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