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1 La misura della radioattivita’ Nicolo` Cartiglia INFN Istituto Nazionale Fisica Nucleare.

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Presentazione sul tema: "1 La misura della radioattivita’ Nicolo` Cartiglia INFN Istituto Nazionale Fisica Nucleare."— Transcript della presentazione:

1 1 La misura della radioattivita’ Nicolo` Cartiglia INFN Istituto Nazionale Fisica Nucleare

2 2 Atomi stabili ed instabili L’atomo e` fatto da un nucleo ed elettroni Il nucleo e` fatto da neutroni e protoni Alcuni nuclei sono stabili, altri instabili perche` la combinazione di protoni e neutroni non e` “corretta” Il numero di protoni (Z) determina l’elemento (H, He,….U) Il numero di protoni+neutroni determina l’isotopo

3 3 Perche` alcuni nuclei sono stabili La stabilita` di un nucleo dipende dal suo numero di protoni e neutroni Ci sono dei numeri magici, N o Z uguale ad 2, 8, 20, 28, 50, 82, ed 126 che corrispondono alla chiusura delle orbite nucleari ed aumentano la stabilita` del nucleo. Isotopi che hanno un numero magico di protoni e neutroni sono particolarmente stabili.

4 4 Nuclei instabili e radioattivita`  e  Un nucleo si puo’ trasformare spontaneamente in un’altra specie (altro elemento chimico) Posso avere le seguenti trasformazioni: Decadimento  - : neutrone diventa protone, con emissione di elettrone Decadimento  + : protone diventa neutrone, con emissione di positrone Decadimento  : emissione di un nucleo di Elio

5 5 Nuclei instabili e radioattivita’  Il nucleo figlio spesso rimane in uno stato eccitato, dal quale esce emettendo radiazione  (fotoni) e diventando stabile

6 6 Decadimento   Avvengono negli elementi piu’ pesanti  Le particelle  sono emesse con una energia ben determinata  I figli decadono poi  in s circa  In genere anche il nucleo subisce un movimento   il nucleo scappa via

7 7 Decadimenti   Se il nucleo ha un eccesso di neutroni, fara’ un decadimento  - con la reazione: n  p+e - +  (antineutrino)  Se il nucleo ha un eccesso di protoni, fara’ un decadimento  + con la reazione: p  n+e + + (neutrino)  Cambia il numero atomico ma rimane uguale il numero di massa  L’energia degli elettroni e` un continuo

8 8 Emissione   I raggi  sono fotoni emessi da un nucleo in stato eccitato  In genere ho la diseccitazione in s  Posso andare allo stato fondamentale in una o piu’ emissioni di fotoni  L’energia varia da 50 keV a 3 MeV, con energia ben determinata in ogni processo

9 9 Schemi di decadimento, 226 Ra e 40 K

10 10 Mappa dei nucleidi Numero di neutroni Numeri di protoni

11 11 Origine dei nuclei radioattivi Primordiali: creati nella sintesi degli elementi costituenti della terra Cosmogenici: creati in elementi terrestri ed extra-terrestri dai raggi cosmici Artificiali: creati in reattori nucleari, bombe e acceleratori

12 12 Elementi primordiali  Hanno vita media paragonabile alla vita della terra (Terra >4.5x10 9 anni, Universo >15 x10 9 )  Sono in equilibrio secolare con un genitore appartenente ad una delle 3 famiglie radioattive: 232 Th 235 U 238 U

13 13 Elementi cosmogenici  I piu’ importanti sono: 3 H 14 C  Entrambi sono prodotti nella stratosfera dai raggi cosmici  Sono importanti in geofisica

14 14 Legge del decadimento radioattivo (1) La probabilita` che un atomo si disintegri e` proporzionale a dt: P = dt dove la costante di decadimento e` caratteristica del nuclide. Notare: un’atomo ha sempre la stessa probabilita` di decadere, non importa da quanto tempo esiste. Come i numeri della lotteria: i “ritardatari” non sono piu` probabili….

15 15 Legge del decadimento radioattivo (2) La vita media  = 1/ Indica dopo quanto tempo il numero di atomi rimasto e` N 0 /2.7 Il tempo di dimezzamento indica dopo quanti tempo ho la meta’ degli atomi iniziali t 1/2 =  ln2 = 

16 16 Equilibrio secolare Ho una reazione a catena in cui: A e’ un nuclide radioattivo a lunghissima vita media B, figlio di A, e’ radioattivo a breve vita media C, figlio di B, e’ stabile Se parto da un campione puro (N B =0), al tempo t avro’: B N B = A N A (1-e - B t ) Asintoticamente l’attivita’ di B e’ uguale all’attivita’ di A  equilibrio secolare

17 17 Equilibrio secolare (figura) Dopo 6.6  il rate di B e’ il 99.9% del suo rateo di disintegrazione finale

18 18 Unita` di misura

19 19 Becquerel (Bq), Gray (Gy), Sievert (Sv) 1) Unita' di attivita' Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s oppure Curie: 1 Ci = 3.7x10 10 disintegrazioni/s 2) Unita' di Dose assorbita: Gray (Gy) che misura l'energia E assorbita da un corpo di massa M -> D = E/M 1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x keV/kg 3) Unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv) Dose equivalente = Dose assorbita × w 1 Sv = 1 Gy × w = 100 REM ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per  (elettroni),  (fotoni) e muoni; w = 20 per .

20 20 Radioattivita` naturale

21 21 Che isotopi trovo nell’ambiente ?  Isotopi primordiali:  232 Th  235 U ; ma questo e’ solo circa 0.7%  trascurabile  238 U  Potassio ( del K), pero’ molto abbondante

22 22 Famiglia radioattiva 238 U 238 U

23 23 Radioattivita’ dalle rocce Rateo di dose in aria, 1m sopra la superficie

24 24 Righe  dei nuclidi primordiali

25 25 Variabilita’ locali Dose assorbita annualmente causata da radiazione naturale, espressa in mrem

26 26 Radioattivita` dovuta ad attivita` umana

27 27 Sorgenti principali di radioattivita` indotta  Radiografie;  TAC;  Trattamenti radioterapeutici;  Emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia),  Armamenti nucleari (DU).

28 28 Dose naturale (04.-4 mSv/anno) e dose indotta 1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.) 2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni di radioattivita' naturale.) 3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori): Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)

29 29 Sorgenti di radiazioni 360 mRem = 3,6 mSv Dati USA: 82% naturale 18% artificiale

30 30 Radiazione: quanto “poco” e` poco? Ipotesi lineare: il rischio di cancro e` direttamente proporzionale alla dose: rischio /mSv Se 100,000 persone ricevono una dose aggiuntiva di 1mSv, 5 avranno il cancro A basse dosi (10 mSv/anno): Ipotesi a soglia: il rischio di cancro aumenta solo per dosi superiori ad un certo limite.

31 : Chernobyl Il piu` tragico incidente nucleare avvenne in un reattore dal disegno sbagliato e mai usato al di fuori della Russia Circa 100 morti immediate ed una forte evidenza di un aumento del cancro alla tiroide nella regione Radiazione in Europa: 1.2 mSv in piu`nella vita di 500 ml di persone  30,000 cancri mortali in piu` secondo L’ipotesi lineare (in aggiunta agli ~88 ml che avverranno)

32 32 Superficialita` e Allarmismo

33 33 Ipotesi lineare? - La rottura di un ramo del DNA in due punti e` due volte piu` pericolosa della rottura in un punto. Molti studi provano che non e` vero, e` molto piu` pericolosa la rottura in due punti. - Le persone di 80kg devono ammalarsi di cancro il doppio delle persone di 40 kg (piu` massa, piu` radiazioni). - Ogni giorno un milione di cellule si danneggiano (ne abbiamo miliardi) per motivi chimici e circa una non si ripara e puo` generare un cancro, le radiazioni causano circa una cellula non riparata ogni 500 giorni, raddoppiando la dose non cambia quasi il rischio di cancro

34 34 Dose e danno biologico L’esposizione alle radiazioni ionizzanti non e’ l’unica causa di alterazioni del codice genetico: il normale metabolismo cellulare induce mutazioni in misura di gran lunga superiore! Come fa il DNA a auto-ripararsi? La parola chiave e` la RIDONDANZA dell’informazione genetica. A parita’di dose ricevuta, il danno e` maggiore se il tempo dell’esposizione e` breve, da consentire mutazioni genetiche multiple sul DNA delle singole cellule. Molte stime catastrofiche sulle future vittime di Cernobil sono basate sui dati raccolti a Hiroshima e Nagasaki… con evidenti sovrastime degli effetti.

35 Rischio di cancro mortale tra pazienti canadesi curati con radiazione per altre malattie e sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica. Dose, rateo e rischio di cancro sopravvissuti Malati in cura

36 36 Uranio depleto (1)  L'Uranio naturale e' presente in modo uniforme su tutta la Terra in una frazione pari a 4 ppm (parti per milione) in peso. Circa tonnellate nei primi 20 km di crosta terrestre  E' presente quindi in molti minerali ma anche nell'uomo per una quantita' pari a circa 20 mg.  Peso specifico ~ 19 g/cm 3, fonde a 1132 °C e bolle a 3818 °C numero atomico: Z = 92, numero di massa: A = 238 (99.3%) Isotopi : A = 235 (0.7%) e 234 ( 0.006%)  Tempo di dimezzamento: U 238 : 4.5 × 10 9 anni, U 235 : 7.0 ×10 8 anni, U 234 : 2.4 × 10 5 anni

37 37 Uranio depleto (2)  Uranio arricchito: l'Uranio con una frazione di U 235 superiore allo 0.7% (frazione normalmente presente nell'Uranio naturale). Per esempio: combustibili nucleari (1-3%), bombe atomiche (> 80%). U 235 viene usato perche' da' "fissione nucleare".  Uranio impoverito (DU): la quantita' di U 235 e' inferiore allo 0.7%. - applicazioni civili: volani, contrappesi in aviazione, schermature per radiazione, leghe con acciaio (mazze da golf) - applicazioni militari: proiettili, corazze per carri armati e elicotteri.

38 38 La misura dell’Uranio con  T 1/2 ( 238 U) = 4.5*10 9 anni T 1/2 ( 235 U) = 7.0*10 8 anni E  (keV)Branching ratio(%) E  (keV)Branching ratio(%) U 238 U quindi con il 238 ho problemi a causa della debolezza della riga

39 39 Righe  dei nuclidi delle serie 232 Th e 238 U 238 U 232 Th


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