandescenza incandescente (non abbastanza calda da emettere il blu alto frequenze e quindi appaiono giallastre; le lampade fluorescenti non sono termiche e possono apparire più blu). La radiazione termica viene generata quando l'energia del movimento delle particelle cariche all'interno delle molecole viene convertita nell'energia radiante delle onde elettromagnetiche. La frequenza d'onda emessa dalla radiazione termica è una distribuzione di probabilità dipendente solo dalla temperatura, e per un corpo nero è data dalla legge della radiazione di Planck. La legge di spostamento di Wien fornisce la frequenza più probabile della radiazione emessa e la legge di Stefan-Boltzmann fornisce l'intensità del calore (potenza emessa per area).

Parti dello spettro elettromagnetico della radiazione termica possono essere ionizzanti, se l'oggetto che emette la radiazione è abbastanza caldo (ha una temperatura sufficientemente alta ). Un esempio comune di tale radiazione è la luce solare, che è radiazione termica dalla fotosfera solare e che contiene abbastanza luce ultravioletta da causare la ionizzazione in molte molecole e atomi. Un esempio estremo è il lampo della detonazione di un'arma nucleare , che emette un gran numero di raggi X ionizzanti puramente come prodotto del riscaldamento dell'atmosfera intorno alla bomba a temperature estremamente elevate.

Come notato sopra, anche la radiazione termica a bassa frequenza può causare ionizzazione della temperatura ogni volta che deposita energia termica sufficiente per aumentare le temperature a un livello sufficientemente alto. Esempi comuni di ciò sono la ionizzazione (plasma) osservata nelle fiamme comuni e i cambiamenti molecolari causati dalla " doratura " nella cottura degli alimenti, che è un processo chimico che inizia con una grande componente di ionizzazione.

Radiazione del corpo nero

La radiazione del corpo nero è la radiazione proveniente da un radiatore idealizzato che emette a qualsiasi temperatura la massima quantità possibile di radiazione a una data lunghezza d'onda. Un corpo nero assorbirà anche la massima radiazione incidente possibile a una data lunghezza d'onda. La radiazione emessa copre l'intero spettro elettromagnetico e l'intensità (potenza/unità-area) ad una data frequenza è dettata dalla legge della radiazione di Planck . Un corpo nero a temperature pari o inferiori alla temperatura ambiente apparirebbe quindi assolutamente nero in quanto non rifletterebbe alcuna luce. Teoricamente un corpo nero emette radiazioni elettromagnetiche su tutto lo spettro, dalle onde radio a bassissima frequenza ai raggi X. La frequenza alla quale la radiazione del corpo nero è al massimo è data dalla legge di spostamento di Wien .

Guarda anche

Riferimenti

link esterno