LABORATORIO DI RADIOATTIVITÀ AMBIENTALE Stages estivi di fisica 2007 L. Sc. B. Touschek: Valerio Benedetti L. Sc. Palestrina-Zagarolo: Gaia Galli, Domizia Monticelli L. Sc. G. Ferraris: Giacomo Bartolucci L. Sc. F. d’ Assisi: Francesco Nazzaro, Gianluca Balla Tutors: M. Chiti, L. Casano, P. Carinci.

Cos’é la radioattività? “Nel 1896 il fisico francese Henri Becquerel si accorse casualmente che i sali di uranio, posti in vicinanza di una lastra fotografica, anche racchiusa in un involucro opaco, la impressionano, mostrando così di emettere radiazioni capaci di attraversare anche i corpi che non sono attraversati dalla luce. Questa osservazione aprì un nuovo capitolo della fisica, quello della radioattività”. In seguito, grazie ad alcune osservazioni, si capí che la radioattività non dipendeva da fattori chimici ma dalla natura dell’atomo stesso.

La radioattività é l’emissione di particelle (α, β, x e γ, neutroniche) dovuta alla tendenza universale della materia a passare da uno stato di energia piú alta ad uno di energia piú bassa. Come l’acqua di un fiume che dalla montagna scende verso la pianura tendendo all’equilibrio energetico piú stabile possibile.

Decadimento α: Particelle α formate da due neutroni e due protoni ( nucleo positivo di Elio). Avviene per nuclei pesanti (A>209). Hanno un moto rettilineo Elevata carica elettrica che le fa interagire direttamente con la materia. Sono poco penetranti (nel caso biologico non attraversano lo strato corneo della pelle, ma pericolose se assimilate all’ interno del corpo).

Decadimento β: Elettroni (βˉ) o positroni (β + ) di un nucleo con eccesso di neutroni. Hanno moto frastagliato per la loro piccola massa. Sono molto piú penetranti delle particelle α.

La radiazione x e γ : Raggi x e γ sono radiazioni elettromagnetiche. Esse non hanno massa e hanno un comportamento ondulatorio. Sono molto penetranti (solo materiali ad alta densità riescono a schermarle).

Effetti delle radiazioni EFFETTI STOCASTICI: la probabilità di comparsa dell’effetto é correlabile con la dose ricevuta soltanto sulla base di considerazioni statistiche. Le cellule irradiate che sopravvivono possono riprodursi in cellule che degenerano provocando l’insorgenza di tumori. A livello microscopico le radiazioni ionizzanti depositano energia che eccita e ionizza le molecole. Il tessuto biologico é composto in gran parte da acqua, la ionizzazione dell’acqua produce I RADICALI LIBERI che danneggiano le biomolecole (come il DNA). I danni provocati si possono dividere in due gruppi: EFFETTI DETERMINISTICI: esiste una connessione causale fra dose ed effetto. Se i meccanismi di riparazione/ripristino non bastano per recuperare il danno biologico generato, la funzionalità dell’organo o tessuto è compromessa. Il danno arrecato aumenta al crescere della dose.

Effetti acuti e tardivi Dovuti a variazioni funzionali e morfologiche dei tessuti Neoplasie maligne - Leucemie - Tumori solidi Difetti ereditari di diversa gravita’ - malattie - malformazioni - difetti mentali EFFETTI SOMATICI NEI TESSUTI IRRADIATI Effetti deterministici Effetti stocastici Danno cellulare EFFETTI GENETICI NEI DISCENDENTI

Esposizione naturale Esposizione naturale: Dose efficace annua media alla popolazione adulta Le radiazioni ionizzanti esistono anche in natura e sono prodotte dai raggi cosmici e da radionuclidi primordiali.

Radioprotezione Si adopera per prevenire gli effetti deterministici e limitare i rischi degli effetti stocastici, tenendo conto dei fattori economici e sociali. I PRINCIPI DELLA RADIOPROTEZIONE: GIUSTIFICAZIONE: nessuna pratica con radiazioni è giustificata a meno che non produca un beneficio agli individui tale da compensare il danno; OTTIMIZZAZIONE: ottenere un giusto equilibrio tra dose minima e rendimento; LIMITAZIONE: contenere le radiazioni nei limiti raccomandati dalla ICRP (International Commission of Radiation Protect). Geiger Muller

Ricapitolando.....

Grandezze fisiche Il Gray ( u.m. dose assorbita) rappresenta l’energia assorbita dall’unità di massa di un materiale ad opera della radiazione che lo attraversa. 1 Gy= 1 J/Kg A parità di dose ricevuta, a seconda del tipo di particella e di tessuto, il danno subito dalla cellula e/o tessuto cambia. Il Sievert (Sv) é l’unità di misura che partendo dal Gray e considerando dei fattori peso permette di rilevare il danno.

I Rivelatori Di Radiazioni Ionizzanti Alcuni rivelatori funzionano in base al processo di ionizzazione, provocata dalla particella carica incidente nel gas di cui sono riempiti.

Processi di ionizzazione nei gas La radiazione, attraversando un volume di gas, produce coppie di ioni interagendo con gli elettroni orbitali delle molecole del gas. Tale processo, detto di ionizzazione, è provocato direttamente dalle particelle cariche, come elettroni, particelle , particelle  e indirettamente da particelle neutre come neutroni, e radiazione X e . Due piastre A e B (o più generalmente due elettrodi), mantenute ad una differenza di potenziale da un opportuno campo elettrico, sono immerse in un gas. Una particella carica, che attraversa il gas, lo ionizza, creando ioni di segno opposto. Questi, sotto l'azione del campo elettrico esistente tra A e B, si spostano verso l'elettrodo di segno opposto (elettrodo collettore). La raccolta delle cariche sulle piastre genera un passaggio di corrente attraverso la resistenza R. Di conseguenza si crea ai capi di R una differenza di potenziale, funzione del numero di ioni formati dal passaggio della particella nel gas.

Regimi di funzionamento A seconda della differenza di potenziale applicata, il numero N di cariche raccolte sulle piastre in seguito al passaggio di una particella, varia come il grafico mostrato qui accanto… Regione di ricombinazione Regione di proporzionalità Regione di scarica Regione del Geiger-Müller Regione di camera a ionizzazione

Il Plateau Il segnale prodotto da un Geiger- Müller risulta essere un singolo impulso di ampiezza costante dell'ordine dei volt, indipendentemente dall'energia della radiazione ionizzante. Un'altra caratteristica di tali contatori è la presenza di una tensione di soglia e di una zona di lavoro detta pianerottolo (plateau), in cui il numero di conteggi resta costante al variare della tensione. L'estensione del pianerottolo e la sua pendenza sono parametri di valutazione di un rivelatore Geiger-Müller.

L’Esperienza Il primo obiettivo da raggiungere era la ricerca del punto di lavoro ottimale. Il rivelatore e’ stato collegato ad un alimentatore di alta tensione ed esposto ad una sorgente di Cesio (Cs-137). Sono stati registrati tramite uno scaler i conteggi in funzione della tensione applicata. Model - GM1S Serial Number GM - 545

Elaborazione dati

Del grafico precedente dobbiamo considerare solo un intervallo rappresentante il plateau. Siamo sicuri di aver raggiunto un risultato ottimale quando la linea di tendenza ha R 2 ~1 Abbiamo ricavato il punto medio (500 V) dell’intervallo scelto che corrisponde alla tensione ottimale di lavoro del GM. Il nostro risultato e’ stato confermato dai dati forniti preventivamente dall’azienda produttrice.

Mantenendo costante la tensione di lavoro trovata (500 V), abbiamo eseguito alcune misure irradiando il rivelatore con una sorgente di Cesio (Cs-137). Abbiamo così verificato la legge dell’inverso del quadrato della distanza per quanto riguarda una sorgente puntiforme.

Nella seconda fase tariamo un nuovo GM, del quale e’ gia’ nota la tensione di lavoro.

Utilizzandio il coefficiente angolare abbiamo ricavato dalle misure precedenti le dosi che c’erano nei vari ambienti. GM - 10 s.n. 809

SENTITI RINGRAZIAMENTI A  Prof. Mario Calvetti, direttore del LNF  A tutta l’organizzazione del SIS  Al responsabile degli stages dott. Danilo Babusci  Ai nostri strepitosi tutors Maurizio Chiti, Giuseppe Carinci e prof. Luigi Casano