La radioattività: un affascinante fenomeno fisico
La radioattività: un affascinante fenomeno fisico
Atomo dal greco ἄτομος (àtomos) - indivisibile
è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche.
La dottrina dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro: teoria degli atomi.
La storia del atomo
Con la scoperta dell'elettrone inizio l’esplorazione delle particelle che compongono l’atomo: neutroni, elettroni e protoni.
scopri l’elettrone modello atomico con il nucleo centrale
positivo
modello atomico con orbitali elettronici
Suggerì una struttura della materia
composta da sfere
1808 John Dalton 1898 J. J. Thomson 1910 E. Rutherford 1913 Niels Bohr
Particella Simbolo Carica (C)
Massa (kg)
Elettrone e- -1,6 × 10−19 9,1093826 × 10−31
Protone p +1,6 × 10−19 1,6726231 × 10−27
Neutrone n 0 1,6749272 × 10−27
L’evoluzione dell’atomo
Numero atomico: il numero dei protoni nel
nucleo
Numero di massa: la somma del numero di
neutroni e protoni nel nucleo XA
Z N Numero dei neutroni: il numero dei neutroni nel
nucleo
He42 2
A = 4Z = 2N = 2
A = Z + N
La rappresentazione di un elemento (nucleo)
Masse nucleari: unità di misuraLa massa di riferimento non è il protone o l’atomo di
idrogeno, bensì l’isotopo 12C.
Un’unità di massa atomica u è definita come 1/12 della massa del nuclide 12C
122 2711 ( ) 931.481 (MeV / ) 1.66043 10 (kg)
12 Cu M c −= = = ⋅
Particella Carica (C)
Massa (kg)
Massa(u)
Massa(MeV/c2)
Elettrone -1,6 × 10−19 9,1093826 × 10−31 5.486 × 10−4 0.511Protone +1,6 × 10−19 1,6726231 × 10−27 1.00728 938.28Neutrone 0 1,6749272 × 10−27 1.00867 939.57
191( ) 1.602 10 ( )eV J−= ×
Il carbonio (e molti dei suoi composti) è sempre
presente in uno spettro e sono particolarmente adatti
per la calibrazione.
1895 Roentgen:Scoprì i raggi X
1896 Becquerel:Scoprì la radioattività
1900-1908 i Curies:Scoprì il radio e il polonio
1897 Rutherford:Scoprì i raggi alpha e beta
I pionieri della radioattività
Nella tabella dei elementi di Mendeleev sono organizzati 118 elementi .
Tutti gli elementi con Z < 92 si trovano in natura; gli elementi con Z maggiore a quello polonio (Z = 84) sono radioattivi.
Tavola periodica dei elementi
Solo tre elementi si sono formati nel Big Bang. Tutti gli altri elementi vengono formati nelle stelle
Esistono migliaia di nuclidi!
Tabella dei nuclidi
Nuclidi con lo stesso Z ma diverso N sono detti ISOTOPI
Nuclidi con lo stesso A sono noti come ISOBARI
Nuclidi con lo stesso N sono noti come ISOTONI
Stati eccitati aventi vita media lunga (meta-stabili) sono noti
come ISOMERI
isotopi
isotoni
Stabilità nucleareI nuclei stabili si trovano solo in
una banda molto stretta nel piano Z-N. Tutti gli altri nuclei
sono instabili e decadono spontaneamente in vari modi.
A-4Z-2 N-2X
AZ NX
AZ+1 N-1X
AZ-1 N+1X
A-1Z N-1X
A-1Z-1 NXα
β −
β +n
p
Z
N
Decadimento Alfa
Decadimento Beta
Decadimento Gamma
La radioattivitàLa radioattività
La radioattività è un fenomeno fisico naturale che si verifica quando il
nucleo di un atomo instabile raggiunge un nuovo stato di
equilibrio emettendo radiazioni
1 Bq = 1 decadimento al secondo
neutroniprotoni
U92
238
He2
4
Th90
234 α
U92
238He
2
4Th
90
234
Z - 2A - 4
La radiazione alpha
neutroneprotone
Th90
234e
-1
0Pa
91
234ūe
Th90
234
Pa91
234 e-1
0
elettrone
Z + 1A
La radiazione beta-
neutroneprotone
Na11
22e
1
0Ne
10
22ue
Ne10
22
Na11
22 e1
0
elettrone
Z - 1A
La radiazione beta+
neutroneprotone
Co27
60 Ni28
60
elettrone
Co27
60
e-1
0Ni28
60
ūeCo
27
60Ni
28
60
1.17 MeV
1.33 MeV
1.33 MeV
1.17 MeV
La radiazione gamma
e-1
0
Emissione αParticella: 2p + 2n
Massa: 6.68 10-27 Kg
Carica: positiva
Penetrazione: bassa[foglio di carta]
Ionizzazione: alta [~ 105 coppie prod.]
Reazione:
Emissione γParticella: fotone
Massa: 0
Carica: neutra
Penetrazione: alta[6 cm di Pb]
Ionizzazione: bassa[~ 1 coppie prod.]
Reazione:
Emissione βParticella: e
Massa: 0.9 10-30 Kg
Carica: negativa/positiva
Penetrazione: media[1 mm di Pb]
Ionizzazione: media[~ 104 coppie prod.]
Una reazione:
…
A A 4Z Z 2X Y−
−→ α +
A * AZ ZX X→ γ +
A AZ Z 1X Y−
+→β +
Caratteristiche principali
http://atom.kaeri.re.kr/
La radioattività viene quantificata in termini di disintegrazione per unita di tempo.
1 Becquerel (Bq) = 1 disintegrazione per secondo
1 Curie (Ci) = 3.7 x 1010 Bq or 37 GBq
La storica unita di Curie (Ci) è definita come la quantità di radiazione emessa da 1 grammo di isotopo puro di radio (226Ra).
1 Curie (Ci) = 2.2 x 1012 dpm (disintegrazione per minuto)o
millicurie (mCi) = 10-3 (Ci) microcurie (uCi) = 10-6 (Ci) nanocurie (nCi) = 10-9 (Ci) picocurie (pCi) = 10-12 (Ci)
La radioattivitàLa radioattività è un fenomeno fisico naturale che si
verifica quando il nucleo di un atomo instabile raggiunge un nuovo stato di equilibrio emettendo
radiazioni
dNA Ndt
λ= − = −
0tN N e λ−=
I nuclidi radioattivi “padri decadono nei nuclidi “figli” con una velocità data da:
dove λ è la probabilità che una disintegrazione occorra nell' unita di tempo: è una caratteristica del nucleo.
A = attività
La legge universale di decadimento radioattivo
La disintegrazione del isotopo dell 226Ra
0100000200000300000400000500000600000700000800000900000
1000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Multiplicatore del tempo di dimezzamento
Num
ero
dei n
uclid
i rim
anen
ti
1000000
500000
250000125000
62500
1/ 2ln(2)tλ
=Tempo di dimezzamento (t1/2):è il tempo necessario perché il numero dei nuclidi padri diventi la metà.
1=τλ
Esistono dei parametri di tempo particolari in fisica:
Vita media (τ): è il tempo necessario perchè il numero dei nuclidi padri diminuisca di un fattore 1/e (~ 37%).
La radioattività in funzione del tempo
Tempo di dimezzamento biologico: è il tempo necessario perché l’organismo possa espellere un certo elemento.
Parametri importanti in radioprotezione:
137Cs (t1/2 = 30 anni)
1 1 1
e p bt t t= +
Vita media effettiva te in un organismo:
3 mesi 3 mesi
>3 mesi
2-3 settimane1 mese
La radioattività naturaleLa radioattività naturale (natural background) si può classificare secondo
la loro origine in due categorie generali:
- Primordiale – da prima della creazione della Terra- Cosmogenico – dai raggi cosmici provenienti dallo spazio
La dose rate effettivamedia proveniente dalla radiazione naturale è di CIRCA 2.4 mSv/anno.
La radioattività naturale primordialeNuclide Half-life Abbondanza isotopica naturale
235U 7.04 x 108 yr 0.72% dell' uranio totale238U 4.47 x 109 yr 99.2745% dell' uranio totale
232Th 1.41 x 1010 yr 100% dell’torio totale40K 1.28 x 109 yr 0.0117% dell' potassio totale
87Rb 4.75 x 1010 yr 27.835% dell’rubidio totale
BIG-BANG
D (nGy/h) = 13.2 K (%) + 5.48 eU (ppm) + 2.72 eTh (ppm)
D (nGy/h) = 0.0417 K (Bq/kg) + 0.462 eU (Bq/kg) + 0.604 eTh (Bq/kg)
o
La radioattività naturale primordiale
MUSSETT A. E., KHAN M. A. - Esplorazione del sottosuolo, un’introduzione alla geofisica applicata. Ed. Zanichelli – Bologna - 2003.
Esempio di concentrazioni di U, Th, K in alcune rocce e minerali.
La radiazione cosmica bombarda in continuo la Terra.
In fati, circa 100,000 raggi cosmici passano attraverso un
persona ogni ora!
La radioattività naturale cosmogenica
La catena di decadimento del Torio 232Th (4n)
thoron
232 208 46 4 4Th Pb He e ν→ + + +
40.4 ( )effQ MeV=
40.27 10 ( / )H W kg−= ×
Q value:
Il rate di produzione di calore:
La catena di decadimento dell’uranio 238U (4n+2)
radon
238 206 48 6 6U Pb He e ν→ + + +
47.7 ( )effQ MeV=
40.95 10 ( / )H W kg−= ×
Q value:
Il rate di produzione di calore:
La schema di decadimento dell’potassio 40K40 40 (89.28%)K Ca e ν→ + +
0.590 ( )effQ MeV=
40.22 10 ( / )H W kg−= ×
Q value:
Il rate di produzione di calore:
40 40 (11.72%)K e Ar ν+ → +
1.461 ( )effQ MeV=
50.65 10 ( / )H W kg−= ×
Q value:
Il rate di produzione di calore:
La radiazione ionizzanteLe radiazioni ionizzanti sono quelle radiazioni dotate di sufficiente energia da
poter ionizzare gli atomi (o le molecole) con i quali vengono a contatto.
La creazione di ioni positivi o negativi nella materia è un
impronta della radiazione.
Le radiazioni corpuscolari alpha e beta possono essere assorbiti in una certa materia entro un range, invece la radiazione gamma si può ridurre in intensità incrementando lo spessore del materiale secondo una legge esponenziale:
0tI I e μ−=
dove t è lo spessore del materiale e μ (cm-1) è il coefficiente lineare di
attenuazione.
L’energia di un raggio gamma è data dal relazione:
E hν=
dove h è la constante di Planck e ν è la frequenza del
onda.
Interazione della radiazione gamma con la materia
DIPENDE
Meccanismi di interazione gamma con la materiaI principali meccanismi di interazione della radiazione gamma con la materia
sono:
Effetto fotoelettrico Compton scattering
Produzione di copie
I meccanismi di assorbimento fotoelettrico e
compton scattering includono soltanto l’interazioni con i
elettroni orbitali.E hν= −Φ
Come risultato dei tre meccanismi di interazione viene emesso un elettrone.
Nel caso di fotoni di energia più grande di 1.02MeV, occorre la produzione di
copie dove l’energia elettromagnetica viene trasformata in massa.
annichilazione
Rivelatori a scintillazioneLa scintillazione viene definita come il processo di luminiscenza
(fluorescenza) in quale la ionizzazione creata dalle particelle cariche eccita il particolare materiale emettendo luce attraverso il processo
veloce (prompt) di de-eccitazione.
Organici (liquidi e plastici): Inorganici (cristali):
Il processo di scintillazione nei materiali organici succede dalla transizione nei livelli energetici della struttura di una singola
molecola e si può osservare in una specie di molecole
indipendentemente dallo stato fisico.
Il processo di scintillazione nei materiali inorganici cristallini
dipende dalla regolarità della latice cristallina e dallo stato energetico
determinato dalla latice cristallina (i elettroni possono occupare bandi
discreti di energia).
Sono stati utilizzati per la prima volta da Crookes nel 1903: un schermo dove era depositato ZnS diventava scintillante quando veniva colpito
dalle particelle alpha,Dopo Curran e Baker nel 1944 hanno creato il primo fotomoltiplicatore
creando il primo contatore a scintillazione.
Rivelatori a scintillazione
La soluzione liquida organica (prodotta dal dissoluzione di un scintillatore organico in un solvente appropriato).
Quantulus 1220 ultra low level liquid
scintillation spectrometer.
Perkin-Elmer Tri-Carb 2900TR Liquid
Scintillation Analyzer.
Scintillatori organici (liquidi)
Il meccanismo di scintillazione dipende dal stato energetico determinato dalla latice cristallina del materiale.
I elettroni possono occupare bandi discreti di energia, pertanto per crescere la
probabilità che un fotone venga emesso durante il processo di
de-eccitazione, piccole impurità vengono aggiunti al scintillatore
inorganico.
Scintillatori inorganici (solidi)
I rivelatori a scintillazione hanno una risoluzione energetica relativamente buona!
NaI(Tl) – ioduro di sodio attivato con tallio (0.2%)
Effetto fotoelettricoCompton scattering
Produzione di copie
La spettroscopia gammaLa spettroscopia gammaLa spettroscopia gamma è una tecnica spettroscopica in grado di misurare non solo l’attività specifica, ma anche l’energia dei fotoni emessi dai diversi radionuclidi.
• 238U, 235U and 232Th decay chains, 40K, 7Be
• 137Cs, 241Am, 154Eu, 155Eu, 125Sb, 60Co, 131I, 99Tc, 91Sr, 237Np (d.c.)…
~ 100 m ~ 10 m ~ 0.1 m
…in airborne …in situ …in lab
0
500
1000
1500
2000
2500
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000Energy [KeV]
Cou
nts
0
500
1000
1500
2000
2500
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000Energy [KeV]
Cou
nts
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Energy [KeV]
Cou
nts
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Energy [KeV]
Cou
nts
Potassium vs. Geological Characterization
-100
100
300
500
700
900
1100
1300
50000 52000 54000 56000 58000 60000 62000 64000 66000 68000 70000Distance (m)
K (c
ount
s)
Potassium vs. Geological Characterization
-100
100
300
500
700
900
1100
1300
50000 52000 54000 56000 58000 60000 62000 64000 66000 68000 70000Distance (m)
K (c
ount
s)
Mapping natural radioactivity
ZaNaI_1LRequests Solution Final project
Portable 1L NaI(Tl) detector ~4 kg configured in a back-bag
Quick 1L NaI(Tl) crystal for a maximal acquisition time 5 min
Action area The detector hold at 1 m height see a area of 20 m radius
Power autonomy Integrated electronics USB Digibase ORTEC – MCA – 1024 channel
Feedback Laptop EeePC AsusSoftware Maestro
Environmental parameters
USB GPS antenna, USB Temp&Humidity sensor
Energetic resolution
Energetic resolution 12.5% (662 keV 137Cs), 15% (122 keV 57Co)
~20 m
1 m
In-situ: procedura di acquisizione del spettro
No constructions Undisturbed area
acquisition time 5 min
acquisition time 20 sec
Statica Dinamica
Za_NaI: alcuni dettagliZa_NaI: alcuni dettagli
h (m) 0.1 0.3 0.5 0.8 1.0
r (m) 0.7 2.2 3.5 6 7.5
r
h
Per il detector posto ad un’altezza h, il 90% del segnale non scatterato avente E = 2614 keV) viene da un’area circolare omogenea di raggio r
ZaNaI_1L
Lo Za_NaI all’opera…Lo Za_NaI all’opera…
MCA_Rad schematic design
MCA_Rad (Multi Channel Analyzer - Radioactivity)
HPGeHPGe PbCu
MCA_Rad INFN-LNL- 2 HPGe semiconductor detectors of 80% relative efficiency each
- Energetic resolution of 0.2% at 1 MeV
- Shielded with 10 cm Cu and 10 cm of Pb
Working properties:- Automatic LN2 fill up
- Sampling volume 200cc
- Acquisition time 1h
- Automatic sample changer up to 38 samples
Misure su campioni di roccia e suolo…Misure su campioni di roccia e suolo…
1.Ricerca ed individuazione dell’affioramento, generalmente facilmente raggiungibile (vicino a
strade, sentieri …) 2.Prelievo di campione di roccia con scrittura
dell’ID_sample e data di campionamento4.Foto del campione, dell’affioramento e dell’area
circostante5.Acquizione dei dati ambientali (T, P, GPS…)6.Compilazione del Database: Rad_Nat.mdb
Rocce: procedura di campionamento
1.Macinazione dei campioni con una pestatrice (pistone ad aria
compressa)2.Pesatura, etichettatura e catalogazione del campione
3.Misura del campione
Rocce: procedura di preparazione dei campioni
1.Individuazione di un suolo nelle vicinanzedell’affioramento roccioso, rispettando le condizioni diacquisizione idonea per lo zainetto
2.Prelievo “a stella” del campione di suolo con scritturadell’ID_campione e data di campionamento
3.Foto del campione e dell’area circostante4.Compilazione del Database: Rad_Nat.mdb
Suoli: procedura di campionamento
1.Asciugatura dei suoli in forno per 12 ore
2.Pesatura, etichettatura e catalogazione del campione
3.Misura del campione
Suoli: procedura di preparazione dei campioni