RADIAZIONI

Radiazioni elettromagnetiche Raggi X e raggi

Radiazioni corpuscolari Particelle , , protoni,

neutroni, ....

IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI

PARTICELLE O DI UNONDA ELETTROMAGNETICA E DESCRITTO

DAL TERMINE RADIAZIONE

RADIAZIONI

particella simbolo carica (e) massa (u.m.a) massa (MeV)

elettroni o particelle -

e- (-) -1 5.5 x 10-4 0.511

positroni o particelle +

e+ (+)

+1 5.5 x 10-4

0.511

protoni p +1 1.0072 938.3

particelle +2 4.0028 3727.3

neutroni n 0 1.0087 939.6

Unit di misura 1 u.m.a. = 1/12 massa atomo 12C = 1.66 x 10-27 kg => 931.5 MeV 1 eV = 1.6 x 10-19 J 1 keV = 103 eV 1 MeV = 106 eV

RADIAZIONI CORPUSCOLARI

ORIGINE DELLA RADIAZIONE CORPUSCOLARE

Radiazione cosmica: Raggi cosmici primari Raggi cosmici secondari

Radioattivit naturale:

Radionuclidi presenti in natura: * Radionuclidi isolati * Famiglie radioattive naturali

Radioattivit artificiale:

Radionuclidi prodotti in processi o reazioni nucleari indotte dalluomo

Inizio 1800: Dalton ipotizza che tutte le sostante siano costituite da atomi

Nascita della moderna teoria atomica

UN PO di STORIA

1895: scoperta dei raggi X da parte fisico tedesco Roentgen (1901: premio Nobel per la Fisica per questa scoperta)

RAGGI X e RADIOATTIVITA

1896: scoperta della radioattivit naturale delluranio (1903: premio Nobel per la Fisica, a Bequerel insieme a Pierre e Marie Curie, per la scoperta della radioattivit naturale)

ELETTRONI E PROTONI 1896:

Thomson scopre che i raggi catodici sono particelle di carica elettrica negativa (elettroni) e ne misura q/m

Goldstein e Thomson modificando il tubo precedentemente usato scoprono che quando si usa idrogeno si ottengono particelle di carica elettrica positiva e di massa 1836 volte pi grande dellelettrone, con carica uguale a quella dellelettrone ma di segno algebrico contrario (protone).

PROCESSI RADIOATTIVI

1904: Rutherford dimostra lesistenza di 3 diverse radiazioni emesse dagli elementi radioattivi:

Particelle atomi (ioni!) di elio

Particelle elettroni

Raggi radiazione simile ai raggi X

LA RADIAZIONE COSMICA Scoperta allinizio del XX secolo. Nel 1912 Hess con un elettroscopio a foglie posto su un pallone aerostatico dimostr come la quantit di particelle cariche (e quindi di radiazione) aumentava con laltitudine La radiazione sconosciuta proveniva dallo spazio esterno Radiazione cosmica (o raggi cosmici)

raggi cosmici primari protoni (~ 90%) nuclei di elio (~ 10%) nuclei pesanti (tracce) elettroni relativistici raggi X e gamma neutrini (solari, da SN)

raggi cosmici secondari mesoni e k, muoni elettroni e positroni neutroni e protoni secondari radiazione elettromagnetica neutrini atmosferici In genere particelle prodotte dallinterazione dei r.c. primari con latmosfera

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD

RISULTATI:

La maggior parte delle particelle attraversano il foglio senza alcuna deviazione Alcune particelle vengono deviate ad angoli molto grandi, anche vicini a 180

PRIMI MODELLI DI ATOMO MODELLO ATOMICO ESISTENTE (THOMSON) Latomo costituito da una goccia sferica uniformemente carica positivamente, contenente elettroni, carichi negativamente, e con massa notevolmente inferiore alla goccia stessa

La deflessione della particella dovuta agli urti con gli elettroni (i contributi dovuti alla carca positiva si bilanciano, essendo tale carica distribuita uniformemente nello spazio). Essendo me

UN NUOVO MODELLO DI ATOMO

Latomo si suppone costituito da un nucleo centrale di carica positiva nel quale anche localizzata la quasi totalit della massa; intorno a tale nucleo ruotano i singoli elettroni dotati di massa molto pi piccola e di carica negativa.

NUOVO MODELLO ATOMICO (RUTHERFORD)

OSSERVAZIONI

Deflessioni anche a grandi angoli (> 90)

Modificato da Bohr per includere la teoria quantistica dei livelli energetici

PROTONE, POSITRONE E NEUTRONE 1919: Rutherford bombardando azoto con particelle osserva su uno schermo di solfuro di zinco la scintillazione dovuta al passaggio di particelle di carica positiva e massa compatibile con quella degli atomi di idrogeno

protone 1928: Dirac cercando di costruire una teoria quantistica e relativistica delle interazioni elettromagnetiche postula lesistenza dellantimateria 1932: Anderson, studiando la natura dei raggi cosmici (radiazione che giunge alla terra dal cosmo), scopre il positrone, una particella con massa uguale a quella dell elettrone ma di carica opposta (e+) 1934: Chadwick scopre il neutrone in reazioni

+ Be n + C

Particelle sono nuclei di elio costituiti da 2 neutroni e 2 protoni

Due tipi di nucleoni: Protoni m = 1.673 10-27 kg q = 1.6 10-19 C Neutroni m = 1.675 10-27 kg q = 0

IL NUCLEO

X A: NUMERO DI MASSA numero di nucleoni nel nucleo dellatomo Z: NUMERO ATOMICO numero di protoni ed elettroni dellatomo

PROPRIETA DEI NUCLEI Elementi con lo stesso Z ma diverso A sono detti isotopi

Es. Idrogeno 1H (nucleo: 1 protone) ha due isotopi: * Deuterio 2H (nucleo: 1 protone + 1 neutrone) * Trizio 3H (nucleo: 1 protone + 2 neutroni)

Gli isotopi hanno le stesse propriet chimiche (non influenzate dai neutroni) ma diverse propriet fisiche. I protoni nel nucleo sono soggetti alla forza elettrica repulsiva. Il nucleo tenuto insieme dalla forza nucleare forte che si esercita tra i nucleoni. Tale forza: - una forza attrattiva molto pi intensa della forza elettrostatica di repulsione tra i protoni - diminuisce rapidamente con la distanza: se due nucleoni distano pi di qualche fermi (10-15 m) tale forza trascurabile - non dipende dalla carica elettrica La forza nucleare forte tra due neutroni circa uguale a quella tra due protoni o tra un protone ed un neutrone

GRANDEZZA E FORMA DEI NUCLEI Forma e dimensioni dei nuclei si possono determinare bombardandoli con particelle di alta energia e studiandone la diffusione (tipo esperimento di Rutherford). Unampia variet di esperimenti suggerisce che la maggior parte dei nuclei ha forma circa sferica con raggio

R = R0A1/3 con R0 ~ 1.5 fm Se si approssima il nucleo con una sfera il suo volume V sar proporzionale a R3 e quindi ad A La massa del nucleo anchessa circa proporzionale ad A.

La densit circa uguale per tutti i nuclei

CURVA DI STABILITA DEI NUCLEI

Per nuclei leggeri (Z < 40) si raggiunge la massima stabilit se il numero di protoni Z circa uguale al numero di neutroni N.

Per Z > 40 si ha stabilit per N>Z

al crescere di Z la repulsione elettrostatica tra i protoni aumenta e per mantenere il nucleo stabile

necessaria la presenza di pi neutroni che esercitano solo forza di attrazione nucleare. Non esistono nuclei stabili con Z>82

Un nucleo si dice stabile se rimane legato indefinitamente spontaneamente)

Una sostanza si definisce radioattiva se costituita da atomi instabili che decadono spontaneamente emettendo radiazioni.

MASSA ED ENERGIA DI LEGAME La massa di un nucleo stabile minore della somma delle masse dei nucleoni che lo costituiscono.

Quando due o pi nucleoni si fondono per formare un nucleo la massa totale diminuisce e viene liberata energia.

Per scindere un nucleo stabile nei suoi componenti occorre fornire energia.

La differenza tra lenergia di riposo del nucleo e quella dei suoi componenti detta energia di legame EL:

EL = (Zmp + Nmn - MA) c2

Massa del protone Massa del neutrone Massa atomica del nucleo

Velocit della luce

Lunit di misura pi usata lunit di massa atomica (uma) definita come 1/12 della massa dellatomo di 12C. Poich 1 mole di 12C contiene NA atomi e ha una massa di 12g:

1uma = (12g)/(6.0221023) = 1.6610-24 g

(1uma) c2 = 1.6610-27 kg (3108m/s)2 = 14.910-11J = 931.5 MeV

E=mc2

ENERGIA DI LEGAME PER NUCLEONE Lenergia di legame per nucleone lenergia di legame totale di un nucleo divisa per il numero di nucleoni che lo costituiscono (A).

Nella parte centrale la curva circa piatta EL/A ~ 8.3 MeV

Un nucleone si lega solo con un

certo numero di altri nucleoni indipendentemente da A

(saturazione).

Lelemento pi stabile il Fe

Per nuclei molto leggeri EL/A cresce allaumentare di A

Per nuclei molto pesanti EL/A decresce allaumentare di A i nuclei pi grandi sono trattenuti insieme da unenergia leggermente inferiore

++ ++ eYX NA

ZNAZ 11

++ + eYX NA

ZNAZ 11

2422

42 HeYX N

AZN

AZ +

Tipi di decadimento radioattivo:

+

- + +

+ + +

+ NAZN

AZ XX

+

Nuclei pesanti

Nuclei con troppi neutroni

Nuclei con pochi neutroni

Spesso dopo decadimento o

RADIOATTIVITA Nuclei instabili tendono a raggiungere la stabilit liberandosi dellenergia in eccesso attraverso lemissione di radiazione corpuscolare o elettromagnetica

DECADIMENTO

Nel decadimento un nucleo N di massa atomica A e numero atomico Z si spacca emettendo una particella e un nucleo figlio N di massa atomica A-4 e numero atomico Z-2.

Nel nucleo figlio il rapporto (A-Z)/Z tra neutroni e protoni aumenta garantendo una stabilit maggiore.

Questo processo coinvolge soprattutto nuclei molto grandi in cui la forza forte (a corto raggio) non riesce a contrastare la forza elettrostatica repulsiva tra i protoni (agisce su tutta lestensione del nucleo).

NOTA: LA CARICA ELETTRICA TOTALE SI CONSERVA !!

DECADIMENTO

La massa nel nucleo padre (MP) maggiore della somma delle masse del nucleo figlio (MF) e della particella . La differenza di massa riappare sotto forma di energia cinetica della particella e del rinculo del nucleo figlio.

Q = energia liberata nel decadimento = K + KF

MPc2 = MFc2 + mc2 + Q

Se il nucleo padre decade a riposo: mv = mFvF

CONSERVAZIONE DELLA QUANTITA DI MOTO

CONSERVAZIONE DELLENERGIA

Tutte le particelle emesse in un determinato decadimento hanno la stessa energia (spettro monoenergetico o monocromatico).

DECADIMENTO

++ + eYX N

AZN

AZ 11- + + Nuclei con troppi neutroni

++ ++ eYX NA

ZNAZ 11+ + + Nuclei con pochi neutroni

Due tipi di decadimenti :

p n + e+ +

n p + e- + [ ANTINEUTRINO ]

Essendo mp < mn il decadimento + pu avvenire solo in un nucleo.

Gli e- (e+) emessi nel decadimento - (+) non esistono allinterno del nucleo ma vengono creati nel processo di decadimento del neutrone (protone)

[ NEUTRINO ]

IL NEUTRINO Nel decadimento lelettrone non viene emesso con energia definita, ma pu assumere uno spettro continuo di valori:

Energia

In un processo N N+ si violerebbe la conservazione dellenergia

1930: Pauli ipotizza che nel decadimento venga emessa una terza particella difficile da rivelare (neutrino).

1934: Fermi propone una teoria dettagliata del decadimento che ipotizza causato da una nuova interazione, linterazione debole.

n p + e- + Il neutrino ha massa circa nulla, carica nulla e interagisce solo per interazione debole (interagisce poco difficile da rivelare). Lesistenza del neutrino stata verificata in numerosi esperimenti successivi.

DECADIMENTO

hXX NAZN

AZ + + Spesso dopo decadimento o

Nel decadimento un nucleo in uno stato eccitato, ovvero con troppa energia, decade in uno stato di energia inferiore emettendo un fotone.

Poich la distanza tra i livelli energetici nucleari dellordine dei MeV, i fotoni emessi (raggi ) hanno energia e frequenza elevata rispetto a quelli emessi nelle transizioni atomiche.

E S E M P I

O

Il Boro 12B pu decadere - direttamente allo stato fondamentale del 12C per decadimento -- con decadimento - ad uno stato eccitato del 12C, con successivo decadimento allo stato fondamentale

SERIE DI DECADIMENTI

Accade spesso che un isotopo radioattivo decada in un altro isotopo radioattivo il quale decade ancora in un terzo isotopo radioattivo.

SERIE DI DECADIMENTI

Grazie alle serie di decadimenti si trovano in natura elementi radioattivi che altrimenti sarebbero gi scomparsi.

Famiglie radioattive naturali Tre radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con quello dellUniverso decrescono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta, creando in questo modo catene radioattive.

RADIOATTIVITA NATURALE

Famiglia dell238U (abbondanza isotopica = 99.28 %) ( = 4.49 109 anni) Famiglia del 232Th (abbondanza isotopica = 100 %) ( = 1.045 1010 anni) Famiglia dell235U (abbondanza isotopica = 0.72 %) ( = 7.1 108 anni)

RADIOATTIVITA NATURALE Radionuclidi isolati Di origine terrestre (radioisotopi con tempo di dimezzamento confrontabile con let dellUniverso) Generati dalle interazioni dei r. cosmici con latmosfera (es: 3H, 14C ed 7Be) HCNn 3112614710 ++ pCNn 1114614710 ++

LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO

Il decadimento radioattivo un processo stocastico:

N = numero di atomi presenti al tempo t = costante di decadimento: probabilit che ogni singolo nucleo ha di decadere nellunit di tempo.

dN /dt = - N

Legge del decadimento radioattivo:

N0 = numero di nuclidi radioattivi presenti allistante t=0

N(t) = N0e-t

1/ = = vita media Tempo dopo il quale rimane il 37 % (=1/e) dei nuclei radioattivi

N(t) = N0 e-t/

TEMPO DI DIMEZZAMENTO

Tempo di dimezzamento T1/2 = tempo dopo il quale rimane il 50 % dei nuclei radioattivi

Relazione tra e T1/2:N(T1/2) = N0/2 = N0 e-T1/2/

e-T1/2/ = 1/2 -T1/2/ = ln = -ln2 = -0.693

T1/2 = 0.693 T1/2 t 0

0.50 N0 0.37 N0

N0

N(t) = N0 e-t/

ATTIVITA RADIOATTIVA Attivit radioattiva = numero di decadimenti/s

( rapidit di decadimento)

Unit di misura SI: becquerel 1 Bq = 1/s

1 Bq = 1 decadimento al secondo unit troppo piccola

Unit pratica: Curie: attivit di 1g di radio

(decadimento : 234Ra 230Rn) 1 Ci = 3.7 1010 Bq

A(t) = -N(t) A(t) = A0 e-t/