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La radioattività G. Pugliese Biofisica, a.a. 09-10 Si definisce radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente.

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1 La radioattività G. Pugliese Biofisica, a.a Si definisce radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti Non è stata inventata dalluomo ma scoperta: 1. Nel 1896 Henry Becquerel studiando i fenomeni di luminescenza di alcuni materiale, collegò lannerimento di una lastra fotografica lasciata vicino a materiali duranio. 2.Due anni più tardi Marie Curie scopri che anche altre sostanze godevano della stessa proprietà delluranio (per esempio il Th) e suggerì di chiamare tali sostanze radio (radium = raggio) attive. 3.Marie Cuire separò il polonio e il radio, la cui radioattività risultava rispettivamente 400 e 1.M di volte superiore a quella dei sali di uranio puri e riuscì a stabilire la natura dei raggi emessi. Si trattava di 3 tipi di radiazioni e ne associò le prime tre lettere dellalfabeto

2 IL NUCLEO ATOMICO G. Pugliese Biofisica, a.a Un nucleo atomico è caratterizzato da: un numero atomico (Z), che indica il numero di protoni un numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico. Se N è il numero di neutroni, possiamo scrivere: A=N+Z. Per nuclei leggeri la configurazione nucleare risulta stabile quando Z = N. Al crescere di Z il numero di neutroni necessari a garantire la stabilità aumenta. Tale andamento è ben descritto dalla così detta curva di stabilità Curva di stabilità dei nuclei atomici. Un isotopo è un atomo di uno stesso elemento chimico, (stesso numero atomico Z), ma con differente numero di massa A, e quindi differente massa atomica M. La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a parità di numero atomico.

3 G. Pugliese Biofisica, a.a La radioattività: attività In modo più rigoroso oggi sappiamo che la radioattività è un processo per cui il nucleo di un elemento o radionuclide si trasforma nel nucleo di un elemento diverso o raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti. Si definisce lattività di una sorgente radioattiva: Dove dN è il numero di trasformazioni nucleari che avviene nella quantità di radionuclide nellintervallo di tempo dt.

4 Lattività: unità di misura G. Pugliese Biofisica, a.a Lunità di misura della radioattività fu proposta allinizio del secolo scorso da Marie Curie come lattività di 1 g di radio. Nel 1950 la definizione di tale unità è stata modificata in modo da corrispondere esattamente a 37 miliardi di disintegrazioni al secondo; tale grandezza è chiamata curie (Ci) e corrisponde approssimativamente a circa 1 g di 226 Ra. Attualmente lunità che esprime la quantità di radioattività è misurata in becquerel (Bq) e corrisponde ad una disintegrazione al secondo. Curie (Ci): attività di 1 g di 226 Ra Becquerels (Bq) : una disintegrazione al secondo Curie (Ci): attività di 1 g di 226 Ra Becquerels (Bq) : una disintegrazione al secondo

5 Costante di decadimento G. Pugliese Biofisica, a.a Questa probabilità di disintegrazione radioattiva spontanea per unità di tempo è detta costante di decadimento, si esprime in s -1 e si indica con λ. Se indichiamo con N il numero di nuclei instabili, λN rappresenterà il numero di nuclei che decadono nellunità di tempo. E impossibile prevedere quando un dato nucleo si trasformerà; possiamo solamente definire una certa probabilità di trasformazione in ununità di tempo data. Questa probabilità è la stessa per tutti i nuclei di un dato nuclide e si mantiene costante nel tempo.

6 Vita media G. Pugliese Biofisica, a.a Moltiplicando per λ e ricordando che la quantità λN rappresenta lattività della sostanza, che indicheremo con A, avremo: dove con A 0 abbiamo indicato lattività al tempo t = 0. Si definisce vita media lintervallo di tempo nel quale lattività di un radionuclide si riduce di un fattore e rispetto al suo valore iniziale.

7 Tempo di dimezzamento G. Pugliese Biofisica, a.a Tempo di dimezzamento τ ½ di una sostanza radioattiva è il tempo necessario affinché questa si riduca della metà.

8 Lattività: esempi G. Pugliese Biofisica, a.a Un grammo di 60 Co (τ = 5.27 anni) avrà unattività di Bq Un grammo di 238 U (τ = anni) avrà unattività di Bq Nella roccia (terreno) il contenuto di Uranio è dellordine del ppm (10 -6 g/g) Quindi in 1 kg di roccia si hanno qualche decina di Bq! Sorgenti usate in laboratorio: ~ kBq

9 Il decadimento alfa G. Pugliese Biofisica, a.a Le particelle α sono nuclei di elio, cioè nuclei particolarmente stabili formati da due protoni e due neutroni (Z=2 ed A=4). Sono soprattutto i nuclei pesanti (A>200) e deficienti in neutroni ad essere interessati da questo processo nucleare. Esempio:

10 Cinematica decadimento alfa G. Pugliese Biofisica, a.a Imponendo le leggi della conservazione dellenergia e della quantità di moto Definiamo Q valore come lenergia rilasciata nel decadimento: Sostituiamo le masse nucleari m con le masse atomiche M (potendo trascurare le energie di legame degli elettroni) Se esprimiamo M in unità di masse atomiche (amu) ed Q in MeV possiamo scrivere:

11 Cinematica decadimento alfa G. Pugliese Biofisica, a.a elevando al quadrato e moltiplicando per ½ otteniamo: Le energie cinetiche delle particelle α sono tipicamente dellordine del 98% del Q valore, mentre il restante 2% lo si ritrova sotto forma di energia cinetica del nucleo figlio (energia di rinculo). Applicando il principio di conservazione della quantità di moto:

12 Decadimento Alfa G. Pugliese Biofisica, a.a Esistenza di una struttura fine dovuta al fatto che il nucleo figlio, anziché essere generato direttamente nel suo stato fondamentale, viene prodotto in uno dei sui possibili stati eccitati. Il nucleo figlio passerà poi dallo stato eccitato allo stato fondamentale emettendo uno o più raggi γ

13 Sorgenti Alfa G. Pugliese Biofisica, a.a

14 Il decadimento beta G. Pugliese Biofisica, a.a Col termine decadimento β intendiamo lemissione spontanea da parte di un nucleo di un elettrone (decadimento β - ) o un positrone (decadimento β + ) Opp. la cattura di un elettrone atomico (Cattura Elettronica o E.C.) Si tratta di un processo di interazione debole ed è preponderante tra i nuclei instabili. IN termini di nucleo atomico abbiamo: decadimento β - : avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di neutroni decadimento β + : avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di protoni

15 Spettro decadimento Beta G. Pugliese Biofisica, a.a A differenza del decadimento α, che essendo un decadimento a due corpi emette la particella α sempre con la medesima energia (energia monocromatica), lelettrone nel decadimento β - condivide la propria energia con il neutrino e quindi ne risulta uno spettro continuo con energia massima Spettro del decadimento β,

16 Cinematica del decadimento β - : G. Pugliese Biofisica, a.a masse nucleari Se esprimiamo, M in unità di masse atomiche ed Q in MeV possiamo riscrivere la precedente equazione nel seguente modo: Condizione necessaria e sufficiente affinché un decadimento β - possa avere luogo é che la massa atomica del nucleo padre sia superiore a quella del nucleo figlio: Masse atomiche

17 Schema del decadimento β - del 60 Co. G. Pugliese Biofisica, a.a

18 Cinematica del decadimento β + : G. Pugliese Biofisica, a.a masse nucleari Se esprimiamo, M in unità di masse atomiche ed Q in MeV possiamo riscrivere la precedente equazione nel seguente modo: Masse atomiche Condizione necessaria e sufficiente affinché un decadimento β + possa avere luogo é che la differenza delle due masse atomiche dei nuclei padre e figlio sia superiore a due volte la massa dellelettrone:.

19 La cattura elettronica G. Pugliese Biofisica, a.a Se un nucleo presenta un eccesso di protoni ed ha unenergia di poco inferiore a 1022 keV, può catturare un elettrone della shell atomica. (generalmente dallorbita K) I neutrini emessi durante il processo di cattura elettronica hanno tutti la stessa energia (neutrini monoenergetici). Schema di decadimento per cattura elettronica del 57 Co.

20 Tabella degli isotopi G. Pugliese Biofisica, a.a Link molto utile: Tabella con tutti gli isotopi conosciuti, ordinati per numero atomico crescente dall'alto in basso e per numero neutronico crescente da sinistra a destra e. I tempi di dimezzamento sono indicati con il colore.

21 Sorgenti G. Pugliese Biofisica, a.a Alfa: hanno un percorso nella materia estremamente breve. Vengono fermati in pochi cm. Pericolosi per contaminazione interna.

22 G. Pugliese Biofisica, a.a

23 Lorigine della radiazione G. Pugliese Biofisica, a.a Radiazione cosmica: Raggi cosmici primari Raggi cosmici secondari Radioattività naturale: Radionuclidi isolati Famiglie radioattive naturali Radioattività artificiale. Radiazione cosmica: Raggi cosmici primari Raggi cosmici secondari Radioattività naturale: Radionuclidi isolati Famiglie radioattive naturali Radioattività artificiale.

24 Radionuclidi isolati (1) G. Pugliese Biofisica, a.a Di origine terrestre (sono radioisotopi con tempo di dimezzamento confrontabile con letà dellUniverso)

25 Radionuclidi isolati (2) G. Pugliese Biofisica, a.a Generati dalle interazioni dei raggi cosmici con latmosfera (es: 3 H, 14 C ed 7 Be)

26 Famiglie radioattive naturali G. Pugliese Biofisica, a.a Gli isotopi naturali possono essere raggruppati in 3 famiglie, con un capostipite da cui prendono il nome : 1.Serie delluranio 2.Serie del torio 3.Serie dellattinio Ognuna delle serie presenta un elemento gassoso mentre tutti gli altri sono solidi e termina con un elemento stabile (isotopo del piombo) i le costanti di decadimento

27 Famiglie radioattive naturali G. Pugliese Biofisica, a.a Il sistema di equazioni differenziali, dette equazioni di Bateman, che regola la sua evoluzione é il seguente: dove N i (t) é il numero di nuclei delli-esimo elemento al tempo t, e λ i é la costante di decadimento associata.

28 Famiglie radioattive naturali G. Pugliese Biofisica, a.a Nellipotesi che allistante iniziale siano presenti N 10 atomi del capostipite, il generico membro della serie: Dove: Si parla di equilibrio quando la derivata rispetto al tempo di una certa funzione è nulla.

29 Le serie radioattive: 238 U G. Pugliese Biofisica, a.a Il capostipite è l238U che emette a trasformandosi in 234 Th. Elemento gassoso è il 222Rn. Lelemento stabile 206 Pb o

30 Le serie radioattive: 232 Th G. Pugliese Biofisica, a.a Il capostipite è l237Th che emette trasformandosi in 228 Rn. Elemento gassoso è il 224Rn. Lelemento stabile 208 Pb o

31 Le serie radioattive: 235 U G. Pugliese Biofisica, a.a o


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