Concetto di Radiazione

1. Concetto di Radiazione In generale si parla di radiazioni tutte le volte che esiste una cessione di energia tra un corpo ed un altro senza che vi sia un contatto diretto o mediato.

2. Concetto di Radiazione Con l’espressione RADIAZIONI si descrivono fenomeni fisici quali, p.e. • La luce (radiazione luminosa) • Il calore(radiazione termica) percettibili dai sensi umani, • La radiazione elettromagnetica (la radiazione cosmica, le radiazioni ionizzanti, le radiazioni non ionizzanti) quasi sempre invisibile e non immediatamente percettibile

3. L'assorbimento di energia si manifesta in genere in un aumento locale di temperatura ovvero con la produzione di fenomeni fisici, chimici o biologici.

5. La Radioattività Si definisce Radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni • La materia, in alcune sue forme, non ha vita infinita • Dopo un tempo più o meno lungo si trasforma ovvero decade • Il decadimento è in genere accompagnato dalla emissione di radiazioni, da cui il nome di decadimento radioattivo

6. La Radioattività La radioattività non é stata inventata ma scoperta dall'uomo! Gli esseri viventi, dalla loro apparizione sulla Terra, sono immersi in un vero e proprio bagno di radioattività.

10. Henry BecquerelParigi 15.12.1852 - Croisic 25.8.1908

11. Nel 1896 Henri Becquerel, indagando sui fenomeni di luminescenza di alcuni materiali, correlò l’annerimento di una lastra fotografica lasciata vicino a minerali d’uranio agli esperimenti ed alle radiografie effettuate da

12. Wilhelm Conrad Roentgen 1845-1923

13. Becquerelnotò altresì che tali raggi scaricavano rapidamente i corpi elettricamente carichi p.e. le foglie d'oro di un elettroscopio. Due anni più tardi Marie Curie, proseguendo gli studi iniziati da Becquerel, scoprì che anche altre sostanze godevano della stessa proprietà dell'uranio p.e. il Th e suggerì di chiamare tali sostanze radio (radium = raggio) attive.

14. Henri Becquerel fu il primo uomo a contrarre una malattia da radiazioniMarie Curie fu il primo essere umano morto per una malattia (diagnosticata successivamente) da radiazioni

15. Separò il polonio e il radio la cui radioattività risultava rispettivamente 400 e 1.000.000 di volte superiore a quella dei sali di uranio puri e riuscì a stabilire la natura dei raggi emessi scoprendo che trattava di 3 tipi di radiazioni: la prima elettricamente carica negativamente, la seconda carica positivamente e la terza neutra. Associò a tali raggi le prime tre lettere dell'alfabeto greco a (alfa), b (beta), g (gamma).

16. Radiazioni Ionizzanti • Le radiazioni si dicono ionizzanti quando hanno energia sufficiente per produrre il fenomeno fisico della ionizzazione che consiste nel far diventare un atomo elettricamente carico (ione). • Un gas ionizzato è un conduttore

17. Nei tessuti biologici gli ioni generati dalle radiazioni ionizzanti possono avere influenza sui normali processi biologici. • Gli effetti biologici indotti dalle radiazioni possono averecaratteristiche molto diverse anche a parità di dose fisica; per valutare il danno biologico é quindi necessario conoscere anche il tipo e l’energia delle radiazioni che deposita la dose.

18. La vita media di alcune particelle e atomi • n (neutrone) t = 15 minuti • p (protone) t > 1032 anni • e (elettrone) t = infinito • m (muone) t = 2.19 10-6 s • U 238 t = 4.5 109 anni • U 235 t = 7.1 108 anni

19. Le forze presenti nel nucleo • Ogni protone ha una carica di 1.6 10-19C • La distanza tra due protoni è circa 10-15 m • Tra i protoni presenti nel nucleo si esercitano forze di repulsione elettrostatiche molto intense. • La forza di repulsione Coulombiana vale : • Questa forza di repulsione impedirebbe la aggregazione di più di un protone nel nucleo. • Tra i protoni e tra i neutroni si esercita una ulteriore forza attrattiva detta Forza Forte • La Forza Forte consente di legare insieme protoni e neutroni in un nucleo

20. Condizioni di equilibrio di forze nel nucleo Neutroni • La Forza Forte prevale sulla repulsione elettrostatica, però ha un raggio di azione molto breve 10-15 m • La forza elettrostatica ha invece un raggio di azione infinito. • Per creare un nucleo con più protoni occorre aggiungere del ‘collante’ : i neutroni non risentono della forza elettrostatica e costituiscono un legame tra loro e i protoni • All’aumentare del numero di protoni aumenta la percentuale di neutroni presenti nel nucleo Protoni • I nuclei stabili (pallini neri) sono situati sulla ‘curva di stabilità’ • I nuclei instabili (pallini colorati) hanno un eccesso o un difetto di neutroni • I nuclei instabili tenderanno a portarsi sulla curva di stabilità modificando il numero di protoni e neutroni

21. ISOTOPI Molti elementi hanno massa atomica (da non confondere col numero di massa!) non sempre vicina all'unità (per esempio Cl 35.45; H 1.008; Ni 58.71...). Ciò è dovuto alla possibilità di esistenza di nuclei con eguale Z (perciò chimicamente eguali) e diverso A (perciò con diverso numero di neutroni nel nucleo). Questi nuclidi di uno stesso elemento si chiamano isotopi.

22. isotopi (dal greco iso-topos = eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome), con eguale Z ed A diverso (per esempio 11H, 21H; oppure 126C, 136C) , che per noi chimici sono i più importanti • Ad esempio, l'uranio (simbolo U) ha vari isotopi: U-238, U-235, U-233. L'uranio-238 ha 92 protoni e (238-92) = 146 neutroni; l'uranio-235 ha sempre 92 protoni, ma (235-92) = 143 neutroni; l'uranio-233 ha 92 protoni e 141 neutroni.

23. Nella figura sono riportati, in funzione di Z e di A, tutti i nuclidi stabili, cioè tutti quelli riscontrati in natura; mancano perciò quelli artificiali e quelli radioattivi; in particolare si può notare la mancanza di Z=43 (tecnezio Tc) e di Z=61 (promezio Pm), artificiali, benché a Z relativamente basso (ma dispari per ambedue). Il grafico si ferma a Z=83 (bismuto Bi), poiché tutti i nuclidi con Z>83 sono instabili e radioattivi, e molti di essi artificiali.

24. L'elemento più semplice esistente in natura l'idrogeno (H-1) ha due isotopi: il deuterio (H-2) e il tritio (H-3). Quest'ultimo è radioattivo ed emette particelle beta negative. In generale un isotopo il cui simbolo sia Y è caratterizzato dal numero atomico Z, pari al numero dei protoni e degli elettroni, dal numero di massa A, pari al numero totale di particelle presenti nel nucleo e dal numero N = A-Z pari al numero di neutroni. Se l'isotopo è radioattivo, si parla di radioisotopo o anche di radionuclide.

25. I radioisotopi • Ogni elemento è caratterizzato dal numero di protoni presenti nel nucleo : numero atomicoZ • H : Z = 1 C : Z = 6 O : Z = 8 U : Z = 92 ecc… • Il numero di neutroni nel nucleo può variare • Il numero di massa è la somma di protoni e neutroni; viene indicato con A • Nuclei con stesso Z e differente A sono detti isotopi • A seconda del valore di A l’isotopo può essere stabile oppure può decadere • Se decade è detto radioisotopo

26. La costante di decadimento l • Il decadimento radioattivo è un fenomeno probabilistico • l = probabilità che una particella, o un nucleo, decada nell’unità di tempo (un secondo) • Non potremo mai sapere con certezza in che istante un particolare nucleo dovrà decadere • Ma se abbiamo un numero molto grande N di nuclei, potremo dire che ogni secondo decadono l.N nuclei

27. La legge del decadimento radioattivo • N(t) : numero di nuclei non ancora decaduti al tempo t • l.N(t) : numero di nuclei che decadono in 1 s • dN = l.N(t) dt : numero di nuclei che decadono nel tempo dt • dN(t)/dt = - l.N(t) : derivata di N(t) • il segno negativo è dovuto al fatto che N(t) è in diminuzione

28. Legge di deccadimento radioattivo (2) dN(t)/dt = - l.N(t) ……... la soluzione è N(t) = N0 e-lt Dove N0 è il numero di nuclei all’istante t=0

29. Tempo di vita media e Tempo di dimezzamento N(t) = N0 e-lt ….dopo un tempo t = 1/l …. N(t) = N0 e-1 = N0. 0.37 • t è la vita media nei nuclei • È più utile conoscere il tempo di dimezzamentoT : N(T) = N0 / 2 = N0 e-lT da e-lT= 1/ 2si ricava T = t log(2)

30. “Tempo di dimezzamento” Ln 2 T1/2 =  Tempo di vita medio  . 1  = 

31. La misura della radioattività • Una sorgente radioattiva contiene un numero più o meno grande di isotopi radioattivi. • È più utile conoscere il numero di nuclei che decadono nell’unità di tempo, piuttosto che il numero totale di nuclei radioattivi presenti nella sorgente. • Perché ? • A seguito del decadimento si avrà emissione di radiazioni. • La emissione di radiazioni è tanto più intensa quanto maggiore è la rapidità con cui i nuclei decadono. • La Attività di una sorgente è definita come : numero medio di nuclei che decadono nell’unità di tempo. • La Attività dà una idea della pericolosità della sorgente radioattiva.

32. L’attività dN A = dt A = - N Bequerel (Bq) = 1 dis/sec

33. Dose dE D = dm 1J 1 Gy = = 100 rad 1 kg

34. Formula della Attività e unità di misura • Analizzando il decadimento radioattivo come fenomeno probabilistico abbiamo trovato che : l.N(t) è il numero di nuclei che decadono in 1 s • Dalla definizione di Attività si ricava la relazione A(t) = l.N(t) • Quindi la Attività di una sorgente radioattiva decresce nel tempo con la stessa legge del decadimento radioattivo A(t) = l.N(t) = l.N0 e-lt = A0 e-lt A(t) = -dN(t)/dt = l. N0 e-lt • Le dimensioni della Attività sono : t-1 (numero di nuclei / tempo) • L’unità di misura dovrebbe essere : Hz (Hertz) o s-1 • In realtà si usa il Bq (Bequerel), per precisare il tipo di fenomeno che si sta prendendo in considerazione

35. Un famoso radioisotopo : C14 • Gli isotopi sono identificati dal simbolo dell’elemento chimico corrispondente a Z e dal numero di massa A: • C 12 : Z=6 A=12 (6 neutroni) ; abbondanza : 99% • C 13 : Z=6 A=13 (7 neutroni) ; abbondanza : 1% • C 14 : Z=6 A=14 (8 neutroni) ; 1/1000.000.000.000 • C 12 e C 13 sono stabili • C 14 è un radioisotopo e decade con un tempo di dimezzamento T = 5770 anni • Il C 14 viene prodotto nella atmosfera dalla interazione dei raggi cosmici con l’azoto (N 14)

36. Radioisotopo Tempo di dimezzamento K 40 1.3 109 anni Rb 87 5.0 1010 anni Th 232 1.4 1010 anni U 235 7.1 108 anni U 238 4.5 109 anni Radioisotopi naturali • Si trovano sulla Terra (e su tutti i Pianeti del sistema solare) molti radioisotopi naturali • Tutti i radioisotopi naturali attualmente presenti sulla Terra hanno tempi di dimezzamento paragonabili alla vita del sistema solare : circa 5 109 anni • I radioisotopi naturali con tempi di dimezzamento molto più brevi sono completamente decaduti Alcuni radioisotopi naturali

37. Le famiglie radioattive • Un nucleo radioattivo può decadere dando origine ad un nucleo stabile oppure ad un nucleo a sua volta instabile, il quale a sua volta decade in un altro nucleo instabile….. • È quanto accade nel caso del U 238, del U 235 e del Th 232, i tre radioisotopi naturali più comuni. • La sequenza dei radioisotopi prodotti a partire dal capostipite prende il nome di famiglia radioattiva. • L’ultimo discendente di una famiglia radioattiva è un isotopo stabile. • Per i tre radioisotopi indicati i discendenti stabili sono rispettivamente Pb206 Pb207 e Pb208

38. La famiglia radioattiva dell’Uranio 238

39. U238 N1 Th234 N2 Pa234 N3 Le condizioni di equilibrio nella famiglia radioattiva • Possiamo immaginare la famiglia radioattiva come una serie di serbatoi ciascuno dei quali si svuota riempiendo il successivo • La velocità di svuotamento (-dN/dt) dipende dal livello nel serbatoio (N) e dalle dimensioni della valvola di scarico (l) • Quando si raggiungono le condizioni di equilibrio le velocità di svuotamento di tutti i serbatoi sono uguali • La velocità di decadimento di un radioisotopo (analoga alla velocità di svuotamento del serbatoio) è chiamata Attività e dipende dalla costante di decadimento l • In condizioni di equilibrio le Attività di tutti i radioisotopi della famiglia sono uguali

40. Tutti i figli dell’U238 : Qtot = 51.63 MeV

41. Effetti prodotti dalla energia emessa dall’U 238 e discendenti Qtot x Numero atomi • La abbondanza frazionaria dell’U238 è di 3 ppm • Un kg di roccia contiene circa 3 mg di U 238 • 3 mg di U 238 corrispondono a 3 10-3/238 NAV atomi di U 238 • Complessivamente 7.59 1018 atomi di U 238 • Energia complessivamente irradiata : 7.59 1018 x 51.63 106 MeV = 3.92 1026 eV x 1.6 10-19 J/eV = 3.26 107 J = 17.42 kWh ! • Ovviamente questa energia viene liberata su tempi molto lunghi … miliardi di anni • Ma se non c’è modo di smaltire questa energia, la roccia si scalda sino a fondere • L’interno della Terra è caldo a causa della radioattività naturale, le eruzioni vulcaniche sono un effetto della radioattività !

42. Effetti prodotti dai radioisotopi naturali • Le radiazioni emesse dai radioisotopi naturali producono effetti molto evidenti • Il riscaldamento del magma terrestre e di conseguenza terremoti ed eruzioni vulcaniche sono dovuti alla energia rilasciata dal decadimento radioattivo dei radioisotopi naturali. • Il Radon, un gas radioattivo naturale, è attualmente la fonte principale di dose da radiazioni ionizzanti per la popolazione. • …. Non tutto ciò che è naturale produce effetti positivi sulla salute …

43. Radioisotopo Tempo di dimezzamento Co 60 5.27 anni Tc 99 * 6.23 ore I 125 60 giorni Cs 137 30 anni Am 241 433 anni Radioisotopi artificiali • Sono prodotti per scopi medici e industriali utilizzando reattori nucleari o acceleratori di particelle. • Il tempo di dimezzamento dei radioisotopi prodotti artificialmente è relativamente breve. • L’elemento Tecnezio (Tc , Z = 43) non esiste in natura, nella tavola periodica c’era un posto vuoto. Il Tc viene prodotto artificialmente ed è molto utilizzato per scopi clinici. Alcuni radioisotopi artificiali

44. DECADIMENTO RADIOATTIVO Il decadimento radioattivo è un processo per cui un nucleo radioattivo di un elemento o radionuclide si trasforma nel nucleo di un elemento diverso o raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti.

45. DECADIMENTO RADIOATTIVO Si distinguono: d.r. alfa (a); d.r. beta (b) positivo o negativo; d.r. per cattura elettronica; d.r. gamma (g); d.r. per conversione interna. I d.r. a, b e g. danno origine a flussi di particelle noti, rispettivamente, come radiazioni (o raggi) a, b e g.

46. decadimento a (alfa) particella a espulsa nucleo originario nucleo decaduto I diversi tipi di decadimento nucleare : decadimento a • Quando un nucleo decade si verifica una variazione del numero di protoni e neutroni • Nel decadimento a il nucleo espelle due protoni e due neutroni • La particella a viene espulsa con grande energia a causa della repulsione elettrostatica • La particella a è un nucleo di Elio (He) . Tutto l’Elio presente sulla Terra ha origine dal decadimento a dei radioisotopi naturali.

47. Esempio di decadimento a • Nel nucleo del radioisotopo U 238 ci sono 92 protoni e 146 neutroni. Z = 92 A = 238 A-Z = 146 (numero di neutroni) • A seguito del decadimento a si trasforma in un nucleo di Th 234. Z = 90 A = 234 A-Z = 144 • In generale, un nucleo dell’elemento X con numero atomico Z e numero di massa A si trasforma in un nucleo dell’elemento Y con numero atomico Z-2 e numero di massa A-4 • Poiché il simbolo chimico dell’elemento identifica univocamente il numero atomico Z, in genere si trascura la indicazione di Z.

48. Decadimento alfa Un nucleo di un elemento di numero atomico Z e di massa atomica (o peso atomico) A emette una particella alfa (a), corrispondente al nucleo dell'elio (due protoni p e due neutroni n), trasformandosi nel nucleo dell'elemento con numero atomico Z-2 e peso atomico A-4. decadimento a: un nucleo di radio si trasforma in rado emettendo un fotone e una particella alfa.

49. n : antineutrino particella b-espulsa nucleo decaduto nucleo originario Il decadimento b- • Un neutrone del nucleo si trasforma in un protone più un elettrone (e anche un antineutrino…) • Il numero atomico Z (numero di protoni) cresce di una unità • Il numero di massa A rimane invariato • La particella b- è un elettrone. Viene indicata in questo modo per precisare la sua origine nucleare.

50. Decadimento beta Nel d.r. beta negativo (b-), un neutrone emette un elettrone e-, trasformandosi in un protone e facendo diventare il nucleo originario di numero atomico Z un nucleo dell'elemento di numero atomico Z+1; nel d.r. beta positivo (b+) si ha invece l'emissione di un positrone e+ (elettrone positivo) da parte di un protone, che diviene neutrone e trasforma il nucleo in uno dell'elemento di numero atomico Z-1; in entrambi i d.r. beta la massa atomica non cambia poichè la massa dell'elettrone è molto minore di quella del protone e del neutrone; elettroni e positroni provenienti da un nucleo per d.r. b± sono detti particelle beta (b).