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La misura della radioattivita’

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Presentazione sul tema: "La misura della radioattivita’"— Transcript della presentazione:

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

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 l’universita`. Elettronica Fisica dei rivelatori Fisica medica (TAC, dosimetria) Didattica

3 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

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

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

7 Decadimento a Avvengono negli elementi piu’ pesanti
Le particelle a sono emesse con una energia ben determinata I figli decadono poi g in 10-10s circa In genere anche il nucleo subisce un movimento  il nucleo scappa via

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

9 Spettro energetico dell’e- nel 14C

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

11 Emissione g I raggi g sono fotoni emessi da un nucleo in stato eccitato In genere ho la diseccitazione in 10-10s 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

12 Schemi di decadimento, 226Ra e 40K

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

14 Firma radioattive di Au, Cs, I, La Mn
Elemento Energia del g (KeV) Au 198 412 Ba/Cs 137 662 I 128 443 La 140 329, 487, 1597 Mn 56 847,1811,2113

15 Mappa dei nucleidi Numeri di protoni Numero di neutroni

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

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 Elementi primordiali Hanno vita media paragonabile alla vita della terra (Terra >4.5x109 anni, Universo >15 x109) Sono in equilibrio secolare con un genitore appartenente ad una delle 3 famiglie radioattive: 232Th 235U 238U

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

20 Legge del decadimento radioattivo (1)
La probabilita` che un atomo si disintegri e` proporzionale a dt: P = l dt dove la costante di decadimento l 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….

21 Legge del decadimento radioattivo (2)
La vita media = 1/l Indica dopo quanto tempo il numero di atomi rimasto e` N0/2.7 Il tempo di dimezzamento indica dopo quanti tempo ho la meta’ degli atomi iniziali t1/2 = t ln2 = t

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 (NB=0), al tempo t avro’: lBNB= lANA(1-e-lBt) Asintoticamente l’attivita’ di B e’ uguale all’attivita’ di A equilibrio secolare

23 Equilibrio secolare (figura)
Dopo 6.6 t il rate di B e’ il 99.9% del suo rateo di disintegrazione finale

24 Unita` di misura

25 Becquerel (Bq), Gray (Gy), Sievert (Sv)
1) Unita' di attivita' Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s oppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 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 1015 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 b (elettroni), g (fotoni) e muoni; w = 20 per a.

26 Radioattivita` naturale

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

28 Famiglia radioattiva 238U

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

30 Righe g delle serie del 232Th e 238U

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

32 Righe a,b,g dei nuclidi primordiali

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

34 Radioattivita` dovuta ad attivita` umana

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

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

38 Radiazione: quanto “poco” e` poco?
A basse dosi (10 mSv/anno): 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 Ipotesi a soglia: il rischio di cancro aumenta solo per dosi superiori ad un certo limite.

39 1986: 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 a30,000 cancri mortali in piu` secondo L’ipotesi lineare (in aggiunta agli ~88 ml che avverranno)

40 Allarmismo?

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 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.

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

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 1014 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/cm3, 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: U238 : 4.5 × 109 anni, U235 : 7.0 ×108 anni, U234 : 2.4 × 105 anni

45 Uranio depleto (2) Uranio arricchito:
l'Uranio con una frazione di U235 superiore allo 0.7% (frazione normalmente presente nell'Uranio naturale). Per esempio: combustibili nucleari (1-3%), bombe atomiche (> 80%). U235 viene usato perche' da' "fissione nucleare". Uranio impoverito (DU): la quantita' di U235 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 Uranio depleto (3)

47 Uranio depleto (4)

48 Uranio depleto (5) L'attivita' dell'U238 e' pari a ~40000 Bq/g.
l’attivita’ specifica dell’ Uranio impoverito (0.2%) e’ 1.7 volte minore di quella dell’Uranio naturale, 20 milioni di volte inferiore a quella dell’Americio-241, usato nei sensori di fumo, installati in molte case americane…

49 La misura dell’Uranio con g
T1/2(238U) = 4.5*109 anni T1/2(235U) = 7.0*108 anni Eg(keV) Branching ratio(%) 143.8 11 185.7 57 235U Eg(keV) Branching ratio(%) 49.6 0.07 238U quindi con il 238 ho problemi a causa della debolezza della riga

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

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 l’acqua! 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 (1.6x10-19 Coulomb)

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 Come funziona un apparato di misura? (II)
Segnale elettrico t Rivelatore Amplificatore Contatore a, b, g i i Misura l'ampiezza del segnale N Energia

54 Come funziona un apparato di misura? (III)
Ni Energia Ricordando che D (dose) = E/M per calcolare D occorre valutare E e M - E depositata in un intervallo di tempo Dt e` l’area della curva: E = Ni ×Ei -> Etot = SNi ×Ei ( S = Somma su tutti i rettangolini) - Il calcolo della massa (M) del rivelatore e' piu' semplice: M = ps ×V ove ps e' il peso specifico e V e' il volume (ps = 3.67 g/cm3 (NaI), V = p/4 × d2 h~ 100 cm30 ) M = 367 g

55 Come funziona un apparato di misura? (IV)
La dose cosi' misurata e' relativa all'intervallo di tempo Dt durante il quale si sono acquisiti i dati. Ricapitolando: Per ottenere l’energia totale si divide lo spettro di energia acquisito nel tempo Dt in intervalli, per esempio, di 100 canali (ch) e si fa la somma dei prodotti Ni × Ei. Usando HV=490 V abbiamo preventivamente ottenuto il fattore di conversione : 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 Misura della radioattivita` di fondo
Contatore a NaI: con questo rivelatore si misura evento per evento l' energia rilasciata, Ei, nel rivelatore. Quindi DE = SEi 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 all’anno in un dato volume


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