Percorso sperimentale sulla radioattività Isidoro Sciarratta Corso di Laurea in NeuroFisioPatologia - UNIUD 2002/03

Esperimento 1 : Rivelazione di particelle  mediante lo schermo al solfuro di zinco Interponendo uno schermo al solfuro di zinco lungo il percorso della radiazione emessa da una sorgente radioattiva (ad esempio 30 µg di radio), si osserva, purchè al buio, una macchia di luminescenza il cui contorno è identico a quello della sorgente. L’esperimento comprova l’emanazione di particelle dotate di energia. Il contenuto di energia di ciascuna particella è tale da provocare l’effetto della fluorescenza. In assenza di cause esterne quali ad esempio un campo elettrico o magnetico, queste particelle si propagano in linea retta. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

lastre fotografiche esposizione Se in sostituzione dello schermo al solfuro di zinco si adoperano delle lastre fotografiche si ottiene l’impressione di queste ultime. 100 ore 150 ore Le fotografie quì presentate sono state prodotte tutte allo stesso modo e cioé ponendo, sempre alla stessa distanza, davanti ad una pellicola fotografica, opportunamente avvolta in carta nera per proteggerla dalla luce, una boccettina cilindrica ripiena di polvere di sali radioattivi (nitrato di uranile). 200 ore 250 ore 300 ore NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

lastre fotografiche Le diverse fotografie differiscono l’una dall’altra solo per il tempo di esposizione che risulta indicato accanto a ciascuna di esse. L’intensità della zona impressionata dà ragione di un numero crescente di particelle registrate proporzionale al tempo di esposizione. 48 ore 72 ore 100 ore NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

lo spintariscopio L’osservazione è possibile solo dopo che l’occhio si è abituato all’oscurità, e quindi dopo qualche minuto. E’ bene sottolineare che con lo spintariscopio si osservano lampi di luce prodotti solo dalle particelle di tipo . Il metodo delle scintillazioni è alla base del più moderno sistema di rivelazione, che lavora con grande precisione: il contatore a scintillazione. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

rivelatore a scarica Questo contatore è molto adatto per eseguire esperienze preliminari sulle proprietà delle particelle . In effetti si ottengono i seguenti risultati: produzione di scintille isolate mediante raggi  valutazione della lunghezza del percorso delle particelle  nell’aria variando la distanza tra preparato radioattivo e rivelatore studio del potere penetrante e dell’assobimento della radiazione  ricorrendo alla interposizione di un foglietto di carta (spessore 0,1 mm circa). NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Esperimento 4 Rivelazione di particelle  mediante la camera a nebbia Si sa che gli ioni agiscono come nuclei di condensazione del vapore. Gli ioni prodotti dalle particelle  lungo il loro cammino portano alla formazione di nebbia in una atmosfera di vapore soprassaturo, purchè l’ambiente sia privo di altri nuclei di condensazione. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

camera a nebbia o di Wilson La camera di Wilson o camera a nebbia ad espansione, è un apparecchio ideato da Wilson (1899) e successivamente perfezionato (1912): esso consiste essenzialmente in un cilindro chiuso ermeticamente. La base superiore e la parete laterale sono di vetro acrilico. Il fondo è metallico e presenta un foro circolare mediante il quale la camera comunica con una pera di gomma atta a comprimere e ad espandere il vapore presente all’interno. Sul fondo del cilindro è sistemato uno strato di gomma piuma che svolge una doppia funzione: riceve la miscela liquida di acqua-alcool e frena il flusso d’aria durante la compressione e successiva espansione in modo da evitare la formazione di vortici. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

contatore di Geiger-Muller Ve ne sono di vari tipi. Sono tubi ad autoestinzione che presentano superfici sensibili più o meno estese. Per ridurre la ionizzazione a valanga sono riempiti con vapori di alogeni. Un primo tipo (tipo A) presenta il rivestimento esterno di ferro-cromo ed è caratterizzato da una piccola finestra sensibile di mica. E’ adatto per rivelare ogni tipo di particella: , , . Un secondo tipo (C) presenta una grande superficie esterna di vetro sottile e risulta particolarmente adatto per rivelare le particelle . NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

azione del campo magnetico In linea di principio si dovrebbe osservare la presenza di tre macchie luminose di cui una coincidente con quella dell’esperimento eseguito in assenza di campo. Ciò a conferma di tre tipi di particelle di cui due cariche di segno opposto che in presenza del campo piegano da parte opposta, e la terza che risultando una radiazione prosegue ignorando la presenza del campo magnetico. Poiché nell’esperimento 1 la “macchia” sullo schermo si vede solo se questo è posto a brevissima distanza dalla sorgente, in presenza di campo non è possibile ottenere risultati granché evidenti per il necessario accrescimento della distanza sorgente-schermo. A meno di non ricorrere a tecniche più idonee … NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

azione del campo magnetico Per rimuovere questa difficoltà conviene rifarsi all’esperimento sostituendo lo schermo al solfuro di zinco con un tubo GM che mantenuto a distanza costante da una identica sorgente viene collocato, ad esempio, sotto le direzioni che vanno da circa -40° a +40°, procedendo ad esempio, di 10° in 10° e fermandolo in ogni posizione per un identico intervallo di tempo. L’esperimento, nelle stesse identiche condizioni, va ripetuto tre volte: in assenza di campo magnetico in presenza di campo magnetico con il N verso l’alto in presenza di campo magnetico con il N verso il basso. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

azione del campo magnetico Ricorrendo ad un computer in collegamento on-line si ottengono risultati del tipo illustrato nelle tre figure da cui risulta evidente lo spostamento della carica rispetto al centro e rispetto all’orientamento del campo. Ciò comprova l’esistenza delle tre particelle. Da notare che nel complesso le disintegrazioni verificatesi nei tre esperimenti, in media, sono uguali. Sono ancora statisticamente uguali gli eventi che vengono deviati a sinistra, a destra e viceversa nella seconda e nella terza prova. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Esperimento 7 : Radiazione di fondo, attività della materia ed “effetto zero” L’esperimento consiste nel misurare la radioattività di un dato ambiente per tramite di un tubo GM in ognuno dei segenti casi: 1) in assenza di sorgenti particolari e di schermi di ogni genere; 2) circondando il tubo, ad esempio, con mattoni; 3) con il tubo schermato da una camicia di piombo. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

attività di fondo Il confronto dei tre conteggi risulta alquanto significativo. Viene messa in luce la radioattività tipica di ogni ambiente ed in particolare quella provocata dalle particelle cosmiche. Da osservare come, indirettamente, l’elaborazione dei dati conferma anche che mentre i singoli eventi di disintegrazione sono casuali, al contrario, gli eventi che si riferiscono ad eguali intervalli di tempo sufficientemente lunghi rispetto alla durata di ogni singolo impulso, sono uguali. Per questo le linee che indicano i conteggi totali sono praticamente delle rette. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Esperimento 8 : Assorbimento e potere di penetrazione I raggi ,  e  si possono distinguere anche secondo il potere di separazione, riconoscibile misurando gli spessori di lamine di alluminio da esse attraversate, o le lunghezze di percorsi compiuti nell’aria producendo ionizzazione. Se si interpongono fra una sorgente radioattiva e un tubo GM fogli di varie sostanze classificate per natura chimica e spessore, si determina il cammino che ogni particella fa all’interno di ogni tipo di sostanza. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Assorbimento e potere di penetrazione Risultati tipici di questo esperimento ottenuti per interfacciamento con un computer on-line, sono riportati nelle figure a fianco. Questo tipo di indagine consente di calcolare anche il contenuto di energia di ciascuna particella. Infatti, qualora la sostanza radioattiva viene racchiusa in un recipiente con grosse pareti di piombo, in modo da impedire l’uscita delle radiazioni, l’energia cinetica di queste si converte in energia termica. Misurando questa energia con speciali calorimetri, si trova che ogni grammo di radio sviluppa in ogni ora (3600 s) circa 565 J di calore: ovvero 135 calorie all’ora. Considerata la modesta quantità di materia che produce ininterrottamente tale energia per anni e anni, si deve riconoscere che si tratta della liberazione di quantità di energia enormi, sia pure diluite nel tempo, come uno stillicidio lento e continuo: “è questa la prima manifestazione dell’energia atomica”. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

potere di penetrazione mezzo particella aria carta alluminio piombo alfa 8 cm 1 foglio beta 2 m 1 mm gamma >> km 22 cm NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

potere di ionizzazione particella potere in unità arbitrarie alfa 104 beta 102 gamma 1 NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Esper. 9 : Studio della natura dell’impulso Si raggiunge lo scopo inserendo un oscilloscopio nel circuito di alimentazione del tubo GM. L’esperimento consente di studiare la durata (circa 2·10-4 s), l’altezza massima, la carica per impulso, la distribuzione casuale degli impulsi, la regolarità statistica. Inoltre con l’aggiunta di un condensatore posto in parallelo alla resistenza di lavoro è possibile misurare la carica di ionizzazione prodotta da ogni impulso ed il conseguente numero di coppie di ioni. Infatti, collegando un condensatore di capacità nota (=1nF) in parallelo alla resistenza di carico, parte della carica dell’impulso passa al condensatore. Poiché ora si misura una tensione di circa 1 V, si ha: da cui NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Legge di decadimento radioattivo Il grafico a fianco mostra due curve di tipo esponenziale ricavate sperimentalmente: si tratta del decadimento della sostanza radioattiva Ba 137 m. Con esse è possibile determinare il periodo di semitrasformazione: allo scopo è sufficiente individuare gli intevalli di tempo richiesti perchè metà popolazione di molecole e quindi metà della rimanente metà, ecc., decada. Questi intervalli sono tutti uguali tra di loro. NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta

Età della Terra Elementi radioattivi naturali più abbondanti sulla crosta terrestre sono: Uranio 10parti/milione T1/2 = 4,5 miliardi di anni (ce ne ancora una quantità apprezzabile) Torio 2 parti/milione Il potassio scarseggia T1/2 = 1 miliardo di anni NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta