Riflessioni sul test di Fisica per Medicina

Ora che quasi tutti hanno (s)parlato sul quiz di Fisica per Medicina, dopo essermi un po' documentato, penso di poter intervenire (documentarsi è fuori moda, ma sono fatto così): sono un fisico, ho insegnato nei licei e lavorato in aziende a contatto il mondo medico: dovrei avere abbastanza titolo.

1) Definizioni: errate. L'attuale metodo del semestre filtro, è stato presentato come un superamento del numero chiuso; due errori: primo, non si tratta di un semestre. All'università, un corso annuale si compone di circa 9 mesi di lezioni, mentre un corso semestrale è attorno ai 4 mesi; qui si è trattato di 2 mesi e mezzo nel caso migliore. Se fossimo ottimisti, potremmo chiamarlo trimestrale. Per la precisione, dovrei sapere quante ore settimanali erano dedicate ad ogni corso; in ogni caso, anche condensare troppo le lezioni è dannoso: c'è bisogno di tempo a lezione finita per ricapitolare quanto visto. Secondo: non si tratta di un filtro vero e proprio: infatti, se superato, porta allo studente anche i tre esami di Biologia, Chimica e Fisica; di solito il filtro è qualcosa che taglia senza lasciare tracce. I risultati concorrono al punteggio finale di laurea.

2) Numero chiuso: sempre presente. Il numero chiuso a Medicina è sempre attivo e per un'ottima ragione: i laboratori dei vari atenei hanno un numero massimo di posti disponibili e le lezioni di laboratorio non possono essere seguite da remoto. L'unica soluzione è investire soldi in nuovi laboratori (e corrispondenti docenti); fino a quando non succederà, il numero chiuso dovrà restare. Niente complotti tesi a creare pochi medici. Non ci sono questi problemi con altre facoltà come Fisica, Informatica, Chimica... dove le iscrizioni sono basse già in partenza (spesso ci sono prove di ingresso non selettive, con lo scopo di indicare agli studenti il loro livello). Situazione mista per i Politecnici (ma non è mai stata creata questa eco per mancati ingressi ad un Politecnico).

3) Tipo di prova: corretta. Ogni facoltà doveva valutare da 1500 a quasi 5000 studenti; per farlo in tempi ragionevoli, il quiz a risposta multipla è l'unica possibilità (domande precise, risposte rapide); qui è stato deciso di inserire anche una parte a completamento (che introduce soggettività di valutazione e ambiguità nelle risposte: p.es. il tipo di moto del proiettile dovrebbe essere indicato come parabolico, ma la risposta curvo, non è errata). Per migliorare la selezione, è stato introdotto un tempo massimo: di solito da 30 a 90 secondi a domanda: nel test è stato di circa 87 secondi. Considerando la difficoltà delle domande (secondo me, si andava da circa 10 secondi a 2 minuti), direi che è stato corretto.

Per contro, un test di questo tipo deve essere progettato con molta attenzione ed è adatto solo alla verifica delle conoscenze (le competenze richiedono quesiti più complessi). Anche la preparazione per questo tipo di test è differente da una prova orale o scritta con problemi.

Ho sempre il solito dubbio: perché non ammettere le calcolatrici? È così in ogni concorso o prova pubblica; si vuole sul serio valutare se si è in grado di applicare la formula dell'effetto Doppler a mente? Non sarebbe invece meglio valutare il saper usare una calcolatrice? Chi la userà per fare 7x8 verrebbe comunque svantaggiato, dato che si fa più in fretta a mente.

4) Argomenti: adeguati. Il syllabus di Fisica (l'ex programma di esame) è molto simile alle indicazioni nazionali per un liceo scientifico, ma adattato alle necessità di un medico (no gravitazione o modelli atomici). Niente Fisica Nucleare, come ho persino letto da qualche parte. Alcune parti spesso non vengono svolte neanche in uno scientifico (alla fin fine, sono indicazioni), privilegiando lo scritto dell'esame di stato per ogni indirizzo: i decadimenti radioattivi, le radiazioni ionizzanti e non, dovevano quindi essere studiati ex-novo dalla maggior parte degli studenti. Questo avrebbe dovuto essere il contenuto dei corsi di 2 mesi che ogni Ateneo ha attivato. Considerando la durata ridotta dei corsi, mi pare ovvio che non potevano essere completi; non posso valutarli, non avendoli seguiti. Dico solo che in poco tempo, mi aspetterei una focalizzazione sugli argomenti meno svolti nella secondaria, solo ripassando quelli noti.

5) Qualità del test: media. La progettazione non è semplice: occorre prevedere dei distrattori ben fatti, possibili errori tipici nei calcoli, risposte non ambigue. Quelle del tipo "nessuna delle precedenti" vengono di solito indicate come errori di progettazione, così come le risposte ridondanti o sovrapposte. Si deve usare la stessa notazione in tutta la domanda e in tutte le risposte.

Accanto a quiz fatti molto bene, in entrambi gli appelli gli errori non sono pochi: in almeno un caso, la risposta corretta era riportata due volte; in un altro, è stata usata una notazione vettoriale in una parte di domanda e una notazione differente nella restante parte, con possibili risposte differenti. Molti errori di base: il fisico che vede scritto Km, deve interpretarlo come kelvin metro (temperatura per lunghezza): ma questa notazione è stata usata per indicare i chilometri (km). Ci sono poi cose orribili (sec al posto di s, per secondi, frutto di un errore di stampa, spero). Possono sembrare cose trascurabili e sono abbastanza sicuro che non hanno influito sul risultato finale, ma quando si tratta di valutare, si deve essere precisi. Sono poi riportati numeri letteralmente di un altro mondo, come la densità dell'acqua a 1000 kg/cm³. Se non si spende tempo a controllare quanto scritto, non si da importanza al compito e agli studenti che devono risolverlo. Almeno 2-3 quesiti non erano univocamente comprensibili, non per la difficoltà ma per come sono stati esposti. Sottolineo comunque che queste imprecisioni non dovrebbero aver influito sul risultato, che quindi è corretto (tutti avranno interpretato chilometri la sigla Km, anche se errata).

6) Difficoltà del test: media, tendente al basso. La mia valutazione è basata sulla difficoltà delle domande, considerando le conoscenze che si dovrebbero acquisire in una scuola secondaria e sulla possibilità di rispondere ad almeno 18 di esse, arrivando alla sufficienza. In pratica, c'erano almeno 18 domande a cui uno studente diplomato avrebbe potuto rispondere? Certamente sì, considerando conoscenze medie.

7) Solo Fisica? NO! Tutti si sono focalizzati sul fallimento del test di Fisica (10% di promossi), ma anche gli altri due, con il 20% di promossi, non sono da meno. Nel migliore dei casi, l'80% degli studenti non l'ha passato. E allora perché stiamo parlando solo di Fisica e non di un problema generale? Forse perché la maggior parte della gente considera Fisica come la materia più incomprensibile del creato. Salvo poi discuterne sui social come possedessero un PhD.

8) Fisica è utile al medico? Accidenti, sì (come Biologia e Chimica). Avere un'idea di cosa stia dietro un ecotomografo, la differenza tra una RM e una CT, come si comporta un fluido in una vena, è giusto faccia parte del suo bagaglio, affinato poi lungo il cammino. C'è piuttosto da chiedersi perché le tre materie non siano state considerate degne di un esame ciascuna, tutto per sé.

9) La contemporaneità degli esami può aver creato problemi? Probabilmente sì. Anche se non avrebbe dovuto. Un esame universitario annuale (9 mesi di corso) ha un carico simile (anche se una parte avrebbe dovuto essere già nota). Tuttavia è chiaro a tutti i docenti di secondaria che gli studenti sono spesso abituati a suddividere i carichi, quindi non più di una materia per volta. Tre esami separati (e completi) avrebbero risposto meglio.

Considerazioni finali

L'esperimento di una nuova gestione del numero chiuso è stato un fallimento, anche certificato dalla possibilità di backup proposta come rimedio, con il fantasma di non ricoprire tutti i posti disponibili. L'unione di esami e requisito di accesso è dannosa in partenza: uno studente che alla fine non supera uno dei tre esami, deve attendere il prossimo anno per iscriversi ad un altro corso di laurea, a meno di ulteriori capriole di regolamento. In condizioni normali, avrebbe colmato i buchi e ridato l'esame all'appello successivo. A questo aggiungiamo le tasse pagate. Allora, meglio la situazione precedente, con test d'ingresso sfrondato di domande non attinenti ed i tre esami da superare, separatamente, dopo corsi semestrali (veri).

Ora ci si troverà a non ricoprire tutti i posti disponibili, oppure ad abbassare il livello (spero di no, visto che qualcuno dovrà essere curato dai nuovi medici).

Certo, sarebbe meglio eliminare il numero chiuso e lasciar fare alla selezione naturale (al mio accesso a Fisica, eravamo una cinquantina, arrivati in fondo in meno di 20). Tuttavia, abbiamo visto che questo implica investire risorse e soldi.

Un fattore positivo (ma amaro) c'è! È finalmente visibile a tutti l'elefante in salotto (però già noto a molti docenti): c'è uno scollamento tra la preparazione in uscita dalla secondaria e quella attesa in ingresso dall'università. Semplice: se il 98% degli studenti supera l'esame finale, il filtro in ingresso all'Uni non dovrebbe segare l'80-90% degli iscritti, quando tale filtro si basa sulle conoscenze da diploma; è come se una parte misurasse in centimetri e l'altra in pollici. Quindi le conoscenze, inspiegabilmente, latitano.

Il problema, però, non è ristretto a queste: quando leggo che i tempi del test dovevano essere più lunghi, che 3 materie nello stesso giorno non vanno bene, o che durante questi test c'è troppa ansia, allora abbiamo un problema ben più grande: mancano competenze generali! Dopo cinque anni di verifiche e interrogazioni, l'ansia deve essere gestita; si deve essere in grado di ridurre i tempi, magari saltando le domandi più difficili; si deve essere capaci di portare avanti argomenti diversi in contemporanea. Le direttive scolastiche si focalizzano invece spesso su competenze più mirate, come il problem solving; ma qui siamo messi peggio: prima di aggiustare il rubinetto che perde, accertiamoci che l'acqua arrivi nei tubi.

Inutile negarlo: queste sono competenze che si sviluppano a scuola, dalla primaria fino alla secondaria. E non possiamo dare la colpa ai ragazzi di non averle sviluppate; raramente vengono loro richieste (l'ho visto da genitore, da docente e da professionista aziendale, quando si trattava di assunzioni). Sul perché questo accada, pur avendo le mie idee, preferisco non esporle: ho sempre visto che porta solo a dare la colpa agli altri, senza condurre a proposte solutive. Magari, un'altra volta.

Cominciamo a riconoscere la presenza dell'elefante nel salotto: sarebbe già un'ottima cosa.

Parliamo di nucleare - V: effetti biologici

Malattia da radiazioni: il termine indica una serie di sintomi e di effetti dovuti all'assorbimento di radiazioni ionizzanti, che possono essere interne (p.es. per aver mangiato cibo radioattivo) che esterne (per esposizione alla radiazione).

I danni non furono compresi immediatamente. Addirittura, ancora agli inizi del 1900, medicinali e acque minerali contenenti Radio venivano vendute normalmente. Solo attorno al 1930 vennero collegate alcune morti per osteonecrosi con il consumo di Radio. Tuttavia, alcuni scienziati atomici nel 1945 morirono dopo aver lavorato all'Uranio delle bombe atomiche senza alcuna schermatura.

Gli unici dati certi degli effetti da radiazione sono quelli provenienti dalle esplosioni atomiche e dagli incidenti delle centrali nucleari.

Per questo motivo, abbiamo molti dati sugli effetti delle grandi dosi, ma molto pochi (e confusi) per le basse dosi; studi sono stati effettuati per le esplosioni di Hiroshima e Nagasaki (1945) e per gli incidenti di Three Mile Island (1979) e Chernobyl (1986); tra una decina d'anni potremo aggiungere anche Fukushima.

Sappiamo perciò che i danni da radiazioni sono suddivisi almeno in tre classi:

Danni somatici deterministici

Sono i danni diretti; hanno una soglia (che rappresenta la sopravvivenza delle cellule), sotto la quale non si presentano, ma oltre quel valore, tutti ne risentono, anche se con tempi ed effetti diversi. Sono più acuti man mano che la dose aumenta. Esempi: nausea, vomito, caduta dei capelli, ulcerazioni.

Danni somatici stocastici

Non hanno una soglia, avvengono casualmente (da qui l'aggettivo stocastico) e l'intensità determina solo un aumento della probabilità del danno. P.es., per più persone esposte a radiazioni, alcune possono contrarre tumori, mentre altre no. Aumentando la dose, un numero sempre più grande di persone ne sarà affetto. Essendo casuali, anche il tempo in cui si manifestano può cambiare: un tumore alla tiroide può presentarsi 15 anni dopo l'irradiazione. È stato valutato che circa 100.000 persone morirono per tumori nei 5 mesi successivi a Hiroshima.

Danni genetici stocastici

Le cellule colpite subiscono mutazioni genetiche e aberrazioni cromosomiche (malformazioni e forme morbose), che verranno passate alle successive generazioni di cellule (e quindi a generazioni successive di umani). Sono effetti difficili da studiare, sia per la casualità che per la confusione con altre cause; per loro natura, possono presentarsi nella prima generazione, ma anche in una qualunque delle successive; alcuni danni genetici invece influenzano solo la persona esposta.

La probabilità di un effetto genetico a lungo termine è valutata attorno a 1% per ogni Sv assorbito.

Gli studi, anche su animali, dimostrano che una certa dose ricevuta in poche ore è più dannosa della stessa dose ricevuta durante più mesi: è come se le cellule riuscissero in qualche modo a recuperare le funzionalità se l'intensità è più bassa. Tuttavia, esposizioni a bassa intensità o ripetute possono provocare comunque effetti deterministici e stocastici.

È anche importante la distribuzione della dose, in quanto alcuni organi sono più sensibili di altri: quanto più breve è il turnover delle cellule, tanto più sono sensibili alle radiazioni; tra i più sensibili: i linfociti, i gameti, le cellule staminali del midollo, mentre le cellule muscolari sono tra quelle che risentono meno.

Qualche studioso afferma che alcuni animali potrebbero avere una sopravvivenza maggiore se esposti a radiazioni appena superiori al fondo naturale.

Effetti - dose

Relativamente agli effetti deterministici, i primi sintomi compaiono entro qualche ora (il periodo si riduce con l'aumentare della dose): diarrea, nausea, vomito, eritema; questi possono durare ore o giorni, dopo di che segue un periodo di latenza di più giorni in cui la persona esposta sembra stare bene. In seguito arriva la fase acuta, con disturbi complessi: cutanei, gastro-intestinali, variazioni nella composizione sanguigna, fino ad arrivare a disturbi cerebrali e vascolari.

Fino a 10 mSv: è il range della radiazione di fondo, considerando la radiazione cosmica, le esposizioni mediche normali (p.es. radiografia del torace), radiazione interna da Potassio. Per paragone, un volo aereo di 10 ore provoca un'esposizione di circa 0,03 mSv.

Fino a 0,5 Sv (500 mSv): nessun sintomo visibile; in qualche caso si può avere una riduzione temporanea dei globuli bianchi, che può rendere più esposti a infezioni..

Fino a 1 Sv: cefalea, danni temporanei al sistema immunitario, con rischio di infezioni, la cui gravità dipende dall'agente infettante; temporanea diminuzione della fertilità. Mortalità molto bassa, per decorso delle infezioni.

Fino a 2 Sv: nausea e vomito per circa un giorno, periodo senza sintomi per 10-15 giorni, poi malessere generale e aumento delle infezioni, sterilità temporanea, aborto spontaneo. La mortalità è del 10% ai 30 giorni dall'evento.

Fino a 3 Sv: nausea e vomito per circa 2 giorni e, dopo 1-2 settimane, malessere generale, perdita di capelli nel 50% dei casi,  drastica riduzione dei globuli bianchi, con conseguenti infezioni sul genere provocato dall'AIDS, possibile sterilità permanente. Mortalità del 35% ai 30 giorni; qualche mese per l'eventuale guarigione.

Fino a 4 Sv: nausea, diarrea, emorragie sotto-cutanee e renali; mortalità del 50% ai 30 giorni.

Fino a 6 Sv: i sintomi sono gli stessi del punto precedente, ma più acuti; la mortalità ai 30 giorni passa dal 60% al 90%, per infezioni ed emorragie interne. Può diminuire leggermente in presenza di terapia medica intensiva.

Fino a 10 Sv: oltre ai sintomi precedenti, in breve tempo, il midollo osseo viene distrutto e l'unica possibilità di sopravvivenza è un trapianto di midollo; i tessuti intestinali sono gravemente danneggiati. Mortalità al 100% ai 15 giorni; in qualche raro caso, i soggetti sono sopravvissuti, ma senza recupero completo.

Fino a 50 Sv: mortalità del 100% in 7 giorni, tramite coma e delirio; nessuna terapia possibile.

Più di 50 Sv: la morte avviene entro qualche decina di ore.

Nota: l'espressione "mortalità ai 30 giorni" è solo una misura dell'immediatezza; persone esposte p.es. a 2 Sv sono morte dopo 40-50 giorni.

Come detto sopra, la tabella non tiene conto dei fenomeni stocastici e genetici, per i quali si hanno meno dati, ma che indubbiamente esistono e sono, appunto, casuali: si può solo verificarne l'aumento percentuale. Si stima che per un'esposizione di 10 mSv oltre il fondo naturale, possa provocare la morte per tumore allo 0,06%, percentuale molto bassa ma misurabile (6 persone su 10.000).

Per chi vuole approfondire, consiglio di partire dal sito del controllo ambientale americano.

Parliamo di nucleare - IV: Misura delle radiazioni

Per poter ragionare dei possibili danni da radiazione, occorre conoscere come queste sono misurate. Attualmente coesistono due sistemi di unità di misura: le cosiddette "vecchie unità" e quelle più recenti del Sistema Internazionale (SI); ufficialmente sono valide soltanto le unità SI, ma le vecchie erano entrate quasi nel linguaggio comune, per cui capita spesso di vederle ancora usate. Tuttavia, diffidate di un comunicato "ufficiale" che usa le vecchie unità: probabilmente non è così ufficiale come sembra!

Le unità SI si riferiscono alla quantità di energia che la radiazione lascia nel materiale attraversato; più è l'energia rilasciata, più in genere è alto il danno alla materia: si può andare da una semplice perturbazione, fino alla creazione di particelle e alla rottura di legami interni, che possono creare elementi che prima non esistevano, magari instabili e quindi radioattivi.

Attività: misura quanto un materiale è attivo, dando il numero di disintegrazioni (cioé decadimenti radioattivi) nell'unità di tempo. Si misura in becquerel (Bq), definito come l'attività di un radionuclide che presenta una disintegrazione al secondo.

In precedenza, si usava il curie (Ci), unità molto grande (1 Ci = 37 GBq), pari all'attività di un grammo di Radio-226.

L'attività quindi è un numero che dà l'idea della potenza di una sorgente, ma prescinde dall'energia e dal possibile danno.

Dose assorbita: come dice il nome, misura l'energia assorbita da un materiale; l'unità è il gray (Gy), pari all'energia di 1 joule per chilogrammo di materia (1 Gy = 1 J/kg). La vecchia unità era il rad (1 Gy = 100 rad). Da notare che per esposizioni di raggi x e gamma, si usava il roengten, che oggi non ha un corrispettivo SI: misurava la carica prodotta dalla radiazione in un centimetro cubo di aria. Era facilmente misurabile, in quanto bastava misurare la tensione ai capi di un condensatore si cui si accumulava la carica, ma oggi è in disuso.

La dose assorbita nell'unità di tempo Gy/s è anche chiamata intensità di dose e spesso è la misura più interessante, p.es. per calcolare quanto tempo un uomo può ricevere una certa radiazione prima di subire danni irreparabili.

Dose equivalente: misura gli effetti biologici di una radiazione, considerando come riferimento i raggi x e gamma e si misura in sievert (Sv). Come accennato nella puntata precedente, se una radiazione è composta da raggi x, molto energetici ma con poca probabilità di interagire con le cellule del corpo, può produrre un danno minore di una radiazione alfa, che scarica tutta la sua energia in uno volume piccolissimo. La dose equivalente tiene infatti conto del tipo di radiazione, usando un fattore di qualità diverso nei vari casi. Vediamo qualche esempio di fattore di qualità:

raggi x/gamma: w = 1;

raggi alfa: w = 20;

neutroni: w variabile da 3 a 11, a seconda dell'energia

Quindi per i fotoni 1 Gy = 1 Sv, mentre per la radiazione alfa 1 Gy = 20 Sv. In altre parole, la conoscenza della dose equivalente prescinde dal tipo di radiazione.

In precedenza, l'unità usata era il rem, con lo stesso significato, ma relativo alla dose in rad; oggi non dovrebbe essere più usato.

Esiste ed è utile anche la misura di Dose Efficace, data dalla somma delle dosi equivalenti ai vari organi del corpo, pesati ciascuno con la sua sensibilità alle radiazioni. Per esempio, il cristallino dell'occhio o le gonadi sono più sensibili (cioè possono avere più danno da radiazioni di una mano, a parità di intensità); allo stesso modo, un'organo insensibile ad una radiazione esterna, può essere molto sensibile ad una interna (p.es. cibo radioattivo) L'unità di misura è sempre il sievert.

Ora abbiamo i mezzi per parlare dei danni: alla prossima puntata!

Parliamo di nucleare - III: Le radiazioni

 

Detto semplicemente: la radiazione è il fenomeno secondo il quale una quantità di energia si trasmette in natura; la Fisica insegna che tale energia trasportata è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: più alta è l'energia, minore è la lunghezza d'onda. Esempi di radiazione sono, dalla bassa energia a quella alta: onde elettriche, onde radio, microonde, infrarossa (cioè calore), luce visibile (dal rosso al blu), ultravioletti, raggi x, raggi gamma.

La pericolosità dipende dall'energia totale: il calore (infrarossi) di un termosifone non ci spaventa, ma quello di un forno sì; la luce del sole è utile ma suoi ultravioletti ci possono ustionare; una radiografia aiuta a curarci, ma fare 10 TAC in un mese può provocare danni. Anche la densità di energia ha importanza: prendere il sole può renderci rossi come gamberi su tutto il corpo, ma raggi x concentrati in un punto possono distruggere le cellule. Inoltre, le radiazioni più energetiche, dall'ultravioletto lontano, ai raggi x e gamma, sono in grado di ionizzare le cellule, cioè cedere loro energia provocando la rottura dei legami cellulari.

Il tipo di radiazione che ci interessa in questo momento è quella a più alta energia e quella generata da particelle che costituiscono l'atomo ed il nucleo: elettroni (radiazione beta), nuclei (particelle alfa), raggi x e gamma (fotoni) e in generale particelle elementari (p.es. protoni e neutroni), cioè le radiazioni ionizzanti.

I fotoni sono energia allo stato puro: non hanno massa, ma viaggiano in "pacchetti" (in fisica, parlare di radiazioni o particelle è un po' la stessa cosa!): quando urtano un nucleo, possono cavarne fuori particelle e generare materiali instabili; se colpiscono materia organica possono semplicemente deviare traiettoria, ma anche cedere parte della loro energia (o tutta) alle cellule, che quindi possono "scottarsi": si va dal nessun effetto, alla morte della cellula, alla creazione di cellule tumorali alle modifiche delle informazioni nel DNA, provocando mutazioni genetiche (non sempre dannose, visto che si crede che in qualche modo abbiano generato la vita sulla Terra).

Una cosa simile vale per protoni, neutroni e nuclei, con la differenza che questi hanno massa: sono quindi proiettili, che possono essere frenati p.es. anche solo dalla pelle, ma per contro rilasciano tutta la loro energia in una zona piccolissima, con probabilità di creare grandi danni in quel punto; in più le particelle cariche (p.es. i protoni) interagiscono ulteriormente con le cellule proprio per la loro carica elettrica. Quindi, esporsi ad una sorgente di particelle alfa potrebbe creare al massimo un neo sulla pelle (se la dose non è troppo alta), ma se mangiamo verdura contenente le stesse particelle alfa, il danno viene creato all'interno del corpo, non protetto dalla pelle, con altissima probabilità di danni irreversibili a tutto l'apparato gastro-intestinale. Giusto per farsi un'idea, pensiamo ad una palla di biliardo lanciata su un gruppo di altre: dopo qualche urto si ferma (perde tutta la sua energia), ma le altre palline sono sparse per tutto il biliardo; se il gruppo iniziale fosse un nucleo, alla fine lo stesso nucleo è sparpargliato ovunque!

C'è ancora un effetto di cui tenere conto: se spariamo una palla di cannone contro una mosca, sarà molto probabile che la mosca ne esca indenne, anche se sarà certamente colpita; se invece sparassimo uno spillo, sarebbe molto difficile colpire la mosca di prima, ma se dovesse succedere, non avrebbe scampo. È un esempio un po' ridicolo per spiegare un principio fondamentale: una radiazione a grande lunghezza d'onda (p.es. le onde radio) interagisce certamente con il corpo umano, ma non potrà generare effetti, se non un po' di riscaldamento: l'onda non vede la nostra struttura interna, due cellule vicine saranno sollecitate allo stesso modo: è come guardare una persona ad occhio nudo, ne vediamo le forme ma non la struttura. Se invece un uomo è bersaglio p.es. di un neutrone (o di raggi x, ecc...), la loro lunghezza d'onda è piccolissima, quindi vedono e interagiscono con la struttura interna: il protone urta non contro l'intero corpo ma contro un singolo nucleo e può dare energia (spostarlo, cambiarne lo stato, ecc...) solo a lui. Ecco perché dai raggi x in su c'è rischio di danni interni a livello nucleare, mentre un forno (infrarossi) può al massimo ustionare (danno generale esterno).

Riassumendo: raggi x e raggi gamma sono pericolosi per la loro alta energia che può essere passata alle cellule, sia per esposizione esterna che interna, per le quali non c'è differenza: i raggi x e gamma passano tranquillamente attraverso il corpo, solo alcuni vengono assorbiti (e sono quelli dannosi).

Le radiazioni beta e alfa, invece creano pochi danni se la sorgente è esterna (sempre per dosi basse), mentre rappresentano un disastro se mangiate. Discorso a parte per i neutroni, la cui pericolosità dipende dalla loro energia (ma sono comunque più dannosi dei raggi x).

Prossima puntata: come misurare le radiazioni?

 

Parliamo di nucleare - II: centrali a fissione

In questa seconda parte, dovrò fare ricorso a qualche nozione di Fisica, indispensabile per avere un'idea di come funzionano le centrali a fissione.
Prima di tutto, definiamo l'energia di legame come l'energia che devo spendere per dividere un nucleo nelle sue componenti fondamentali (protoni e neutroni), tenuti insieme nel nucleo da una forza estremamente potente. Per fare un paragone, pensiamo all'energia che devo spendere per separare due calamite che si attraggono.
Nel mondo dei nuclei succede però una cosa divertente: prendiamo un nucleo pesante, p.es. Uranio, pesiamolo in qualche modo (è possibile, anche se non si può usare una bilancia :-), poi dividiamolo in due parti e pesiamo i due "figli": questi pesano meno del nucleo di partenza! È come se un sacchetto di pane pesasse di più delle singole pagnotte che contiene!
La differenza (difetto di massa) si è semplicemente trasformata in energia! E questa energia può essere usata per scaldare dell'acqua o per altre cose! È facile calcolare quanta energia si può ottenere utilizzando la famosa relazione di Einstein E=mc², dove c rappresenta la velocità della luce, un numero enorme. Se potessimo sfruttare tutta l'energia disponibile, un solo grammo di materia ci fornirebbe qualcosa dell'ordine dei Mega joule; in pratica questo non è possibile, per varie cause tecniche e teoriche.
Giusto per poter fare confronti corretti, l'efficienza di trasformazione in energia elettrica è (numeri migliorativi approssimati):

• centrale nucleare a fissione = 35%
• motore a scoppio (benzina) = 25%
• ciclo combinato a metano = 55%

Il principio delle centrali a fissione è proprio questo: spezzare i nuclei di Uranio in nuclei più piccoli e catturando più energia possibile, p.es. scaldando acqua.
Ma come facciamo a dividere i nuclei? Usando dei proiettili nucleari, in questo caso neutroni. Questi sono vantaggiosi per due motivi: il neutrone è... neutro! Quindi può avvicinarsi con maggiore facilità al campo del nucleo, senza spendere troppa energia per superare il campo elettrico. Secondo: quando il nucleo si spezza, vengono espulse le parti che non servono ai nuclei figli, guarda caso si tratta di altri neutroni, pronti a spezzare altri nuclei. Ecco la reazione a catena: basta creare i primi neutroni, che la reazione si auto-sostiene. Anzi, è necessario inserire materiali che catturino i neutroni in eccesso, altrimenti in un tempo brevissimo una buona parte dei nuclei viene spezzata, viene espulsa moltissima energia e si ottiene... la bomba atomica!
Quindi i reattori a fissione sono delle "bombe atomiche mancate": al loro interno sono previsti materiali che assorbono neutroni (Cadmio, Boro,...) e che controllano l'intensità della fissione. Tali materiali sono sempre calcolati in eccesso: in caso di problemi vengono "iniettati" in quantità tale da assorbire la maggior parte dei neutroni e da spegnere la reazione a catena; questo è il motivo per cui oggi nessuna centrale a fissione può esplodere come una bomba: in caso di problemi, barre di Cadmio, Boro, ecc... vengono automaticamente lasciate cadere nel combustibile, arrestando immediatamente la reazione.
Questo arresto è però differente dallo spegnimento: infatti il combustibile nucleare (esausto o meno) è radioattivo: anzi, emette talmente tanta radiazione sotto varie forme (alfa, beta, gamma), tanto da scaldare velocemente (radiazione=energia) il materiale circostante, fino alla possibilità di fondere il recipiente che lo contiene. Quindi l'acqua di raffreddamento deve continuare a circolare a portata normale anche se la reazione a catena è spenta, altrimenti il nocciolo comincia a fondere, attraversando tutto quello che trova sulla sua strada (effetto chiamato Sindrome Cinese).
In condizioni normali, spenta la reazione a catena, resta il cosiddetto Calore di Decadimento, che rappresenta una piccola frazione rispetto alla potenza di funzionamento (attorno al 7%); tuttavia, l'enorme numero dei nuclei di Uranio presenti fa sì che il calore totale da eliminare sia ancora grandissimo: anche se dopo una settimana siamo attorno allo 0,3%, è pur sempre in grado di fondere il recipiente del nocciolo. Questo problema deve essere affrontato anche per i depositi di scorie (dopo un anno una tonnellata di Uranio esausto può produrre ancora circa 10kW di calore).
Nella prossima puntata vedremo cosa intendiamo per radiazione.

Luce elettronica

Se elettroni liberi subiscono un'accelerazione (come per esempio succede quando qualcosa li fa cambiare direzione), emettono radiazione; se i parametri sono impostati un certo modo, la radiazione è nel visibile ed otteniamo luce.
Questo infatti è il meccanismo dei laser a elettroni liberi, dove un pennello di elettroni è fatto passare attraverso un campo magnetico oscillante; questo fa cambiare continuamente traiettoria agli elettroni, che in risposta a queste accelerazioni emettono luce visibile, il cui colore dipende dall'energia degli elettroni e dall'azione del campo magnetico. Si può addirittura fare in modo che la luce emessa sia coerente, ottenendo quindi un'emissione laser.
Il problema è però sempre stato nel costo di produzione del campo magnetico e nelle dimensioni dell'apparecchio: solo alcuni laboratori possono permettersi una simile sorgente.
Adesso invece sembra esserci una possibilità per inserire tutto questo meccanismo in un singolo chip! N. Zheludev ed il suo team dell'Università di Southampton ha dimostrato la fattibilità di un nuovo metodo: il campo magnetico oscillante viene sostituito da strati alternati di Oro (metallo) e Silicio (dielettrico), al centro dei quali è stato praticato un microforo di circa 700 nanometri dove viene iniettato il pennello di elettroni. Questi passano quindi in stretta vicinanza degli strati di metallo e dielettrico: l'effetto è simile a quello del campo magnetico, indicendo gli elettroni a emettere radiazione, la cui lunghezza d'onda può essere variata cambiando l'energia del pennello elettronico.
Gli esperimenti hanno già mostrato la possibilità di ottenere luce dal visibile all'infrarosso con una densità di potenza di circa 200 W/cm²! Tuttavia le potenzialità sono ancora maggiori: i ricercatori stanno cercando infatti di migliorare l'efficienza del dispositivo (solo 10-5 fotoni emessi per ogni elettrone), riducendo l'energia luminosa persa all'interno del wafer. Se questo obiettivo verrà raggiunto, diventerà possibile passare anche all'emissione laser.
Comunque, già in questo stadio, si può pensare ad una sorta di rivoluzione nella nanofotonica.

Solare? Sì, ma a vapore.

Al momento questa sembra la strada da seguire per ottenere energia dal Sole: non fotovoltaico, cioé conversione diretta da energia solare a energia elettrica, bensì solare termico, dove l'energia del Sole viene usata per portare acqua all'ebollizione, il cui vapore mette in rotazione una turbina.
Infatti, è stato pianificata la più grande centrale solare termica mai costruita (1300 megawatt) nel deserto fuori LosAngeles. Se tutto andrà come previsto, verrà quindi fornita più potenza di una qualunque centrale nucleare. I tempi non sono immediati, in quanto la prima delle sette installazioni dell'impianto comincerà a produrre energia nel 2013, fornendo circa 100 megawatt di potenza di picco.
Al momento ovviamente questi sono numeri sulla carta, ma la società che sosterrà questa sfida non è nuova nel solare: infatti, già negli anni '80 aveva messo in opera una centrale solare nel deserto Mojave, ancora attualmente in funzione.
Al termine dell'installazione, la centrale occuperà circa 42 km quadrati; i costi a regime dovrebbero essere in linea con quelli del gas naturale.
La normale tecnologia solare termica prevede che i raggi del Sole vengano concentrati, tramite uno specchio a parabola, su un recipiente contenente liquido. Ma per generare maggiore potenza,la nuova installazione sarà composta da un enorme numero di specchi piani motorizzati, in grado di seguire il Sole nel suo moto quotidiano, concentrando i raggi tutti su una torre, dove si trova il liquido da mandare in ebollizione. Anche se lo schema è diverso, il principio è lo stesso usato da Rubbia per la sua centrale solare in Spagna.
I due principi, termico e fotovoltaico, stanno provando ad ottenere la massima energia dal Sole: mentre il secondo diminuisce i costi ed è ancora piuttosto giovane (il prototipo fu realizzato circa 50 anni fa), il primo si basa sulla grande conoscenza delle turbine, in uso almeno dalla rivoluzione industriale, in qualunque tipo di produzione di energia, dal carbone alle centrali nucleari.
Un qualcosa di simile dovrebbe essere in costruzione nella nostra Sicilia, tra lentezze e fermate...

Quantum Computing

Parole misteriose, se ne parla da un po'. Vediamo di capire di cosa si tratta; è solo una piccola introduzione: chi è interessato può utilizzare i link forniti.
Intanto notiamo che nei passati decenni le CPU sono andate nella direzione di inglobare sempre più cose al loro interno: dai pochi byte di registri interni alle attuali cache e decine di registri. Il tutto rientra nel principio di ridurre il più possibile le dimensioni, per aumentare la velocità. La prossima generazione di processori avrà una scala ancora minore, ma prima o poi verrà raggiunto un limite tecnologico, oltre il quale non si potrà andare; già oggi vengono costruiti componenti inferiori al micron e magari arriveremo a progettarne di quelli composti da pochi atomi.
A quel punto, però il modello di natura che conosciamo non funziona più: come sappiamo, infatti, il molto piccolo si presenta secondo i modelli dalla meccanica quantistica. E come effetto collaterale, oltre al prevedibile aumento di velocità, ci troveremo ad avere delle logiche completamente diverse, basate appunto sulla natura quantistica. Nascerà (anzi, è già nata) una teoria dell'informazione quantistica, che sposa l'Informatica con la Fisica Quantistica. L'introduzione a livello tecnologico dei nuovi principi dovrebbe portare ad una sorta di rivoluzione, la prima dell'informatica: in effetti, i suoi principi sono finora sempre stati gli stessi della partenza, con progressi solo sulla velocità e sulle dimensioni.

Sappiamo che i computer utilizzano da sempre una rappresentazione binaria della realtà, in cui ogni grandezza può prendere uno solo dei valori 0 e 1, oppure vero e falso, aperto e chiuso. Dal punto di vista tecnologico, di solito i due livelli si differenziano per una tensione (volt), ma si possono utilizzare anche altri metodi: carica elettrica su un condensatore, polarizzazione destra o sinistra, ecc... Ma quando entriamo nella Meccanica Quantistica, si scopre che se un sistema può esistere in 2 stati, allora può esistere anche in una molteplicità di altri stati ottenuti come sovrapposizione dei 2 di partenza. Questi stati sono piuttosto strani, certamente non intuitivi: non sono direttamente visibili (misurabili) poiché non appena si fa una misura per vedere in che stato è il sistema, troveremo sempre e soltanto uno dei due di partenza. Tutto come se l'operazione della misura influenzasse il sistema e lo facesse cadere su uno dei stati normali.
L'applicazione di questo principio a sistemi macroscopici porta a dei paradossi, ma per spiegare il concetto, anche se non corretto, può bastare il seguente esempio: supponiamo di aver pescato una pallina da un sacchetto contenente palline bianche e nere in ugual numero, senza guardarne il colore e mettiamola in una scatola, che chiudiamo. Finché non la apriamo, non potremo dire con sicurezza di che colore è la pallina; al massimo, diremo di avere il 50% delle probabilità che sia bianca, ma anche che sia nera. Secondo la Fisica Quantistica, il sistema "pallina pescata dal sacchetto e messa nella scatola" si trova allora in uno stato ibrido, composto per il 50% dal colore bianco e per il 50% dal nero. Ora facciamo una misura, cioé apriamo la scatola per vedere il colore della pallina: non la vedremo grigia, ma soltanto bianca o nera. La misura ha distrutto lo stato ibrido e fatto cadere il sistema in uno dei 2 stati noti.
Qualcuno potrebbe chiedere che senso ha introdurre uno stato ibrido se non posso misurarlo; la risposta è che ci sono esperimenti (non sulle palline, eh!) che mostrano come i fotoni, elettroni e simili, interagiscono con l'ambiente proprio come fossero in questo stato ibrido; la probabilità finale del risultato di una misura deve tener conto che la "pallina quantistica" ha in sé tutti gli stati che gli sarebbero permessi, anche se la misura ne mostra solo uno .
Se indichiamo con |i> questo stato ibrido, mentre |b> è la pallina bianca e |n> la nera, si usa dire che:
|i> = x |a> + y |b>
dove x e y sono numeri legati alle probabilità di trovare la bianca o la nera.

Passando all'informatica, consideriamo un bit: i possibili valori sono [0, 1] ma solo uno dei due è registrato. Nel caso quantistico, un qubit (equivalente quantistico del bit) in generale avrà un valore ibrido, sovrapposizione di 0 e 1. Cioé un qubit conterrà entrambi i valori! Allo stesso modo, mentre un registro a 3 bit può tenere un solo numero nell'intervallo 0-7, un registro a 3 qubit potrà tenere tutti gli 8 numeri! In generale, N qubit possono contenere 2^N numeri, come sovrapposizione dei possibili stati! Un esempio che si trova ripetutamente in rete dice che un registro a 200 qbit (idealmente composto da 200 atomi) invece di un numero solo, potrebbe conservare tanti numeri quanti sono gli atomi dell'universo... :-)
Appena avviene la lettura, nel qbit si trova solo uno dei possibili numeri; ma se noi questa lettura non la facciamo? Allora il computer quantistico può effettuare calcoli usando tutti i possibili numeri, nello stesso momento! Come risultato avremo ancora uno stato ibrido: avremo ottenuto un calcolo in parallelo nel tempo che richiede una singola operazione, come se avessimo 2^N processori.

Naturalmente, le regole quantistiche ci dicono che, al momento della misura, il valore sarà quello atteso ma con una certa probabilità! In altre parole, la nuova Informatica Quantistica deve progettare delle procedure che portino la probabilità del risultato corretto vicina al 100%, altrimenti potremmo ottenere anche risultati errati!

Un esempio pratico. Gli ordinamenti di una lista sono tra le operazioni più dispendiose, dovendo in media leggere almeno metà degli elementi della lista, ma un computer quantistico può ottenere tutta la lista con un solo accesso alla memoria; è stato dimostrato che su una lista di 1 milione di elementi, si arriva ad un risultato con probabilità 50% con solo 1000 operazioni.
Si prevede che l'applicazione migliore del Quantum Computing sia nei casi in cui i dati vengono generati da un algoritmo: in un software di scacchi: in una singola operazione sarebbe possibile esaminare moltissime varianti. Come rimarcato in alcune pubblicazioni de Le Scienze (purtroppo non ricordo il titolo), computer del genere sarebbero in grado di decifrare qualsiasi algoritmo di criptazione: una chiave a 256 bit verrebbe superata in una decina di minuti! Naturalmente, si sta sviluppando un nuovo tipo di crittografia (quantum cryptography) con lo scopo di far ridiventare possibile la trasmissione sicura; per esempio creando stati quantistici in grado di generare sequenze casuali identiche, sapendo che se uno stato arriva a destinazione in un certo modo, non è stato certamente intercettato.

Se la teoria sta avanzando speditamente, non così la tecnologia necessaria: nella meccanica quantistica è facile interagire con l'ambiente e quindi perdere coerenza, cioé influenzare il sistema, generando errori. La quantum error correction ha lo scopo di ridurre le interferenze spurie, portando a computer che possono sopportare un
certo livello di errore. Nei laboratori IBM è stato realizzato un computer a 7 qubit, utilizzato per scomporre in fattori primi il numero 15. Sembra nulla, ma il passo è importante.

Se siete interessati, potete esaminare il sito Qubit oppure Quantum Computing FAQ ed anche l'ottima Introduzione, da cui ho tratto spunto per questo post.

Polonio, lo sconosciuto?

Notizie e supposizioni a non finire sulla vicenda degli avvelenamenti a base di Polonio. Ma di cosa si tratta?
Elemento presente in natura con concentrazioni basse, può anche essere prodotto per irradiazione di altri materiali. Ha una vita media (cioé dimezza la sua attività) di 138 giorni: pur essendo un decadimento veloce, resta comunque presente per un certo periodo. La sua emissione avviene soprattutto per particelle alfa e raggi gamma a bassa intensità. Viene spesso utilizzato in reparti produttivi per eliminare l'elettricità statica.
La radiazione alfa ha una particolarità che la distingue dagli altri tipi: essendo in pratica un nucleo di Elio (2 protoni + 2 neutroni), è una particella piuttosto pesante ed avendo una carica elettrica, interagisce facilmente con la materia. Insomma, una particella alfa viene fermata anche da spessori molto piccoli: un foglio di carta, lo strato superficiale della pelle composto da cellule morte. Questo porta al fatto che in condizioni normali il pericolo da alfa è molto basso.
Se però un composto alfa-emittente viene ingerito o inalato può compiere grossi danni. Infatti, dato che la alfa viene quasi immediatamente frenata dalla materia che incontra, deposita tutta la sua energia in spazi piccolissimi; se la materia è p.es. stoffa o i primi strati epidermici, nulla succederà: l'energia viene dissipata e la alfa è neutralizzata. Ma se la materia è p.es. lo strato interno dello stomaco, tale energia distruggerà tutto al suo intorno, cioé cellule vive della parete gastrica. E' come se avessimo inserito un cavallo di Troia al nostro interno: finché resta fuori non c'è problema, ma all'interno non ci sono difese. Se la quantità ingerita è sufficientemente alta, la morte è quasi sicura.
Perciò è quasi impossibile restare irradiati solo transitando vicino ad una persona che ha ingoiato Polonio, a meno che non ci siano polveri che possano essere inalate oppure, in caso di cure cliniche, se si viene a contatto con i fluidi corporei, che contengono una buona concentrazione dell'attività totale; o ancora, in caso di contatto tra una sorgente ed una ferita, che possa far arrivare la sorgente stessa all'interno del corpo.
Ovviamente, questo ne fa una sorta di arma per omicidi selettivi: si può colpire un bersaglio inducendolo in qualche modo a inghiottire una sorgente alfa, senza che questa danneggi persone vicine; naturalmente senza contare il trasporto della suddetta sorgente fino a dove serve... Però il trasporto può essere fatto in modo sicuro, con piccole schermature.

I sintomi sono quelli tipici da radiazione: vomito, nausea, diarrea; tanto più violenti quanto maggiore è stata l'irradiazione, fino ad arrivare alla distruzione del midollo osseo (molto sensibile alle radiazioni), aumento delle infezioni e perdite ematiche.
Per avere danni riscontrabili, la dose assorbita deve essere superiore a circa 1 sievert; per dare un termine di confronto, una radiografia del torace si aggira sui 20 milionesimi di sievert ed il fondo naturale di radiazione è attorno a 2 millesimi di sievert all'anno. Per una radiazione di 4 sievert (non curati) la mortalità entro 30 giorni è di circa il 50%.

Spero di aver dato un quadro comprensibile, per ridurre un po' di rumore. Forse dipende anche dal fatto che non conosciamo sul serio le situazioni di cui si parla. Mi piacerebbe infatti sapere dove sono state trovate le tracce di radioattività nei locali e sugli aerei; si trattava di polveri? Allora il problema ci sarebbe.

Parte ITER

International Thermonuclear Experimental Reactor cioé ITER. E' un progetto praticamente con partecipazione mondiale per lo studio e la realizzazione di un prototipo di reattore a fusione, quel procedimento che avviene sulle stelle e che si sta inseguendo un po' in tutto il mondo.
Ora questo progetto vede la partecipazione dell'Europa, USA, Giappone e tanti altri. Partendo dalla configurazione a tokamac (plasma contenuto all'interno di campi magnetici) dovrà arrivare a produrre più energia di quanta ne consumi per l'accensione ed il mantenimento.
La fusione è quel procedimento secondo cui, partendo dall'Idrogeno si produce Elio (gas inerte) ed una grande quantità di energia (procedimento già utilizzato in alcuni tipi di bombe, in cui ovviamente non c'è bisogno di controllare la reazione...). Naturalmente, anche se sarà un ottimo passo avanti, non è tutto oro quello che luccica. Infatti occorre partire sì dall'Idrogeno, ma usandone una parte di deuterio e trizio, cioé Idrogeno radioattivo; questi verrebbero generati all'interno del reattore partendo dal Litio, comune in natura, anche se non come l'Idrogeno.
La radioattività che verrà creata all'interno del reattore avrà una vita media ben più corta (circa 100 anni) rispetto a quelle dei materiali usati nei reattori a fissione attuali; comunque è fuori dubbio che ci sarà, per cui la sicurezza dovrà essere un punto importante.
La data prevista è il 2007 ed il reattore nascerà nel Sud della Francia (dove, tra l'altro, esistono le altre centrali, a fissione, francesi); potenza prevista: circa 500MW, ma agli inizi sarà prodotta per circa un'ora, fino a che non si troverà il modo di rendere stabile la produzione di energia.
Stranamente (ma lo dico nel senso buono) al progetto partecipa anche l'Italia: ENEA, CNR e INFN (tutti a buon titolo, ma non poteva essere un'organismo solo?).
Il mondo è già in ritardo su questo tipo di fonte di energia (come, a dir la verità, anche su molte altre); speriamo che questo sia il primo segnale.