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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 Nazionale Fisica Nucleare Ha come scopo la conoscenza della natura: quali sono le particelle elementari, le forze e le leggi che le governano. - Lavora in simbiosi con luniversita`. - Elettronica - Fisica dei rivelatori - Fisica medica (TAC, dosimetria) - Didattica

3 3 Atomi stabili ed instabili Latomo 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 lelemento (H, He,….U) Il numero di protoni+neutroni determina lisotopo

4 4 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.

5 5 Nuclei instabili e radioattivita` e Un nucleo si puo trasformare spontaneamente in unaltra 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

6 6 Nuclei instabili e radioattivita Il nucleo figlio spesso rimane in uno stato eccitato, dal quale esce emettendo radiazione (fotoni) e diventando stabile

7 7 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

8 8 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 Lenergia degli elettroni e` un continuo

9 9 Spettro energetico delle - nel 14 C

10 10 Cattura elettronica (EC) Un nucleo con un eccesso di p, puo` catturare un elettrone dallorbita piu interna: p + e - n + Puo` aver luogo quando lenergia non e` sufficiente per emettere un positrone

11 11 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 Lenergia varia da 50 keV a 3 MeV, con energia ben determinata in ogni processo

12 12 Schemi di decadimento, 226 Ra e 40 K

13 13 La firma radioattiva In un decadimento ( ), lenergia delle particelle emesse e` la firma del processo, permette di capire che tipo di atomo e` decaduto misurando lenergia delle particelle emesse da un minerale si riconoscono gli atomi radioattivi contenuti al suo interno Decadimenti hanno energia fissa Decadimenti hanno unenergia variabile

14 14 Firma radioattive di Au, Cs, I, La Mn Elemento Energia del (KeV) Au Ba/Cs I La , 487, 1597 Mn 56847,1811,2113

15 15 Mappa dei nucleidi Numero di neutroni Numeri di protoni

16 16 Riepilogo Il modo migliore per capire i decadimenti e` guardarli..

17 17 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

18 18 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

19 19 Elementi cosmogenici I piu importanti sono: 3 H 14 C Entrambi sono prodotti nella stratosfera dai raggi cosmici Sono importanti in geofisica

20 20 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: unatomo ha sempre la stessa probabilita` di decadere, non importa da quanto tempo esiste. Come i numeri della lotteria: i ritardatari non sono piu` probabili….

21 21 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 = 0.693

22 22 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 lattivita di B e uguale allattivita di A equilibrio secolare

23 23 Equilibrio secolare (figura) Dopo 6.6 il rate di B e il 99.9% del suo rateo di disintegrazione finale

24 24 Unita` di misura

25 25 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.

26 26 Radioattivita` naturale

27 27 Che isotopi trovo nellambiente ? Isotopi primordiali: 232 Th 235 U ; ma questo e solo circa 0.7% trascurabile 238 U Potassio ( del K), pero molto abbondante

28 28 Famiglia radioattiva 238 U 238 U

29 29 Righe dei nuclidi delle serie 232 Th e 238 U 238 U 232 Th

30 30 Righe delle serie del 232 Th e 238 U

31 31 Radioattivita dalle rocce Rateo di dose in aria, 1m sopra la superficie

32 32 Righe dei nuclidi primordiali

33 33 Variabilita locali Dose assorbita annualmente causata da radiazione naturale, espressa in mrem

34 34 Radioattivita` dovuta ad attivita` umana

35 35 Sorgenti principali di radioattivita` indotta Radiografie; TAC; Trattamenti radioterapeutici; Emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia), Armamenti nucleari (DU).

36 36 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.)

37 37 Sorgenti di radiazioni 360 mRem = 3,6 mSv Dati USA: 82% naturale 18% artificiale

38 38 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.

39 : 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 Lipotesi lineare (in aggiunta agli ~88 ml che avverranno)

40 40 Allarmismo?

41 41 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

42 42 Dose e danno biologico Lesposizione alle radiazioni ionizzanti non e lunica 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 dellinformazione genetica. A paritadi dose ricevuta, il danno e` maggiore se il tempo dellesposizione 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.

43 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

44 44 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

45 45 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.

46 46 Uranio depleto (3)

47 47 Uranio depleto (4)

48 48 Uranio depleto (5) L'attivita' dell'U 238 e' pari a ~40000 Bq/g. lattivita specifica dell Uranio impoverito (0.2%) e 1.7 volte minore di quella dellUranio naturale, 20 milioni di volte inferiore a quella dellAmericio-241, usato nei sensori di fumo, installati in molte case americane…

49 49 La misura dellUranio 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

50 50 Come si misura la radioattvita`(I) E' necessario I.misurare l'energia rilasciata dal singolo processo radioattivo II.contare il numero di processi avvenuti nell'unita' di tempo in un 'rivelatore' di massa nota. (Distinguere raggi cosmici dalla radiazione ambientale: difficile)

51 51 Come si misura la radioattvita`(II) A) Un calorimetro, per esempio ad acqua. Si costruisce una vasca con massa M di acqua. Si misura l'incremento di temperatura. D=E/M = Cs (Tf - Ti) (Cs = calore specifico dell'acqua), I raggi cosmici scaldano lacqua! Difficile da misurare:Tf - Ti rimane piccolissimo anche attendendo tempi molto lunghi poiche' le dosi sono molto basse. B) lastra fotografica (stesso principio della radiografia): di nuovo occorre attendere tempi molto lunghi ( anni) per ottenere risultati misurabili. C) rivelatori 'elettronici': - risoluzione temporale di ~ 1 ns (10 -9 s); - misura di cariche dell'ordine di qualche unita' di carica elettrica (1.6x Coulomb)

52 52 Come funziona un apparato di misura? (II) 1) rivelatore (o trasduttore) di radiazione: traduce l'energia di un singolo processo radioattivo in un segnale elettrico; 2) amplificatore del segnale elettrico (necessaria la calibrazione); 3) contatore del numero di singoli processi (conta il numero di segnali elettrici amplificati)

53 53 Come funziona un apparato di misura? (II) Misura l'ampiezza del segnale Rivelatore Segnale elettrico AmplificatoreContatore i t i Energia N

54 54 Come funziona un apparato di misura? (III) Energia Ni Ricordando che D (dose) = E/M per calcolare D occorre valutare E e M - E depositata in un intervallo di tempo t e` larea della curva: E = N i E i -> Etot = i i ( = Somma su tutti i rettangolini) - Il calcolo della massa (M) del rivelatore e' piu' semplice: M = p s ×V ove p s e' il peso specifico e V e' il volume (p s = 3.67 g/cm 3 (NaI), V = /4 d 2 h~ 100 cm 30 ) M = 367 g

55 55 Come funziona un apparato di misura? (IV) La dose cosi' misurata e' relativa all'intervallo di tempo t durante il quale si sono acquisiti i dati. Ricapitolando: Per ottenere lenergia totale si divide lo spettro di energia acquisito nel tempo t in intervalli, per esempio, di 100 canali (ch) e si fa la somma dei prodotti N i × E i. Usando HV=490 V abbiamo preventivamente ottenuto il fattore di conversione : 1.64 keV = 1 canale (1 keV e' l'energia che viene ad avere un elettrone quando e' accelerato da una differenza di potenziale di 1000 V)

56 56 Misura della radioattivita` di fondo Contatore a NaI: con questo rivelatore si misura evento per evento l' energia rilasciata, E i, nel rivelatore. Quindi E = E i Per calcolare la dose: approssimeremo la distribuzione del numero di eventi in funzione dell' energia ad una spezzata. divideremo la curva in una decina di intervalli. considereremo l'energia media di ciascun intervallo e la moltiplicheremo per il numero di eventi compreso nell' intervallo, sommeremo su tutti gli intervalli i risultati cosi' ottenuti per valutare l' energia depositata, normalizzeremo la dose allanno in un dato volume


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