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Tipo di emissioni

Tipo di emissioni

Il termine “Radiazioni non-ionizzanti” (NIR, Non-Ionizing Radiations) si riferisce a quelle radiazioni elettromagnetiche, onde radio, microonde, infrarosso, visibile ed ultravioletto che, interagendo con gli atomi della materia, non ne producono la ionizzazione. Queste radiazioni posseggono un'energia minore di 10 eV, valore che rappresenta, in effetti, la minima energia necessaria per la ionizzazione di un atomo. È anche possibile parlare di lunghezza d'onda della radiazione, che va da circa 125 nm a svariati km.

Per comprendere i danni prodotti sull'organismo umano da una radiazione di questo tipo, è necessario tenere bene a mente che ad ogni radiazione è associata una ben determinata energia. Tenendo conto, come ben noto, che una radiazione elettromagnetica altro non è se non una composizione di campi magnetici ed elettrici oscillanti, ad esempio in modo perpendicolare fra loro e alla direzione di propagazione dell'onda, la quantità di energia trasportata dall'onda è espressa da una grandezza fisica nota come vettore di Poynting, che rappresenta l'energia, per unità di tempo, che attraversa una superficie normale alla direzione di propagazione dell'onda incidente.

Quando una radiazione elettromagnetica urta un ostacolo parte dell'onda incidente viene riflessa e parte trasmessa all'interno del materiale. La seconda componente interagisce con gli atomi e le molecole proprie di quel materiale e cede loro una parte dell'energia che possiede.

I meccanismi con cui questo trasferimento avviene dipendono dalla frequenza dell'onda incidente e dalle caratteristiche dei materiali attraversati e, di conseguenza, anche gli effetti di tale cessione si diversificano a seconda del materiale attraversato. In particolare, le eventuali proprietà isolanti dello stesso risultano particolarmente importanti.

Vediamo il caso di un materiale non perfettamente isolante. Qui sappiamo che le cariche elettriche sono legate alle molecole cui appartengono e non possono muoversi se non entro "certi limiti". Se il campo elettrico applicato è esterno e oscillante, le cariche tendono a seguire il campo nell'oscillazione. Così, il trasferimento di energia elettrica si traduce in un incremento di energia meccanica che, a sua volta, si trasforma in energia termica. Al tempo stesso diminuisce l'energia dell'onda incidente. In generale, dunque, all'aumentare della frequenza dell'onda incidente aumenta la cessione di energia e l'onda viene assorbita sempre più superficialmente.

Si può dire che tutti gli organismi viventi, qualora esposti a campi elettromagnetici, interagiscono con gli stessi assorbendone una certa parte. Le proprietà caratterizzanti degli oggetti, piuttosto che dei singoli strati che li compongono, determinano il grado di assorbimento. Per meglio comprendere come questo avvenga, è necessario specificare che il meccanismo di attuazione di questa interazione consta delle forze esercitate dal campo elettrico e dal campo magnetico sulle cariche presenti all'interno del materiale.

Gli elettroni e gli ioni positivi, effettivi portatori di carica ottenuti dall'organizzazione di atomi neutri per effetto di queste interazioni, quando soggetti all'azione di un campo elettrico e liberi di muoversi, danno luogo ad una corrente elettrica. Tanto maggiore sarà, quindi, la conducibilità elettrica tanto più alto sarà il numero di quei portatori disponibili alla conduzione e facilitati a muoversi. Esiste la possibilità che, anche in un materiale globalmente neutro, le cariche positive non si vengano esattamente a sovrapporre nello spazio a quelle negative. In conseguenza si viene a formare un dipolo elettrico.

Se indichiamo con q la quantità totale di carica elettrica positiva posseduta dalla struttura molecolare che stiamo esaminando e se chiamiamo d il segmento orientato che congiunge i baricentri dei due raggruppamenti di cariche, allora definiamo il momento di dipolo posseduto dalla struttura come:
p=qd

È possibile che il momento dipolare esista solo a seguito dell'applicazione del campo elettrico, ed in questo caso prende il nome di dipolo indotto, o che esso risulti dalle forze che concorrono alla formazione delle molecole. In questo secondo caso il dipolo è detto permanente ed esiste a priori dall'applicazione del campo.

Tutti quei materiali e sostanze che contengono dipoli permanenti vengono denominati “polari”. Le forze Coulombiane indicate in Figura 4.1 rappresentano la coppia che agisce sulle cariche quando il dipolo è immerso in un campo elettrico; un dipolo di questo tipo, che non sia orientato concordemente alle linee di forza del campo cui è immerso, tenderà a ruotare per allinearsi con le stesse. Questo fenomeno è noto come “polarizzabilità” del mezzo e si chiama vettore polarizzazione elettrica il momento di dipolo p in figura.

A partire da questi concetti, per un materiale generico (per cui, cioè, non siano univocamente definite le proprietà elettriche), è possibile definire il vettore polarizzazione elettrica come:
P=ipi

e, se consideriamo che l’intero volume del materiale in esame venga diviso in volumetti infinitesimi ∆V, si ha:
P=ipi∆Vi

Inoltre, tra i meccanismi di polarizzazione, di sicuro è fondamentale includere quello detto “di carica spaziale”. Questo meccanismo è ciò che, come ben noto, accade in un condensatore. Tra le armature dello stesso si forma una differenza di potenziale per effetto dell’accumulo di cariche positive da un lato e negative dall’altro. Questo isolamento avviene a mezzo del dielettrico frapposto o, come più comunemente accade all’interno del corpo umano, delle membrane plasmatiche, barriere di potenziale, diaframmi di separazione o vincoli specifici per le cariche. Anche in questo caso appare evidente la formazione di un momento di dipolo elettrico.

Qualora non sia presente alcun campo elettrico, il vettore polarizzazione è globalmente nullo. Per capire questo, immaginiamo un conduttore: senza che vi sia alcun campo applicato, un materiale conduttore è soggetto comunque a fenomeni di agitazione termica per cui le energie possedute dai singoli atomi li portano a muoversi ma senza che, globalmente, vi sia un flusso ordinato, ovvero una corrente di deriva o di diffusione. L’assenza di sorgenti esterne di polarizzazione porta i singoli momenti di dipolo elettrico ad essere incorrelati e, quindi, indipendenti. Questo è quello che si chiama rumore termico, o rumore Johnson.

A tal proposito, vengono di seguito richiamate due delle sue caratteristiche peculiari: la sua densità spettrale di potenza, che è una grandezza costante e di costante valore kT0 (in cui k è la costante di Boltzmann e vale 1.38 ×10-23 JK mentre T0 è la temperatura espressa in Kelvin) e, per questo motivo, con riferimento alla spettrometria, detto “bianco”, e la sua caratteristica funzione “densità di probabilità”, che è di tipo Gaussiano. Quando a questa struttura applichiamo un campo elettrico, la forza ordinatrice instaura una differenza di potenziale per la quale gli elettroni iniziano a muoversi secondo gradiente e questo rende i dipoli ordinatamente dipendenti non solo tra loro ma anche col campo applicato. Il nuovo valore assunto dal momento vale:
P= ε0χE

dove ε0 è, ancora una volta, la costante dielettrica del vuoto (vedi Capitolo 3), χ è la suscettività elettrica del materiale ed E il vettore campo elettrico applicato alla struttura.

In taluni casi, accade che l’induzione di dipoli sia più facile in alcune direzioni che in altre. Questo tipo di risposta peculiare del materiale in esame è detta anisotropia e, in questi casi, non solo la suscettività dipende dalla direzione ma il vettore P non è, in generale, parallelo ad E.

Quando campi elettrici e magnetici sono variabili nel tempo, la risposta del materiale soggetto a questi stimoli varia concordemente con l’allineamento dei relativi dipoli con le linee di forza del campo. La spinta esercitata, infatti, dalle forze dei campi su cariche libere o dipoli magnetici li porta a reagire concordemente con il tipo di stimolo. In altre parole, è lecito aspettarsi che al crescere della frequenza le cariche legate nel dipolo debbano coprire uguali distanze in tempi minori. La velocità delle cariche è, quindi, maggiore e tale sarà anche la corrente.

Quando abbiamo a che fare con onde elettromagnetiche, è possibile e necessario, definire due contributi di corrente distinti: una di conduzione, dovuta alle cariche libere, ed una di polarizzazione, dovuta ai dipoli presenti. In definitiva, se è applicato un campo elettrico, l’effetto primario che si suscita nel materiale è la generazione di una corrente elettrica la cui densità sarà proporzionale all’intensità del campo stesso. All’interno di questa, è possibile identificare due contributi, J1 in fase (cioè che mantiene la stesa fase) e J2 in quadratura (cioè che resta costantemente sfasato di π2):
J=J1+J2= σE+jωϵ0ϵrE

Il primo termine, ovvero la corrente di conduzione, è strettamente connessa alle interazioni dissipative che cariche e dipoli hanno fra loro e con la struttura, ovvero gli urti. La presenza della componente in quadratura, o corrente di polarizzazione, è sintomo di un aumento di energia immagazzinata e comporta una riduzione in termini di velocità di propagazione dell’onda nel materiale.

È ora utile analizzare il problema della radiazione elettromagnetica dal punto di vista quantistico. Anche grazie ai contributi di Einstein e Planck, è stato dimostrato che la radiazione elettromagnetica ha una natura particellare e che le particelle elementari cariche che la compongono, dette fotoni o quanti di energia, posseggono un contenuto energetico pari a:
Eυ=hυ

in cui h è la costante di Planck, pari a 6,626∙10-34 J s, mentre υ è la frequenza di oscillazione del fotone. In questo tipo di rappresentazione del materiale sono evidenziati gli stati energetici, ovvero i contenuti in termini di energia che gli atomi che compongono il materiale possiedono. Le transizioni degli atomi tra livelli energetici comportano, per gli stessi, che una certa quota-parte dell’energia che possiedono sia ceduta o acquisita a seconda che l’atomo transisca da un livello energetico a contenuto superiore ad uno inferiore o viceversa. L’interazione tra il fotone e l’atomo che si trova ad un dato livello energetico può, quindi, avvenire se e soltanto se si ha:
Eυ=∆E=E2-E1=hυ

dove, poiché supponiamo che E2>E1, stiamo trattando un fenomeno di emissione da parte dell’atomo di un fotone. Nel caso inverso, ovvero se fosse stato E2

Entrambi i fenomeni descritti si verificano per via del fatto che il sistema evolve naturalmente, o tenta di farlo, qualora possibile, verso una condizione di equilibrio.

Dalla Tabella 4.2 ci si può facilmente rendere conto che l’interazione dei campi elettromagnetici con i sistemi materiali, per quanto concerne le frequenze di nostro interesse (cioè nel range tra 850 e 1900 MHz), non può produrre variazioni permanenti di strutture atomiche e molecolari perché il valore del gap energetico necessario è di gran lunga superiore a quello del fotone. Ciò che, viceversa, si può ottenere è l’eccitazione nelle particelle di stati transazionali, rotazionali e, tutt’al più, vibrazionali.

Nell’ambito dello studio dei tessuti biologici va identificata la composizione degli stessi. Nel caso del corpo umano, è noto che il 70% del peso corporeo è costituito d’acqua, la quale permea e circonda le cellula. Al suo interno, inoltre, sono disciolti elementi di ogni tipo, da grosse molecole organiche agli ioni salini. Risulta evidente che la risposta dell’organismo allo stimolo elettromagnetico dipenderà dalle proprietà dell’acqua in relazione alla quantità in esso contenuta. In particolare, ciò che desta interesse è il tipo di legame che lega gli atomi nella molecola dell’acqua; si tratta di un legame covalente polare, ovvero di un tipo di meccanismo di legame che prevede che a legarsi siano atomi con valori diversi di elettronegatività (cioè la capacità che ha un atomo di attrarre a sé elettroni quando forma legami con altri atomi). La differenza tra questi valori non è, però, così forte da dare origine ad un legame di tipo ionico. I due atomi mettono in comune i loro elettroni spaiati tramite la sovrapposizione degli orbitali su cui si trovano gli stessi.

La coppia di elettroni, però, non è equamente condivisa fra i due atomi: il loro percorso orbitale prevede che essi si trovino più a lungo attorno all'atomo col valore di elettronegatività maggiore e questo lo rende parzialmente negativo. Al contrario, invece, l'altro atomo diviene parzialmente positivo. Da questo risulta evidente che l'avverbio "parzialmente" indica che non vi è stato un eccessivo trasferimento di carica elettrica da un atomo all’altro.

Nella molecola dell’acqua ogni atomo di idrogeno raggiunge la configurazione elettronica denominata "ottetto", ovvero il livello elettronico più esterno è completo, e l'atomo di ossigeno, che partecipando alla molecola con due elettroni spaiati, fornisce gli elettroni necessari a che questo avvenga.

La molecola dell'acqua si comporta come un dipolo; questo fenomeno è dovuto alla somma vettoriale dei momenti di polari dovute ai due legami O-H. Questo rende la molecola in questione molto sensibile alla presenza di campi elettrici e, concordemente, polarizzabile in funzione della stessa.

La risposta di una qualsiasi struttura biologica dipende anche dal tipo di stimolo a cui è soggetta; una delle grandezze costitutive dell'onda elettromagnetica è, come abbiamo visto, la frequenza. Quando questa è bassa, le proprietà dielettriche dei tessuti dimostrano una forte dipendenza con le proprietà strutturali e sono, quindi, estremamente variabili. Quando la frequenza è più alta, a partire da un centinaio di MHz, il comportamento risulta semplificato dal fatto che la risposta è determinata sostanzialmente dalle proprietà di dispersione della molecola dell'acqua e dalla conducibilità che è effetto degli elettroliti disciolti al suo interno, mentre il resto dei meccanismi di polarizzazione risulta essere inutile perché ben al di là delle rispettive frequenze di rilassamento.

È proprio per questo motivo che la percentuale di acqua presente all'interno dei tessuti ne determina la classificazione. Le tre categorie sono:

    - tessuti ad altissimo contenuto di acqua (90% o più) come sangue, liquidi organici e fluido cerebrospinale;
    - tessuti ad alto contenuto di acqua (80%) come pelle, cervello, milza, fegato;
    - tessuti a basso contenuto di acqua (50% o meno) come tendini, grasso, ossa.

Per comprendere profondamente i possibili effetti nocivi, cioè dannosi, di uno stimolo elettromagnetico di una data frequenza, si è reso indispensabile riuscire a descrivere completamente le caratteristiche elettriche dei tessuti biologici, ovvero la costante dielettrica relativa alla conducibilità di ciascun tipo di tessuto e, ovviamente, di un insieme stratificato di tessuti.

Come detto, quando un'onda elettromagnetica incide sull'interfaccia tra due mezzi materiali che abbiano caratteristiche differenti, dal punto di vista elettromagnetico, parte dell'energia trasportata da un'onda stessa viene riflessa all'interfaccia mentre la restante parte viene assorbita e trasmessa al mezzo. Proprio per effetto della differenza di caratterizzazione relativa al mezzo sul quale l'onda ha inciso, ed in funzione delle grandezze caratteristiche dello stesso, viene definita la “profondità di penetrazione”. Nel caso di materiale conduttore questo parametro è detto “spessore della pelle” ed è atto a caratterizzare quel fenomeno noto come "effetto pelle".

Data la complessa e variegata molteplicità di spessori e la stratificazione di tessuti di diversa natura e composizione di cui consta l'essere umano, è legittimo aspettarsi che la profondità di penetrazione, e con essa la quantità di energia trasmessa, vari con la regione anatomica e con la successione di strati in esame. Riportiamo in Tabella 4.3 alcuni valori indicativi.

Per esempio, un'onda di 100 MHz può penetrare il tessuto umano molle sino ad una profondità di poco più di 10 cm, mentre per una frequenza di 10 GHz, lo spessore di penetrazione è poco più di un centimetro [50].

L'indice completo degli articoli relativi alla tesi di laurea sulla interazioni e sugli effetti delle radiazioni sul corpo umano, è disponibile qui

 

 

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