La misura della radioattivita γ lezione 1. Cristiana Peroni Corsi di LS in Scienze Biomolecolari Universita di Torino Anno accademico

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1 La misura della radioattivita γ lezione 1 Cristiana Peroni Corsi di LS in Scienze Biomolecolari Universita di Torino Anno accademico

2 Generalita sul corso 2

3 Misure di radioattivita con un rivelatore al germanio (aula, 6 ore) La radioattivita : richiami La radioattivita ambientale: motivazioni della misura Principi di funzionamento dei semiconduttori I semiconduttori e la rivelazione di radiazione L apparato sperimentale Schema di un esperimento Analisi dei dati 3

4 Misure di radioattivita con un rivelatore al germanio (laboratorio, 4 ore) Il rivelatore HpGe ed il sistema di lettura Analisi di uno spettro semplice Analisi di un campione 232 Th 238 U 4

5 Dettagli sul corso e modalita di esame 1. partecipazione e interesse in laboratorio (turni: giovedì 30 (ore14-18) venerdì 31 (ore 14-18) lunedì 3 (ore 14-18) Istituto di Fisica Via P.Giuria,1 3 o p. interrato 2. Test alla fine dell esercitazione 5

6 La radioattivita 6

7 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti? esempio: Spettro della radiazione alta frequenza alta energia radiazioni ionizzanti E=hν bassa frequenza bassa energia 7

8 I pionieri I pionieri 1896 W.K.Roentgen Scoperta dei raggi x Tre mesi piu tardi A.-H. Bequerel Scopre la radioattivita : la radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti (sali d uranio ) 2 marzo

9 I pionieri I pionieri 1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio ed il radio nella pechblenda 9

10 La natura della radioattivita 1899 E.Rutherford studia le proprieta di ionizzazione della radiazione emessa dall uranio: classifica in raggi α, β, γ Ipotesi: il decadimento radioattivo implica una trasformazione dell atomo da un isotopo/elemento chimico ad un altro: trasmutazione E.Rutherford 10

11 Nuclei instabili e radioattivita α e β Un nucleo si puo trasformare spontaneamente in un altra specie (altro isotopo o elemento chimico) Posso avere le seguenti trasformazioni: Decadimento β : neutrone diventa protone, con emissione di elettrone Decadimento β + : protone diventa neutrone, con emissione di positrone Decadimento α: emissione di un nucleo di Elio 11

12 Nuclei instabili e radioattivita γ Il nucleo figlio spesso rimane in uno stato eccitato, dal quale decade emettendo radiazione γ (fotoni) 12

13 Decadimento α Avviene negli elementi piu pesanti Le particelle α sono emesse con una discreta energia (E ~10 6 ev ~MeV) (cf con energia di ionizzazione ~ ev) I figli decadono poi γ in s circa In genere anche il nucleo subisce un rinculo il nucleo scappa via 13

14 Decadimenti β Se il nucleo ha un eccesso di neutroni, subira un decadimento β - con la reazione: n p+e - +ν (antineutrino) Se il nucleo ha un eccesso di protoni, subira un decadimento β + con la reazione: p n+e + +ν (neutrino) Cambia il numero atomico Z ma rimane uguale il numero di massa A L energia dell elettrone e uno spettro continuo (3 corpi) 14

15 Modi di decadimento Decadimenti α isotopi pesanti (circa Z 78) Decadimenti β 15

16 Cattura elettronica (EC) Un nucleo con un eccesso di p, puo catturare un elettrone dall orbita piu interna: p + e - n + ν Puo aver luogo quando l energia non e sufficiente per emettere un positrone Ho nuclei che hanno EC e decadimento β 16

17 Emissione γ (transizione isomerica) I raggi γ sono fotoni emessi da un nucleo in uno stato eccitato Posso andare allo stato fondamentale in una o piu emissioni di fotoni L energia varia da 50 kev a 3 MeV 17

18 18 Periodic Table of the Elements Group** Period 1 IA 1A 18 VIIIA 8A 1 1 H IIA 2A 13 IIIA 3A 14 IVA 4A 15 VA 5A 16 VIA 6A 17 VIIA 7A 2 He Li Be B C N O F Ne Na Mg IIIB 3B 4 IVB 4B 5 VB 5B 6 VIB 6B 7 VIIB 7B VIII IB 1B 12 IIB 2B 13 Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc (98) 44 Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222) 7 87 Fr (223) 88 Ra (226) 89 Ac~ (227) 104 Rf (257) 105 Db (260) 106 Sg (263) 107 Bh (262) 108 Hs (265) 109 Mt (266) () () () () () () Lanthanide Series* 58 Ce Pr Nd Pm (147) 62 Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actinide Series~ 90 Th Pa (231) 92 U (238) 93 Np (237) 94 Pu (242) 95 Am (243) 96 Cm (247) 97 Bk (247) 98 Cf (249) 99 Es (254) 100 Fm (253) 101 Md (256) 102 No (254) 103 Lr (257) Mendeleev elementi stabili 135 Cs τ ~10 6 y 131 I τ ~ 8 d

19 Schemi di decadimento 19

20 Schema di decadimento di 134 Cs e 137 Cs rapporto di decadimento o branching ratio (B.R.) 20

21 Legge del decadimento radioattivo (1) La frazione di nuclei che decadono nel tempo dt e costante: -dn/n = λ dt dove la costante di decadimento λ e caratteristica del nuclide Con N atomi ho: -dn = N(t 0 ) λ dt Se integro: N(t) = N(t 0 ) e -λt t t 0 dn N = λ ln N( t) ln N( t N( t) = N( t 0 t t 0 ) e dt 0 λt ) = ln N( t) N( t ) 0 = λt 21

22 Legge del decadimento radioattivo (2) La vita media τ = 1/λ Indica dopo quanto tempo il numero di atomi rimasto e N 0 /e Il tempo di dimezzamento indica dopo quanto tempo ho la meta degli atomi iniziali: t 1/2 = τ ln2 = τ 22

23 Legge del decadimento radioattivo (3) Attivita di una sorgente: numero di disintegrazioni nell unita di tempo dn/dt: A = λn Rapporto di decadimento (branching ratio: B.R.) [%] indica la probabilita relativa di un decadimento 23

24 Equilibrio secolare Ho una reazione a catena in cui: A (padre) e un nuclide radioattivo a lunghissima vita media B (figlio di A) e radioattivo a breve vita media C, figlio di B, e stabile T 1/2 padre / T 1/2 figlio 10 4, l attivita di A non varia anche dopo molti T 1/2 Se parto da un campione puro (N B =0 a t=0), al tempo t avro : A B /A A 1 Asintoticamente l attivita di B e uguale all attivita di A equilibrio secolare 24

25 Equilibrio secolare Dopo 6.6 τ l attivita di B e il 99.9% del suo rateo di disintegrazione finale e di li in poi A(figlio) = A(padre) padre (A) A figlio(b) B 25

26 Origine dei nuclei radioattivi Primordiali: creati nella sintesi degli elementi costituenti della terra Cosmogenici: creati in elementi terrestri ed extraterrestri dai raggi cosmici Artificiali: creati in reattori nucleari, generatori, bombe e acceleratori 26

27 Elementi primordiali Hanno vita media paragonabile alla vita della terra (>4.5x10 9 anni) Sono in equilibrio secolare con un genitore appartenente ad una delle 3 famiglie radioattive: 232 Th 235 U 238 U 27

28 Elementi cosmogenici I piu importanti sono: 3 H 14 C Entrambi sono prodotti nella stratosfera dai raggi cosmici Sono importanti in geofisica 28

29 La radioattivita artificiale Si possono ottenere radionuclidi artificiali bombardando atomi con proiettili come particelle α, n, p (~2500 ad oggi). I. Curie e F.Joliot(1934) Sorgenti radioattive 29

30 La fissione dell uranio Alla ricerca di elementi transuranici bombardando l uranio con neutroni, si scopri che il nucleo del 235 U (0.7 %) si spezza in frammenti piu leggeri e 2 o 3 neutroni e rilasciando una grande quantita di energia Enrico Fermi 30

31 La bomba atomica e la produzione di energia nucleare La reazione a catena viene controllata nei reattori nucleari per produrre energia 31