Come proteggersi dai raggi cosmici

I raggi cosmici dunque penetrano la materia e rilasciano una parte della loro energia nel materiale attraversato. Se questo avviene nei tessuti biologici non si possono escludere danni agli stessi tessuti. Abbiamo anche visto (E se ci colpisce quanta energia deposita?) che una particella di bassa energia ha un rilascio maggiore per unità di percorso della stessa particella ad alta energia. Poiché stiamo parlando di energia cinetica, che equivale alla massa della particella per la sua velocità al quadrato (classicamente), man mano che la particella rilascia energia, la sua velocità diminuisce. Una particella di alta energia, rilasciando poca energia, diminuisce molto poco la sua velocità e riesce a penetrare grossi spessori. Quando la sua energia cinetica si è ridotta notevolmente la perdita di energia è elevata e la particella arriva presto a perdere tutta la sua energia e a fermarsi nel materiale. Ricapitolando, le particelle a bassa energia sono più dannose perché rilasciano molta energia nel materiale attraversato, ma fortunatamente sono poco penetranti perché hanno poca energia residua e quella poca che hanno la perdono molto in fretta.

Inoltre la formula di Bethe-Bloch (BB) ci dice che particelle diverse rilasciano energia proporzionalmente alla loro carica al quadrato. Quindi i nuclei pesanti rilasciano molto di più dei nuclei leggeri, ma a parità di energia per nucleone sono meno penetranti perché l’energia totale va circa come 2z (ipotizzando un ugual numero di protoni e neutroni), mentre il rilascio va come z².

Questo comportamento fa si che progettare uno schermo per i raggi cosmici sia molto complesso perché si deve cercare di fermare le particelle all’interno dello schermo, stando attenti a non fare uscire però troppe particelle di bassa energia (rallentando quelle di alta energia nello schermo) che sarebbero dannose. Bisogna quindi studiare lo spettro energetico delle particelle in ingresso (cioè capire a quale energia ci sono più particelle), in modo da dimensionare lo schermo per poter fermare il maggior numero di particelle.

Ma quali sono i migliori materiali per costruire uno schermo da radiazioni? Nella formula di BB la perdita di energia è proporzionale alla densità del materiale attraversato r e al rapporto Z/A, cioè il rapporto tra il numero dei protoni e il numero di nucleoni (protoni più neutroni).

Nella materia ordinaria il rapporto Z/A è quasi sempre pari a 1/2 tranne che nei materiali ricchi di idrogeno (il cui nucleo, essendo formato da un solo protone, è l’unico che non contenga neutroni) in cui questo rapporto è più grande.

Uno schermo per particelle deve quindi frenare le particelle (aumentare il loro rilascio di energia) e per fare questo nel miglior modo deve avere alta densità e essere ricco di idrogeno. Ma uno schermo di un materiale denso (chi ha pensato al piombo?) risulterebbe troppo pesante per un uso spaziale, e c’è un altro problema.

I raggi cosmici, interagendo con i nuclei del materiale schermante, hanno una certa probabilità di produrre nuclei secondari più leggeri mediante frammentazione. I nuclei dei raggi cosmici o i nuclei del materiale attraversato possono cioè spezzarsi in nuclei più piccoli. Ovviamente se il materiale dello schermo ha nuclei pesanti entrambi i contributi alla produzione di secondari sono importanti, mentre per materiali di nuclei leggeri possiamo trascurare la frammentazione dei nuclei dello schermo.

Generalmente i nuclei secondari hanno la stessa energia per nucleone dei nuclei primari, ma sono in  numero maggiore, più leggeri e quindi più penetranti. Per questo motivo si tendono ad escludere i materiali pesanti nella realizzazione di schermi per radiazione e si preferiscono invece materiali ricchi di idrogeno.

Per concludere volevo introdurre una formulazione leggermente diversa della BB che risulta molto utile proprio nella progettazione degli schermi. Se portiamo la densità al primo membro otteniamo la perdita energia non per unità di lunghezza, ma per unità di mass thickness (ovvero quanta massa c’è in una data area di materiale).

Un protone da 10 MeV, ad esempio, verrà frenato allo stesso modo da 1 g/cm² di alluminio o da 1 g/cm² di ferro, ecc. Si può quindi calcolare lo spessore che avrebbero diversi materiali per ottenere la stessa schermatura. Per rimanere al nostro esempio, l’alluminio ha una densità di 2.7 g/cm³ e il ferro di 7.9 g/cm³, quindi uno schermo equivalente da da 1 g/cm² avrà uno spessore di 0.37 cm se fatto di alluminio e di 0.13 se composto di ferro.

Per terminare la discussione volevo solo precisare che tutta la trattazione fin qui vale per i nuclei, mentre per altri tipi di radiazione (particelle più leggere come gli elettroni, radiazione elettromagnetica come i raggi gamma o i raggi X, o particelle neutre come i neutroni) i processi fisici di interazione sono totalmente diversi.