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FISICA DELLAMBIENTE (laurea magistrale; F. Terrasi) 6 crediti: 40 ore (lez) + 18 ore (es. num.+lab.) Lezioni: Me 14:30-16:30; Ve 9:00-11:00 Aula GEA Tratta.

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1 FISICA DELLAMBIENTE (laurea magistrale; F. Terrasi) 6 crediti: 40 ore (lez) + 18 ore (es. num.+lab.) Lezioni: Me 14:30-16:30; Ve 9:00-11:00 Aula GEA Tratta dei molti aspetti della fisica che governano i processi ambientali nei fenomeni naturali e nella vita di tutti i giorni, la produzione ed il trasporto di energia per uso umano, le fonti energetiche rinnovabili e non, ed il loro impatto ambientale. Il concetto di energia, in tutti i suoi aspetti, gioca un ruolo fondamentale.

2 SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI Facoltà di Scienze Ambientali - Corso di Laurea Magistrale in Scienze e tecnologie per lambiente e per il territorio(Classe LM-75) Programma del Corso di: FISICA DELLAMBIENTE (6 crediti) a.a – docente: prof. F. Terrasi Elementi di fisica moderna Quantizzazione dellenergia. Latomo di idrogeno. Quantizzazione della radiazione. La radiazione di corpo nero. Leggi di Stephan-Boltzmann e di Planck. Energia di legame negli atomi e nei nuclei. Isotopi stabili e radioisotopi. Le leggi del decadimento radioattivo. Energetica dei decadimenti e delle reazioni nucleari. Microclimatologia della radiazione La radiazione solare. Emittanza ed emissività. Radianza e relazioni spaziali. Diffusione della radiazione. Assorbimento atmosferico. Misure di emissività. Elementi di fisica dellatmosfera Temperatura, pressione e umidità atmosferiche. Atmosfera isoterma e adiabatica. Gradiente di temperatura adiabatico: atmosfera secca e umida. Stabilità. Misura dei fattori climatici. Trasporto del calore. Conduzione, convezione e irraggiamento. Lequazione del calore. Temperatura di contatto Rendimento ed efficienza. Lavoro disponibile. Energia inutilizzabile e variazione di entropia. Energia dai combustibili fossili. Conversione di calore in lavoro. Produzione di energia elettrica. Immagazzinamento e trasporto dellenergia. Co-generazione. Radioattività ambientale Trasporto dei radionuclidi nellambiente. Le radiazioni ionizzanti. Esposizione, dose e dose equivalente. Elementi di radioprotezione. Metodi di datazione

3 Testi consigliati: Appunti dalle lezioni (lucidi disponibili sul sito) E. Boeker & R. van Grondelle. Environmental Physics. Second edition. Wiley Monteith J.L., Unsworth M. Principles of environmental physics, seconda edizione. Butterworth - Heinemann

4 Energia: capacità di un sistema di compiere lavoro. ATT! Non si consuma energia per produrre lavoro: si trasforma energia da una forma ad unaltra e/o si trasferisce energia da un sistema ad un altro. L AB = F dl dimensioni: [L] = [E] = [F] [l] = [m] [l] 2 [t] -2 unità: 1J = 1N 1m (MKSA); 1erg = J; 1kcal = J; 1kWh = J; 1tep = J = 11.6 MWh Lavoro necessario per sollevare 10 Kg di 1 m: m g h = 98.2 J Scaldabagno da 80 l da 20°C a 80°C: mC T = kcal = 5.6 kWh Contenuto energetico di un l di benzina: J 10 kWh Potenza: lavoro per unità di tempo W = L/t dimensioni: [W] = [F] [l] [t] -1 = [m] [l] 2 [t] -3 unità: 1W = 1J/1s (MKSA); 1 erg/s = W Potenza installata in un appartamento: 3 kW (Scaldabagno 1kW) 1 l di benzina a 100 km/h (consumo 10 km/l): t =.1h; W = 100 kW Capitolo 2 di: Clare Smith – Environmental Physics - Routledge B

5 CONSERVAZIONE DELLENERGIA…. Meccanica: L = Ksempre E = U + K = costforze conservative N.B. In presenza di forze dissipative lenergia meccanica non si conserva solo perché o è trasferita ad un altro sistema o si trasforma in altra forma di energia (p.e. attrito-calore) Termodinamica: Q – L = U int (per un ciclo: Q – L = 0) N.B.Sarebbe possibile qualunque trasformazione, ma …. (II principio) Elettromagnetica:L = V(t) i(t) dt p.e. effetto Joule in una resistenza Chimica, nucleare: B = Qreazione esotermica o endotermica: viene liberata (Q>0) o assorbita (Q<0) una quantità di energia pari alla variazione dellenergia di legame tra i costituenti di un sistema

6 10 1 deca (da) 10 9 giga (G) deci (d)10 -9 nano (n) 10 2 hecto (h) tera (T) centi (c) pico (p) 10 3 kilo (k) peta (P)10 -3 milli (m) femto (f) 10 6 mega (M) exa (E) micro (µ) atto (a) Consumo energetico mondiale 2001: Mtep Petrolio ……………………………………………………………….………………………… % Carbone …………………………………………………………………………………………..23.4% Gas naturale ………………………………………………………………………………… % Nucleare …………………………………………………………………………………………….6.9% Rinnovabili : 13.5%Idroelettrico ………………………………………….2.2% Combustibili e rifiuti ……………………………10.8% Solare, eolico, geotermico, maree ……..0.5%

7 TJGcalMtoe(ep)MBtuGWh TJ Gcal Mtoe(ep) MBtu GWh Tabella di conversione per lenergia gc eV = J; 1 a.m.u. = eV = J

8 10 10 tep = J = cal = kWh = 4.66 T c 2 Potenza: (1 a = s); tep/ s = 317 tep/s = W = 148 mg c 2 /s Popolazione mondiale: persone Potenza individuale: 2200 W/persona = 0.78 mgc 2 /a/persona Una centrale nucleare tipica produce 1 GWe Lavoro compiuto in media da un uomo in un giorno: 1.7 MJ 400 kcal. Potenza media erogata: 20 W = 0.9% energia consumata

9 Potenza emessa dal Sole: W = TJ/s = Kg c 2 /s (600 MT H -> 596 MT He; M = MT ; T = 100 Ga) Distanza Sole-Terra: 150 Mkm: TW/{ m] 2 } = 1372 W/m 2 ; R T = 6400 km ; 1372 W/m 2 [ m] 2 = TW = TJ/a = Mtep/a = volte il consumo energetico annuo mondiale In media su un m 2 di superficie terrestre: P= 1372 W/m 2 (1-0.34) R T 2 /4 R T 2 = 226 W/m 2 Albedo sezione terrestre superficie terrestre

10 ESERCITAZIONE

11 Atomo di idrogeno e+e+ e-e- a F = 1/(4 0 )e 2 /a 2 = m v 2 /a L = m v a = e [m a /(4 0 )] 1/2 ; a=L /(m e 2 ) E = U + K = - 1/(4 0 )e 2 /a + ½ m v 2 = = - 1/(8 0 )e 2 /a = - ½ me 4 /[(4 0 ) 2 L 2 ] Quantizzazione del momento angolare: L = n h/2 n=1,….; h = J s a = [h 2 0 /( me 2 )] n 2 = cm n 2 E = -( me 4 /8h ) 1/n 2 = eV 1/n 2 Energia totale negativa: sistema legato -E : energia di legame E = E 0 (1/n /n 2 2 )

12 Quantizzazione dellenergia Per un qualunque sistema legato lenergia totale (<0) rappresenta il lavoro che bisogna compiere contro le forze del campo per portare i suoi componenti a distanza infinita con energia cinetica nulla. Il suo valore assoluto rappresenta quindi lenergia di legame del sistema. Lenergia totale di un sistema legato è sempre quantizzata: il sistema può assumere soltanto valori discreti dellenergia a partire dallo stato fondamentale (energia totale minima, massima energia di legame). Livelli energetici discreti caratterizzati da numeri quantici. Un sistema non legato può assumere qualunque valore dellenergia totale (positiva)

13 Atomi e Molecole Elettroni atomici esterni: E = -(mZ 2 e 4 /8h ) 1/n 2 = eV Z 2 /n 2 ma: PeP n n 0 ; schermo elettronico: Z eff

14 Spettri atomici e molecolari Per indurre la transizione tra uno stato ed un altro la differenza di energia deve essere trasferita al sistema p.e. da un elettrone o da radiazione elettromagnetica: emissione/assorbimento di radiazione elettromagnetica: emissione assorbimento emissione spontanea stimolata E sist E sist = E e.m. = h. E e.m.

15 Teoria classica della radiazione e.m. B dl = o o d (E)/dt E dl = -d (B)/dt E d = 0 B d = 0 Eq. di Maxwell nel vuoto (x,y,z,t)=0 J(x,y,z,t)=0 E(x,y,z,t), B(x,y,z,t): x + y + z 1/c 2 ) t Caso di unonda piana polarizzata linearmente: E(x,t) = f(x ct) j Onda armonica progressiva: E(x,t) = E 0 sin(kx- t) con k/ = c ovvero = c; = 2 /k, = (2 / B(x,t) = E(x,t)/c Energia trasportata dallonda e.m. d 2 W /d dt=S x i con S = E x B/ 0 S = c u ; E 0 2 Classicamente può assumere valori comunque piccoli e variabili con continuità

16 Lo spettro elettromagnetico

17 Emissione e assorbimento della radiazione e.m. Una carica in moto accelerato irradia energia (una carica ferma produce un campo e.s; una carica in moto uniforme produce un campo m.s). P = (1/6 ) ( 0 /c) (qa) 2 (W). Se la carica oscilla con frequenza, la frequenza della radiazione sarà [P E 2 ; E a x(t)] Unonda e.m. che attraversa un mezzo opaco cede allunità di volume una quantità di energia per unità di tempo: p = E J = E 2 (W/m 3 ) Se il mezzo è trasparente lenergia che attraversa una superficie nellunità di tempo è data dal flusso del vettore di Poynting. Parte dellenergia può essere diffusa dal mezzo. Se la radiazione incide sulla superficie di separazione tra due mezzi è in parte riflessa, diffusa e assorbita.

18 Quantizzazione della radiazione Lenergia trasportata da unonda e.m. non può essere piccola a piacere e non può variare con continuità. Il quanto minimo di energia (il fotone) trasporta una quantità di energia che dipende dalla frequenza: E = h Quando unonda e.m. di frequenza si propaga in un mezzo costituito da molecole di un certo tipo, essa potrà cedere energia ad una molecola solo se questa possiede due livelli energetici discreti che differiscono tra loro di E mol = h e si trova inizialmente nel livello inferiore (di solito lo stato fondamentale). Analogamente, se la molecola si trova inizialmente in uno stato eccitato può diseccitarsi verso uno stato di energia inferiore e la differenza di energia viene rilasciata attraverso lemissione di un fotone di energia: h = E mol

19 Energia radiante Q (J): quantità di energia emessa, trasmessa o ricevuta Densità di energia u = dQ/dV (J/m 3 ): quantità di energia contenuta nellunità di volume Flusso di energia radiante dQ/dt (W): en. rad. per unità di tempo Alcune definizioni ed unità S S S d dA nr Intensità di emissione d /d = d e /dA/r 2 (W/sr): en. rad. per un. di tempo e di angolo solido d = dA/r 2

20 dA Irradiamento E d i /dA (W/m 2 ): en. rad. incidente per unità di tempo e di superficie n1n1 dA 1 d 1 Se la radiazione proviene da una sorgente puntiforme E d /dA = (d /d )(d /dA) = I (dA/r 2 )/(dA/cosa) = I cosa/r 2 I a legge di Lambert n dA d Radianza L d 2 /(dA 1 cos 1 d (W/sr m 2 ): flusso di en. rad. emessa per unità di superficie proiettata e di angolo solido s

21 Integrando d 2 sullangolo solido 2 (semispazio definito dalla superficie) si ottiene il flusso emesso per unità di superficie in tutto langolo solido: emettenza M = d e /dA 1 = Lcos 1 d Lemettenza ha le stesse unità dellirradiamento, ma si riferisce allemissione invece che allincidenza Se vale la II a legge di Lambert (L è indipendente da 1 ) M = L cos 1 2 sin 1 d 1 = L n2n2 2 n1n1 dA 1 d 1 dA 1 sorg. puntif. di intensità dI= L dA 1 cos 1 d 2 = dE 2 dA 2 dI cos /r 2 dA 2 L dA 1 dA 2 cos 1 cos /r 2 = LdA 1 cos 1 d II a legge di Lambert: se L è indipendente da 1, d 2 cos 1 ) dA 2

22 Variabili spettrali Si riferiscono alla quantità di energia (emessa, assorbita o trasmessa) in un intervallino d di frequenza (o d di lunghezza donda): Densità di energia spettrale u = du/d J/m 3 s - Flusso spettrale di energia radiante = d /d d 2 Q/dtd (W/s -1 ) Intensità spettrale di emissione I = d 2 /d d (W/sr s -1 ) Irradiamento (emettenza) spettrale E (M ) = d 2 /dAd [W/(m 2 s -1 )] Radianza spettrale L = d 3 / dAcos d d [W/(m 2 sr s -1 )] e analoghe con al posto di (e m invece che s-1 nelle unità) dM/d = dL/d (se vale la II legge del coseno) Emissione termica: flusso di energia radiante da una superficie a spese dellenergia termica del corpo: M ed L funzioni solo di e T (legge di Kirchoff)

23 Coefficiente di assorbimento a( ): frazione dellenergia incidente che è assorbita a lunghezza donda coefficiente di riflessione r( ): frazione dellenergia incidente che è riflessa a lunghezza donda Se il mezzo non è trasparente (t( ) = 0): a( )+ r( )=1 Legge di Kirchoff Due corpi in una cavità allequilibrio termodinamico: le pareti della cavità e i due corpi sono alla stessa temperatura T (II principio). La cavità è attraversata da radiazione termica in tutte le direzioni c1c1 c2c2 n d dA Flusso di en. rad. che passa per unità di superficie, di angolo solido e lunghezza donda: d 4 Q/dAcos d d dt; d 4 Q = (du/d )(c dt cos dA)(d /4 d d 3 /dAcos d d = (c/4 )du/d Se dA è sulla parete a( )d 3 /dAcos d d = dL/d per lequilibrio termico. a( ) (c/4)du/d dM/d potere emissivo cdt

24 Il corpo nero In generale dL/d = a(,T) (dL/d ) cn. Se a(,T) = 1 per qualunque il corpo si dice nero perché assorbe tutta lenergia che riceve. Paradossalmente il corpo nero è quello che ha un potere emissivo ( ) massimo: (dL/d ) cn > dL/d Le superfici speculari emettono poco (dewar, pentole): se a(,T) = 0 -> dL/d = 0 (dL/d ) cn è una funzione universale e non dipende da (per un corpo nero vale la II legge di Lambert). Se dL/d 0, agli stessi e T deve essere a(,T) 0 (se emette deve anche assorbire). Ma non vale il viceversa; se a(,T) 0, può essere dL/d 0 se (dL/d ) cn 0: un corpo può assorbire radiazioni che alla stessa T non emette In realtà un corpo si comporta come nero se a(,T) = 1 nellintervallo di in cui emette alla temperatura T (la neve è un corpo nero per la radiazione termica)

25 ESERCITAZIONE

26 La radiazione di corpo nero (dM/d ) cn = (c/4)du/d ; du/d = du/d (c 2 ); du/d = 2dN/d kT/V Onda stazionaria: E(x,t) = E 0 sin(kx- t) + E 0 sin(kx+ t) = 2E 0 sinkx cos t Condizioni al contorno: E(0,t) = E(a,t) = 0 k x a = n x ; k x = 2 / = 2a/n x ; = n x (c/2a) In tre dimensioni: = (c/2a)[n x 2 + n y 2 + n z 2 ] 1/2 dN/d = ( /2)(2a/c) 3 2 = (4 /c 3 ) V 2 ; du/d = (8 /c 3 ) kT 2 du/d = (8 ) kT/ 4 (dM/d ) cn = (2 c) kT/ 4 LEGGE DI RAYLEIGH_JEANS CATASTROFE ULTRAVIOLETTA Energia media di ciascun oscillatore

27 Quantizzazione della radiazione Se si suppone che lenergia degli oscillatori possa assumere soltanto valori discreti E n = nh (con h= Js, costante di Plank), lenergia non è kT ma: = h /[exp(h /kT)-1], per cui lemettenza spettrale diventa: (dM/d ) cn = [(2 c 2 h)/ 5 ]/[ exp(hc/kT )-1] LEGGE DI PLANK Per -> 0 lemettenza spettrale non diverge; per -> 0 la legge di Plank tende alla legge di Rayleigh-Jeans Lintegrale su tutto lintervallo di lunghezze donda della L.d.P. fornisce: M cn = 2 5 k 4 /(15c 2 h 3 )T 4 = T 4 con = W/(m 2° K 4 ) LEGGE DI STEFAN-BOLTZMANN Il massimo dellemettenza spettrale si ha per max = c/T con c= mK e M cn ( max )= aT 5 con a = W/m 3° K 5 LEGGE DI WIEN

28 ESERCITAZIONE

29 Assumiamo: Sole: corpo nero Terra: corpo nero La terra riflette il 34% della rad. La terra non ha atmosfera r s = 7 x 10 8 m D t-s =1.5 x m 5800 K Legge di Stefan-Boltzmann : M (T)= T 4 T t 1 a 1/4 r s 2d t-s 1/2 T s T t K 20 o C Quale sarebbe T t in queste ipotesi? Flusso solare totale Frazione che la terra riceve Albedo terrestre Flusso totale terrestre Equilibrio: r t 2 4 d t-s 2 1 a T t 4 4 r t 2 s 4 4 r s 2

30 terra Luce solare visibile e ultravioletta Termico- infrarosso H 2 O,CO 2,CH 4,N 2 O,CFC atmosferici Le basi del nostro clima 1353 W/m 2 effetto: terra come corpo nero senza atmosfera (legge di Stefan-Boltzmann) : T ave ­ -20°C situazione reale presente: T ave ­ +15°C

31

32 sole terra Assorbimento da acqua CO 2 CH 4, N 2 O ozono Spettri di corpo nero M (normalizzato) Assorbimento (%) Lunghezza donda ( m) Livello del suolo

33 BILANCIO DELLA RADIAZIONE (schematico) Piccole Grandi Trasporto atmosferico IPCC 1995

34 = 0

35 parameters: Transmission coefficients t a transmission of sunlight through the atmosphere 0.53 t' a transmission of thermal IR through the atmosphere0.06 Reflection coefficients (albedos) a a albedo of the atmosphere for incoming sunlight0.30 a s albedo of the earths surface for incoming sunlight0.11 a' a albedo of the atmosphere for terrestrial thermal IR0.31 a' s albedo of the earths surface for thermal IR0 formulation of heat transport cproportionality coefficient2.5 W/(m 2 K) constants Ssolar constant1353 W/m 2 Stefan Boltzmann constant5.76 x W/(m 2 K) Solution:T s = K (c is tuned to this result) T a = K (somewhat too low)

36 La costante solare: insolazione al variare dellora e della stagione a varie latitudini (declinazione solare): angolo tra la direzione del sole e lequatore celeste; varia tra –23°27 e 23°27 tra i solstizi; agli equinozi =0

37 SUN insolazione solare W/m Angolo zenitale del sole (90° - altitudine sullorizzonte) alle ore S : cos = sin sin + cos cos cos S

38 1-dimensional energy balance model with latitudinal heat transport. more sophisticated: seasons Annual averages

39 SUN Input for the 3-zone-model: (1) Solar insolation We find: S' T = (5/16)x S S' N / S' Z = S x (7/32) W/m S + T S' N + S' Z 3 = 1/4 S

40 simple 1-D "zonal" EBM N T S 20° Atmosphere surface T 4 a T 4 a T 4 s a a ' T a T s a a S ' N a s t a t a ' shorrt wave heat transport long wave (T - s T ) a c per zone the known "0-D" EBM, but: each zone different S' interaction between the zones: e aN, e sN, e aZ, e sZ T 4 a T 4 a T 4 s a a ' T a T s a a a s t a t a ' (T - s T ) a c T 4 a T 4 a T 4 s a a ' T a T s a a a s t a t a ' (T - s T ) a c S ' T S ' Z e aN e sN e sZ e aZ Atmosphere surface shorrt wave heat transport heat transport long wave

41 N T S 20° equal area 4/3 r a 2 r R h dh dt dh = dt cos r = R cos h = R sin ; dh = R cos d dS = 2 rdt = 2 Rdh = 2 R 2 cos d S = 2 R 2 (sin sin 2 R 2 sin 2 R 2 (1- sin sin S N ( )a a t a a s t a + (T - s T ) a c + T 4 s (1- - ) t a ' a a '- 2 T +e aN 4 a = 0 S N (1- ) t a a s - (T - s T ) a - c - T 4 s (1- )a a ' + T +e sN 4 a = 0 S T ( )a a t a a s t a + (T - s T ) a c + T 4 s (1 - - ) t a ' a a ' - 2 T -2e aT 4 a = 0 S T (1- ) t a a s - (T - s T ) a -c-c - T 4 s (1- )a a ' + T 4 a -2e sT = 0

42 T a = - 21°C T s = 22°C T a = - 28°C T s = 11°C

43

44

45 CFCs

46 Predizioni dei modelli climatici, IPCC 2001

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48 Inverno Estate ph oto dissociation of O 2 23 Modello reale" del clima = bilancio energetico 90% 99.9% Atmosfera fortemente anisotropa Vert: 6°K/km; or: 0.05 °K/km Superfici isobariche e isoterme quasi orizzontali

49 Legge dei gas perfetti pV nRT p T[R10 3 /M] con = m V = n M V Per un miscuglio di gas: legge di Dalton (p i pressioni parziali) p p i R T 10 3 i /M i ) i p T R10 3 x i /M i x i = i / con Definiamo massa molecolare efficace 1/M eff x i /M i p T [R10 3 / M eff ] Consideriamo una parcella di aria ad altezza z: pressione ad altezza z:p(z) equilibrio:dp= -g dz z+dz:p+dp z p+dp p z+dz

50 Formula dellaltezza barometrica p H e p p o e z / H e R 10 3 T ; H e = M eff g =- g gM eff p RT10 3 dpdp dzdz Se T fosse costante (atmosfera isoterma) e M eff non dipendesse da z (ben mescolata) p 0 pressione al livello del mare H e = 8.4 km per T=288°K; M eff =28.96 H e è proporzionale a T, cioè a basso T la pressione atmosferica diminuisce più rapidamente: le superfici isobariche si inclinano verso il basso andando dallequatore ai poli (a basse altitudini) PianetaComp.M eff (g)G (N/m 2 )T (°K)H e (km) TerraN 2, O MarteCO VenereCO GioveH2H

51 Troposfera: perché la temperatura diminuisce con laltezza? Se una parcella daria sale in quota si espande e si raffredda Il processo è con ottima approsssimazione adiabatico 1 a Legge della termodinamica dQ dUdU pdV n C v dT pdV d T m n C p d T dz d T p p z m n C p g g M C p d n C v dT VdpVdp n RdT n C p dT m dp dQ d p d K/m ; in cima alla troposfera avremmo una temperatura troppo bassa: in realtà laria è umida, salendo condensa e la condensazione rilascia calore d d d Gradiente di temperatura per atmosfera adiabatica secca M C p

52 Variazioni della temperatura con laltezza a varie latitudini A causa della forte irradiazione solare nella zona equatoriale la troposfera è più profonda (forte convezione) che alle grandi latitudini. Per lo stesso motivo la superficie terrestre è più calda. Pur essendo T 0 più grande, a parità di lapse rate, alla tropopausa la temperatura allequatore è più bassa che alle alte latitudini. Ad alta quota le superfici isobariche sono inclinate verso lalto andando verso i poli (al contrario che alle basse quote) z T T0T0 T tp

53 Umidità atmosferica Pressione parziale di vapore acqueo (e): pressione che avrebbe il v.a. se occupasse da solo il volume dellaria umida. Se e raggiunge un valore limite (e s, di saturazione) ulteriori aggiunte di v.a. condenserebbero: e s è quindi la pressione parziale del v.a. in equilibrio con la fase liquida (indipendente dalla pressione totale atmosferica). EQUAZIONE DI CLAUSIUS-CLAPEYRON: d(ln e s )/dT = /(RT 2 ); con calore latente di evaporazione in kJ/mole integrando: e s = e s 0 exp{-[( /R)(1/T-1/T 0 )]} La pressione parziale di vapore saturo dipende fortemente da T (in aria calda posso avere più umidità che in aria fredda; se raffreddo aria satura il v.a. condensa). Def: umidità specifica u = m v /m t = v / t = eM v /pM eff e quindi lumidità specifica di saturazione è: u s = e s M v /pM eff che, al contrario di e s, dipende dalla pressione, oltre che da T. Umidità relativa: h = 100 e(T)/e s (T) Misura: termometro a bulbo bagnato, punto di rugiada

54 Calore di condensazione Quantità di vapore condensato (<0!) Lapse rate dellaria umida. Durante il sollevamento della massa daria si ha condensazione. Il processo non è più adiabatico: dQ 0 lapse rate dellatmosfera umida satura Aria calda e umida s 0.5 d Aria fredda e secca: s d n C p dT m dp dQ m dudu dTdT dzdz d m nCnC p du dzdz s s d u=m v /(m v +m a ) Temperatura (°C) altezza (m) Aria secca Aria umida Pressione atm. (mBar)

55 Lapse rate e stabilità verticale z T Parc. Env. z T Parc. stabile instabile Il lapse rate dT/dz rappresenta la variazione di temperatura di una massa daria che sale; il gradiente di temperatura dellaria circostante ( T z) può essere maggiore o minore. Se T p > T e, la parcella, più calda e quindi meno densa, tende a salire Salendo si raffredda più rapidamente, la sua densità si avvicina a quella dellaria circostante e la spinta diminuisce fino ad invertirsi Salendo si raffredda più lentamente, la sua densità si allontana da quella dellaria circostante e la spinta aumenta

56 TRASPORTO DEL CALORE CONDUZIONE quantità di calore che fluisce in un secondo attraverso una superficie unitaria posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione: densità di corrente di calore J q (vettoriale; J/m 2 /s o W/m 2 ). Flusso di calore (scalare): J q ) = J q · ·û n dA [se J q = cost û n -> J q ) = J q A J q = - k gradT (legge di Fourier); k(W/m/K) conducibilità termica (dip. da T) 1-dim: = - k A dT/dx -> T 2 -T 1 = d/kA (R=d/kA resistenza termica) x T1T1 T2T2 T3T3 d 1 /k 1 A+d 2 /k 2 A=R d1d1 d2d2

57 CONVEZIONE contatto superficie-fluido (convezione libera o forzata) J q = h (T s -T f ) (legge di Newton); h(W/m 2 /K) coefficiente di trasferimento 1-dim: = - h A (T s -T f ) -> T s -T f = 1/hA (R=1/hA resistenza termica) materiale (kg/m 3 ) k (W/m/K)a (10 -7 m 2 /s)b(J/m 2 /K/s 1/2 ) Aria Schiuma Carta Vetro Legno Mattoni Cemento Alluminio Acciaio Rame Sabbia Suolo

58 IRRAGGIAMENTO Se a(,T) = cost = < 1 (corpo grigio) J q = (T 4 s -T 4 e ) 1-dim: T s -T e = 1/[A (T s +T e ) (T 2 s +T 2 e )] (non ohmico) RESISTENZA TOTALE (IN SERIE): TEMPERATURE ASSEGNATE AGLI ESTREMI -> T fin – T in )/R tot ; R tot = R 1 + R 2 + … Parete a due strati con superfici esterne: R = 1/h 1 A+d 1 /k 1 A+d 2 /k 2 A+1/h 2 A 1 2 Temperatura di contatto

59 Equazione del calore Variazione del contenuto di calore: flusso entrante + sorgente Q/ t = -div(J q )dV + S dV; dQ = c p TdV c p T/ t = div(k gradT) + S T/ t = a T + S/ c p ; a k/( c p ) coefficiente di Fourier 1-dim, S=0: T/ t = a 2 T/ x 2 Perturbazione sinusoidale al contorno: x = 0 : T(t,x=0) = T av + T 0 cos t; x= T av Soluzione: T(x,t) = T av + T 0 exp(-Ax) cos t-x/v) v = 2a (2a) x

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61 Perturbazione a gradino al contorno: T(0,t)=T 1 ; T(x,0)=T 0 x/ 4at Soluzione: T(x,t) = T 1 - (T 1 – T 0 ) 2/ exp(-z 2 ) dz J q = - k dT/dx = k (T 1 – T 0 ) exp(-x 2 /4at)/ at con k/ a = k c p b (coefficiente di contatto) J q (x=0) = b (T 1 – T 0 ) / t Temperatura di contatto: x T0T0 T1T1 J left =J right -> b 1 (T 1 – T c ) / t = b 2 (T c – T 2 ) / t T c = (b 1 T 1 +b 2 T 2 )/(b 1 +b 2 ) x T2T2 T1T1 TcTc

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63 Energia solare diretta Solare termico a bassa temperatura (uso domestico) Solare termico ad alta temperatura (generazione di elettricità; concentratore) Fotovoltaico Flusso energetico incidente utile (700 W/m 2 ) Perdite di energia per conduzione, convezione, irraggiamento P perd = T 4 -> per t=80 °C P= 880 W/m 2

64 Conduzione: J q = c (T out -T in ) = c Q (T out - T in ) Trasmissione P = S t Assorbimento P = S t a A Convezione P conv = h (T out - T aria ) Irraggiamento P irr = (T vetro 4 – T env 4 ) Caso tipico: S = 700 W/m2; t = 90%; T aria = 25°C; T vetro = 30°C; T env =-10°C =.94; T out -T in = 27.7°C; = 55%

65 Transparent insulation material (TIM) The solar wall, also called 'trombe wall'

66 Produzione di energia e II legge della termodinamica I legge: U = Q – L (in generale dL = pdV + dL e ): lenergia si conserva; qualunque conversione è possibile, ma…. II legge: la conversione integrale di calore in lavoro è impossibile Conseguenza del II principio: disuguaglianza di Clausius Lentropia è una funzione di stato: non ha senso chiedersi qual è la variazione di entropia associata ad una particolare trasformazione, ma solo quella tra lo stato iniziale e lo stato finale del sistema in quella, o qualunque altra trasformazione tra gli stessi stati: S = Q/T) rev dove lintegrale è calcolato lungo una qualunque trasformazione reversibile tra A e B; trattandosi di una trasformazione reversibile T è indifferentemente la temperatura del sistema o quella della sorgente con cui il sistema scambia calore. Altra cosa, questa riferita ad una specifica trasformazione, è lintegrale di Clausius: I = Q/T sorg ) dove questa volta T sorg è la temperatura della sorgente, che nel caso che la trasformazione sia irreversibile non coincide con quella del sistema. B B

67 La disuguaglianza di Clausius stabilisce che I S, dove il segno di uguale vale solo se la trasformazione in questione è reversibile Esempio: riscaldamento di un gas perfetto dalla temperatura T 0 alla temperatura T f : p 0, V 0, T 0 p f,, V f,, T f 1)Trasformazione reversibile S = A Q / T ) rev = (dU+dL)/T ] rev = (nc v dT+ nRTdV/V)/T ] rev = nc v ln(T B /T A ) + nRln(V B /V A ) S = nc v ln(T B /T A ) p A, V A, T A p, V, Tp B, V B, T B …….... TATA T A + T TBTB 2)Trasformazione irreversibile S = nc v ln(T B /T A ) + nRln(V B /V A ) I = Q/T sorg )= nc v (T B -T A )/ T B p A, V A, T A p B, V B, T B TATA TBTB V=cost Stati di equilibrio Stati di non equilibrio Stati di equilibrio B B B B

68 Ciclo: U = 0 Q c = L + Q f rev = L rev /Q c =1-T f /T c S = ( Q/T s ) rev > ( Q/T s ) irr Ciclo irreversibile: S s = 0; S u >0 S u = S e S c + S f = -Q c /T c +Q f /T f L irr = Q c -Q f ; L rev = Q c (1-T f /T c ) L irr - L rev = -T f (Q f /T f – Q c /T c ) = -T f S u Prod L T c T f Ass. Q c Ril. -Q f Utile Disponibile Perduto In un ciclo sono necessarie almeno due sorgenti di calore:

69 Rendimento termico vs. Efficienza di II principio lavoro prodotto/calore assorbito lavoro utile/lavoro disponibile ( = L/Q c = 1- Q f /Q c ) = L/L rev = L/(L+T f S u )) Generalizzazione: = energia in uscita/energia in ingresso = energia utile/max energia in uscita (calore o lavoro) per lo stesso ingresso Prod L TcTc T f =T e Abs Q c Rel Q f Mocchina termica Prod L T c =T e T f Abs Q c Rel Q f Macchina termica fredda Cons L TcTc T f =T e Rel Q c Abs Q f COP Pompa di calore Cons L T c =T e TfTf Rel Q c Abs Q f COP Frigorifero = L/Q c 1- T e /T c = L/Q c 1- T f /T e = Q c /L (1-T e /T c ) -1 = Q f /L (T e /T f -1) -1 =L/L max =L/[Q c 1-T e /T c )] =L/L max =L/[Q c 1-T f /T e )] = Q c 1-T e /T c ) /L = Q f T e /T f -1) /L

70 Disuguaglianza di Clausius: dS Q/T sorg (segno = per trasformazioni reversibili) Definiamo lentalpia: H = U + pV -> dH = dU + pdV + Vdp = Q + Vdp Per p=cost -> dH = Q; per una reazione chimica o per una transizione di fase: - H = potere calorico dei combustibili (condensazione del vapore) Esempio: regolatori di pressione: p 1,V 1 -> p 2,V 2 P 1,V 1 P 2,V 2 Q-L = U 2 -U 1 (adiabatica) U 2 -U 1 + p 2 V 2 -p 1 V 1 = 0 H 1 = H 2 Definiamo lenergia libera F = U - TS -> (trasformazione reversibile) dF = dU - TdS - SdT = dU - Q – SdT -> dF = -dL - SdT

71 Per T=cost -> dF = -dL; diminuizione di energia libera = calore liberato Energia libera di Gibbs: G = H - TS -> (trasformazione reversibile) dG = dU + pdV + VdP – TdS – SdT = Q – dL e + Vdp – Q – SdT dG = Vdp – SdT – dL e Per p = cost e T = cost -> dG = -dL e Se ho un composto con n i moli delle sostanze i = 1,…,n: dG = G p dp + G T dT + i G n i dn i = Vdp – SdT + i i dn i i : potenziali chimici dU = dG – pdV – Vdp + TdS + SdT = -pdV + TdS + i i dn i

72 Per un sistema in generale, non necessariamente ciclico, introduciamo il concetto di lavoro disponibile B come il massimo lavoro che può essere ottenuto da un sistema o da un combustibile quando subisce un processo che lo porta in equilibrio con latmosfera. E importante riferirsi al lavoro tra le varie forme di energia in virtù del secondo principio (per il lavoro non ci sono limiti a trasformazioni). Se considero un combustibile, il lavoro che posso estrarre dipende dal suo contenuto energetico: vedremo tra poco che è uguale alla variazione di energia libera di Gibbs

73 Pompa di calore vs caldaia = Q c /L (1-T e /T c ) -1 = Q c / H calore utile = Q c = L calore utile = Q c Energia utilizzata = L Energia utilizzata = H Massimo calore utile = L/ 1-T e /T c ) Massimo calore utile = / 1-T e /T rad ) = / 1-T e /T c ) -1 =L/(L+T e S u ) = Q c 1-T e /T rad ) / H In generale: Atmosfera T e, p e Sistema V i, U i, S i Q L Sistema V f, U f, S f L U s = U f -U i = -Q - L - L; S s = S u – S e = S u – Q/T e -> Q= T e ( S u – S s ) S e (B=)(U i -U f ) + p e (V i -V f ) - T e (S i -S f ) = U s - p e V s +T e S s = Q+L+L - p e V s +T e S s = - T e S s +T e S u - p e V s + T e S s + L+ p e V s = L+ T e S u = B; = L/(L+ T e S u ) (B =- G per p=cost e T=cost)

74 Rendimento di un sistema reale: Le temperature T e e T c sono effettivamente le temperature della macchina? In generale: TcTc TfTf Abs Q c Rel Q f TcTc TeTe Q c = a c (T c -T c ) Q f = a f (T f -T e )

75 IL CICLO DI CARNOT

76 IL CICLO DI STIRLING

77 IL CICLO OTTO

78 IL CICLO DIESEL

79 LA MACCHINA A VAPORE (a combustione esterna) TURBINA POMPA BOILERBOILER CONDENSCONDENS L in =V 1 (p 2 -p 1 ) = H 2 -H 1 Q in = H 3 -H 2 Q out = H 4 -H 1 L out = H 3 -H 4 L tot = H 1 -H 2 + H 3 -H 4 = 1 – Q out /Q in adiab isob adiab isob

80 Motori a combustione interna Nei cicli Otto (motore a benzina) e Diesel (motore Diesel) non cè una sorgente di calore esterna; la combustione è innescata da una scintilla o dallaumento di temperatura dovuto alla compressione Ciclo Otto: = 1 – 1/r ( -1) Ciclo Diesel: = 1 – 1/r ( -1)

81 Produzione di energia elettrica Variazioni giornaliere e stagionali della domanda: Centrali per la produzione di base: combustibile fossile e produzione di vapore (alto costo di costruzione, basso costo di esercizio). Centrali per la produzione di picco: turbine a gas (basso costo di costruzione, alto costo di esercizio) Ciclo combinato Immagazzinamento Trasporto

82 ENERGIA NUCLEARE Un nucleo atomico è un sistema quantistico costituito da Z protoni e N neutroni (A=Z+N) interagenti con energia totale negativa -> sistema legato Lenergia di legame totale (E tot = U(<0) + K) è equivalente alla differenza tra la somma delle masse dei costituenti e la massa del sistema B = m i -M nuc = ZM p +NM n - M nuc 1 a.m.u. (1/12 della massa del 12 C) equivale a 932 MeV In una reazione nucleare, se la massa dei costituenti finali è minore della massa dei reagenti, la differenza viene liberata sotto forma di energia cinetica Tutti i nuclei tendono ad uno stato di energia minima: se un nucleo può trasformarsi in un altro con uno stato finale di massa più piccola subisce un decadimento radioattivo accompagnato dallemissione di radiazioni ionizzanti

83 Tavola degli isotopi Noti: 114 elementi 260 nuclidi stabili Prodotti artificialmente 2600 nuclidi radioattivi

84 Leggi del decadimento Ciascun nucleo ha una probabilità di decadere nel tempo t costante e indipendente dagli altri: p = t ( costante di decadimento s -1 ) Se al tempo t sono presenti N(t) nuclei, si può calcolare la probabilità che ne decadano n(

85 RADIONUCLIDI IN NATURA I radionuclidi prodotti al tempo della formazione del sistema solare sono sopravvissuti fino a oggi solo le la loro vita media è dellordine delletà della terra (miliardi di anni): radionuclidi primordiali Radionuclidi a vita media più breve sono prodotti naturalmente per bombardamento dellatmosfera da parte dei raggi cosmici e la loro abbondanza è (quasi) allequilibrio: radionuclidi cosmogenici Radionuclidi a vita media breve (in misura minore anche lunga) sono prodotti artificialmente per vari scopi (produzione di energia, armamenti, controlli industriali, diagnostica e terapia medica, etc): radionuclidi antropogenici

86 Decadimenti radioattivi AZAZ 1 0 A-4 (Z-2) Z N Q AZAZ 1 0 A (Z+1) Z N Q AZAZ A (Z-1) Z N Q A Z A-4 Z-2 + A Z A Z+1 + A Z A Z-1 +

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91 RADIAZIONI IONIZZANTI Direttamente ionizzanti Indirettamente ionizzanti Interazioni della radiazione con la materia Danno biologico (dose, dose efficace) Schermatura (attenuazione) Rivelazione (analisi qualitativa e quantitativa)

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97 10 -8 cm cm R atomo = · R nucleo M nucleo = 4000 · M atomo sfere da un metro a distanza di 100 chilometri !! Il nucleo e composto da Protoni e neutroni interagenti tramite le forze nucleari Le energie in gioco sono decine di milioni di volte piu elevate delle energie chimiche (elettroni) Gli atomi

98 Numero atomico Z (n° di elettroni negativi) = n° di protoni positivi nel nucleo Numero di neutroni N Numero di massa A = Z + N Masse atomiche misurate in a.m.u. 1 amu corrisponde a kg Equivalenza massa-energia: E = m c 2 1 amu-> J Energia guadagnata da un elettrone in un campo elettrico E = e V; e = C; 1 amu -> MeV M e = MeV

99 RADIOATTIVITA AMBIENTALE Un nucleo atomico è un sistema quantistico costituito da Z protoni e N neutroni (A=Z+N) interagenti con energia totale negativa -> sistema legato Lenergia di legame totale (E tot = U(<0) + K) è equivalente alla differenza tra la somma delle masse dei costituenti e la massa del sistema B = ( m i -M nuc ) c 2 = (ZM p +NM n - M nuc ) c 2 1 a.m.u. (1/12 della massa del 12 C) equivale a 932 MeV In una reazione nucleare, se la massa dei costituenti finali è minore della massa dei reagenti, la differenza viene liberata sotto forma di energia cinetica Tutti i nuclei tendono ad uno stato di energia minima: se un nucleo può trasformarsi in un altro con uno stato finale di massa più piccola subisce un decadimento radioattivo accompagnato dallemissione di radiazioni ionizzanti

100 a)Il Radiumator: pompava aria attraverso una sorgente di Radio e la faceva gorgogliare nellacqua da bere b)Il Revigator (1912): un pezzo di roccia radioattiva veniva posto nel distributore di acqua potabile c)Compresse radioattive per la cura del mal di testa e considerate un potente analgesico

101 Tavola degli isotopi Noti: 114 elementi 260 nuclidi stabili Prodotti artificialmente 2600 nuclidi radioattivi

102 12 C (98.9%) 66 protoni (z) neutroni (n) elettroni (z) 13 C (1.1%) C 86 stabile radioattivo

103 Decadimenti radioattivi AZAZ 1 0 A-4 (Z-2)+ 4 He Z N Q AZAZ 1 0 A (Z+1) Z N Q AZAZ A (Z-1) Z N Q A Z A-4( Z-2) + A Z A( Z+1) + A Z A (Z-1) + E Q E x

104 Abbondanze isotopiche in natura Le abbondanze degli elementi e degli isotopi in natura dipendono dalla nucleosintesi del sistema solare. Le abbondanze naturali dei vari isotopi in natura sono quasi costanti su tutta la terra. Le piccole differenza o variazioni possono essere utilizzate per ricostruire processi naturali o antropogenici. Differenze nelle abbondanze isotopiche in differenti sostanze, o fasi differenti della stessa sostanza, sono caratteristiche della loro origine: isotopi come traccianti. Cambiamenti nella composizione isotopica avvengono in quasi tutti I processi fisici e chimico-fisici (frazionamento): isotopi come markers. Per gli isotopi radioattivi una segnatura addizionale è il tempo.

105 Leggi del decadimento Ciascun nucleo ha una probabilità di decadere nel tempo t costante e indipendente dagli altri: p = t ( costante di decadimento s -1 ) Se al tempo t sono presenti N(t) nuclei, si può calcolare la probabilità che ne decadano n(

106 La legge del decadimento radioattivo Si definisce tempo di dimezzamento ( 1/2 ) il tempo in cui lattività si dimezza, cioè A( 1/2 ) = 0.5 A 0 1/2 = 0.693

107 Alcuni casi tipici ISOTOPORAD. EMESSA 1/2 60 Co elettroni e gamma 5.27 anni 3H3H elettroni12.3 anni 137 Cs elettroni e gamma 30 anni 15 O elettroni e gamma 123 secondi

108 Il 14 C è radioattivo: 14 C 14 N+e - + ; T 1/2 =5730 a Sistema isolato Produzione continua 14 N+n 14 C+ p Prod: 331 atomi/giorno _

109 Un concetto importante La vita media ha importanti conseguenze sulla radioprotezione: A parità di Attività iniziale una sorgente a vita media lunga emette radiazioni (ed è quindi potenzialmente pericolosa) per molto tempo. Una sorgente a vita media breve si esaurisce rapidamente ma concentra lemissione di radiazione in un tempo breve con possibilità di produrre danni rilevanti anche per esposizioni limitate nel tempo.

110 RADIONUCLIDI IN NATURA I radionuclidi prodotti al tempo della formazione del sistema solare sono sopravvissuti fino a oggi solo le la loro vita media è dellordine delletà della terra (miliardi di anni): radionuclidi primordiali Radionuclidi a vita media più breve sono prodotti naturalmente per bombardamento dellatmosfera da parte dei raggi cosmici e la loro abbondanza è (quasi) allequilibrio: radionuclidi cosmogenici Radionuclidi a vita media breve (in misura minore anche lunga) sono prodotti artificialmente per vari scopi (produzione di energia, armamenti, controlli industriali, diagnostica e terapia medica, etc): radionuclidi antropogenici

111 Alcuni esempi: Attività totale in un m 3 di aria: 30 Bq Attività del 40 K contenuto nel corpo umano: 5 kBq Attività totale rilasciata nellincidente di Chernobil : Bq Attività totale rilasciata dalla bomba di Hiroshima: Bq

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114 La famiglia radioattiva dell 238 U

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119 Attività specifica del 137 Cs nel suolo (fall out)

120 137 Cs 134 Cs 106 Ru 103 RuRN naturali fallout totale (TBq) densit à di fallout (kBq/m 2 ) % rispetto al totale dose al suolo ( Sv / 7d) Fallout al Stima della ricaduta di radionuclidi in Campania in seguito all incidente di Chernobyl

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123 Le radiazioni ionizzanti Ionizzare un atomo significa strappare uno o più elettroni dalla loro orbita intorno al nucleo: latomo non è più neutro ma diventa carico positivamente e si chiama ione. Il comportamento chimico dello ione è diverso da quello di un atomo neutro e questo altera il materiale (ad es. una cellula) di cui lo ione fa parte. Ci sono modi diversi per ionizzare un atomo: in tutti i casi si tratta di colpire latomo con un proiettile, quello che cambia è la natura del proiettile (o, più correttamente, della radiazione)

124 RADIAZIONI IONIZZANTI Direttamente ionizzanti Indirettamente ionizzanti Interazioni della radiazione con la materia Danno biologico (dose, dose efficace) Schermatura (attenuazione) Rivelazione (analisi qualitativa e quantitativa) le radiazioni ionizzanti sono particelle e/o radiazione elettromagnetica che scaturiscono dal processo di decadimento del nucleo di un atomo, la radioattività, di origine naturale o artificiale, e sono in grado di modificare la struttura della materia con cui interagiscono. Nel caso dei tessuti biologici questa interazione può portare a un danneggiamento delle cellule

125 Particelle alfa ed altri ioni… Possono essere emessi da sostanze radioattive o dagli acceleratori per radioterapia… Attraversando un materiale seguono una traiettoria rettilinea perdendo la loro energia cinetica (e quindi ionizzando gli atomi) in tutto il percorso. Quasi tutta lenergia viene persa quando la particella è quasi ferma

126 … Si può quindi definire uno spessore di materiale (range) sufficiente a bloccare tutte le particelle di una data energia Questo tipo di radiazioni ha ranges molto piccoli: SONO MOLTO FACILI DA SCHERMARE (in genere bastano pochi mm di materiale) Range (mm) 0,1 0,01 1

127 Elettroni… Possono essere prodotti da sostanze radioattive, da acceleratori ma anche da tubi per raggi x. Attraversando un materiale perdono energia con una sequenza continua di urti ma, poiché sono molto leggeri (un protone pesa circa 2000 volte più di un elettrone) seguono una traiettoria casuale e non è possibile definire con precisione un range come per le particelle cariche più pesanti. Inoltre gli elettroni irraggiano, cioè producono x e gamma

128 … Anche in questo caso comunque gli spessori di materiale attraversati sono relativamente brevi: elettroni da circa 20 MeV sono assorbiti in circa 10 cm di acqua, le particelle vengono fermate in 1-2 cm di acqua. Tubo a raggi x Circa 0,1 mm

129 Interazione radiazione gamma (fotoni) - materia Effetto fotoelettrico Effetto Compton produzione di coppie e + e -

130 Schermature fotoni spessore N = 1/ = libero cammino medio Piombo Calcestruzzo Z 5 (fotoelettrico) probab. interazione Z (Compton) Z 2 (prod. coppie) = coefficiente di attenuazione/assorbimento

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132 Tecniche sperimentali Campionamento Misure di spettroscopia :spettro continuo, necessità di separazione chimica :spettro discreto necessità di riduzione del campione e di allocare rivelatore e campione in un ambiente a bassa pressione (< mbar) spettro discreto, manipolazione ridotta del campione, analisi quantitative elementale Misure in campo :distribuzione di ratei di dose, identificazione di Hot Spot :costruzione di mappe, identificazione di R.N.

133 Esposizione a sorgenti radioattive Si distingue tra irradiazione esterna e contaminazione interna. Nel primo caso si intende lesposizione alle radiazioni emesse dalla sorgente senza contatto tra la persona esposta e la sorgente. Nel secondo caso la sostanza radioattiva può depositarsi sulla pelle, o venire inalata e/o ingerita restando depositata nellorganismo..

134 Come ci si protegge ? Sostanzialmente in quattro modi: 1.Mantenendo la maggior distanza possibile tra sorgente radioattiva ed operatore (il numero di radiazioni che mi può investire diminuisce quadraticamente con la distanza) 2.Minimizzando i tempi di esposizione alla sorgente radioattiva 3.Schermando le radiazioni con pareti di materiale opportuno (piombo e calcestruzzo, solitamente) 4.Seguendo le disposizioni dellEsperto Qualificato

135 Il danno biologico si identifica (in prima approssimazione) con una grandezza che si chiama dose: D = energia dissipata da radiazioni ionizzanti per unità di massa e si misura in Gray: 1Gray = 1 Gy = 1 Joule per chilogrammo. Il danno biologico è proporzionale alla dose solo in alcuni casi, infatti tipi di radiazione diverse dissipano la loro energia in volumi più o meno grandi producendo danni a livello microscopico, a parità quindi di energia dissipata, minori o maggiori. Si moltiplica la dose per un numero, maggiore o uguale ad 1, (detto FATTORE DI QUALITA, Q) che cambia a seconda del tipo di radiazione. Si ottiene così una nuova grandezza, detta DOSE EQUIVALENTE, che si ritiene sia realmente proporzionale al danno biologico.

136 Dose Equivalente = DE = D x Q e si misura in Sievert 1 Sv = 1 Joule per chilogrammo (Q non ha dimensioni) Prima si usava, per misurare DE, il rem: 1 rem = 0.01 Sv. Attenzione: per raggi X, raggi gamma ed elettroni Q=1 quindi DE=D: Dose e Dose Equivalente coincidono. Invece Q è maggiore di 1 per neutroni (Q= 5-20), protoni (Q=5) e particelle alfa (Q=20)

137 La dosimetria Ogni singola radiazione che colpisce un organismo biologico provoca alterazioni a livello cellulare e quindi un danno. Le conoscenze attuali portano a ritenere che il danno aumenti linearmente con lintensità della radiazione che investe un organismo senza alcuna soglia minima.

138 Il principio della linearità senza soglia porta a limitare, in qualunque attività,lesposizione alle radiazioni al livello minimo possibile (principio ALARA) Oggi si conoscono i livelli di esposizione che con certezza portano a patologie gravi. Si conosce anche (ma con maggiori margini di incertezza) la probabilità che esposizioni a piccole quantità di radiazione possano far insorgere nel tempo diversi tipi di patologie. La legislazione della radioprotezione fissa regole per evitare i danni certi e limitare quelli probabili entro livelli di accettabilità.

139 Effetti biologici delle radiazioni sulle cellule: Effetti diretti: rottura della molecola a seguito della ionizzazione Effetti indiretti: la ionizzazione produce radicali che interagiscono con la cellula Effetti deterministici da dosi acute (>.1 – 1 Sv in pochi giorni) Effetti stocastici da dosi croniche (rischio di cancro in eccesso rispetto a popolazione non esposta) Indice di rischio ICRP: 1 mSv ->

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