Un po' di fisica nucleare: La radioattività

Cosa pensate vedendo.. =

Cosa pensate vedendo.. = Il sincrotrone del Centro Nazionale di Adroterapia

La radioattività La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è un fenomeno naturale, presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.  Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla). L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo.

La radioattività: isotopi La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici che conosciamo. Quello che cambia da un elemento all’altro è il numero dei protoni e dei neutroni che l’atomo contiene. Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato “numero atomico” e si indica con la lettera Z. L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio... Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata numero di massa. I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A (ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono chiamati isotopi.

La radioattività: i decadimenti Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi.  La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata decadimento radioattivo. 

La radioattività: la vita media Il tempo medio che occorre aspettare (che può essere estremamente breve o estremamente lungo) viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni.

Radiazioni alfa, beta e gamma Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni.  alfa beta gamma

La radioattività – Decadimento a In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella a (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Le radiazioni a sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta

La radioattività – Decadimento b Decadimento b: Il nucleo emette un e- e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle a, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici

La radioattività – Decadimento g Decadimento g: Il nucleo non si trasforma ma passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella a o b. Al contrario delle radiazioni a e b, le radiazioni g sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. Utilizzo: terapie oncologiche

Legge del decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica: N = numero di atomi presenti al tempo t; l = costante di decadimento: probabilita’ che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di tempo. dN /dt = -l N La legge del decadimento radioattivo: N0 = numero di nuclidi presenti all’istante t=0 N(t) = N0e-lt

L’ attivita’ di una sorgente radioattiva e’ definita come il numero Un parametro molto importante e’ il tempo di dimezzamento: il tempo dopo il quale il numero iniziale di nuclei radioattivi e’ diventato la meta’: T1/2= ln2/l L’ attivita’ di una sorgente radioattiva e’ definita come il numero di decadimenti nell’unità di tempo. Essa si misura in Bequerel (Bq) che equivale ad un decadimento al secondo.

Approssimazione utile Se il tempo di misura e molto piccolo in rapporto con T1/2, il numero di decadimenti è:

Pu Np L’AMERICIO 241 241 94 decad. b decad. a 237 93 T1/2=13 anni 93 T1/2=433 anni Viene considerato stabile Perche ha un tempo di dimezzamento di 2,2 106 anni.

Come vediamo le particelle??? Esistono diversi tipi di rivelatori di particelle che sfruttano diversi meccanismi: alcuni sono elettronici (sfruttano un segnale elettrico indotto dalla particella), altri “memorizzano” la sua traccia, ecc. Oggi qui useremo un particolare tipo di rivelatore: il CR39, un rivelatore nucleare “a tracce”.

Come funziona? S16+200 GeV/nucleone

Tantissime applicazioni Raggi cosmici Monopoli magnetici, nucleariti… Studio delle reazioni nucleari Dosimetria delle radiazioni Misure ambientali (radon) …

Composizione dei raggi cosmici: in pallone o satelliti Un esempio: l’esperimento CAKE

Esperimento CAKE : ~ 2 m2sr per nuclei di Fe

Matteria strana di quark Q-balls… Esperimento in alta quota per: Monopoli magnetici Matteria strana di quark Q-balls…

Laboratorio di Chacaltaya, Bolivia 5230 m a.s.l

L’esperimento Area totale ~ 440 m2 Un modulo (2424 cm2) Nuclear track detectors Absorber Area totale ~ 440 m2 Un modulo (2424 cm2)

MACRO: Esperimento sotto terra (LNGS)

Efficienza della misura = 30% -50% -20% CR39 Efficienza della misura = 30%