Un po' di fisica nucleare: La radioattività

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1 Un po' di fisica nucleare: La radioattività

2 at e ve de n d o.. =

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 La prima unità di misura introdotta per esprimere l attività di una sostanza radioattiva fu il curie : corrisponde all attività di circa 1 g di radio, e vale miliardi di disintegrazioni al secondo. Nel Sistema Internazionale, in luogo del curie si adotta il più pratico bequerel, che corrisponde a 1 disintegrazione al secondo.

8 Il decadimento radioattivo è un processo nel quale i nuclei degli atomi di sostanze radioattive si disintegrano rilasciando radiazioni. Ci sono tre tipi principali di decadimento:

9 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

10 Il decadimento alfa consiste nell emissione emissione da parte di un nucleo di una particella costituita da due protoni e due neutroni; in sostanza, di un nucleo di elio. Il nucleo figlio ha un numero atomico Z inferiore di due unità rispetto al nucleo padre e un numero di massa A inferiore di quattro unità. torio Ad esempio, l isotopo dell uranio con numero di massa 238 si trasforma nel nucleo dell elemento con numero di massa 234, avente due protoni e due neutroni in meno: il torio 234.

11 La radioattività Decadimento α In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella α (= 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 α sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta

12 La radioattività Decadimento β Decadimento β: 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 α, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici

13 La versione del decadimento beta meno comporta la trasformazione di un neutrone del nucleo instabile in un protone, con emissione di una particella beta (un elettrone) e di un altra particella estremamente leggera e sfuggente, chiamata antineutrino elettronico; in sostanza, questo tipo di decadimento trasforma il nucleo instabile di partenza in un nucleo dell elemento successivo della tavola periodica (quello con il numero Z maggiore di un unità).

14 Disintegrazione β Quando dal nucleo di un atomo viene emessa una particella β, essa priva il nucleo di una carica negativa questa perdita può essere interpretata come la trasformazione di un neutrone in un protone il numero atomico del nuclide prodotto aumenta di 1 (Z+1)

15 Il decadimento beta più, invece, consiste nella trasformazione del nucleo instabile in un nucleo dell elemento precedente della tavola periodica (quello con Z minore di un unità): fisicamente, un protone si trasforma in un neutrone, emettendo un positrone (un elettrone positivo) e un neutrino elettronico. Palladio in rodio

16 Altre modalità di Titanio in scandio disintegrazione Nella cattura elettronica un nucleo cattura uno dei propri elettroni e si ha la diminuzione del numero atomico di una unità (Z-1) Nell'emissione di positroni, viene emesso un positrone (carica +1), ed il numero atomico si riduce di una unità (Z-1)

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

18 Il decadimento gamma consiste nell emissione di radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. Si può verificare quando un isotopo esiste in due diverse forme, chiamate isomeri nucleari, che hanno numero atomico e numero di massa identici, ma differente energia. L emissione di raggi gamma accompagna la transizione dell isomero di alta energia a quello di energia minore. il decadimento gamma si può verificare in combinazione con un decadimento alfa o beta, per consentire la diseccitazione del nucleo figlio.

19 (fm) RAGGI GAMMA ν λ (m) (Å) RAGGI X (nm) Lunghezza d onda, frequenza, energia (µm) (mm) (cm) 10 8 INFRA- ULTRA- -VIOLETTO ROSSO VISIBILE MICRO ONDE λν = c 1 ONDE 10 2 RADIO (Hz) GeV MeV kev (ev) λ Å ν Hz Raggi X : E E 10 ev 200 kev λ E = hν (m) ν (Hz)

20 Il tempo medio che occorre aspettare per avere una trasformazione radioattiva naturale può essere estremamente breve o estremamente lungo. Esso viene detto vita media del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni (per esempio, il potassio-40 ha una vita media di 1.8 miliardi di anni).

21 Legge del decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica: dn /dt = -λ N N = numero di atomi presenti al tempo t; λ = costante di decadimento: probabilita che ogni singolo nucleo ha di decadere nell unita di tempo. La legge del decadimento radioattivo: N(t) = N 0 e -λt N 0 = numero di nuclidi presenti all istante t=0

22 Legge esponenziale negativa Il decadimento radioattivo è un processo statistico a probabilità costante (= indipendente dal tempo) Il n.di nuclei rimasti diminuisce nel tempo con legge esponenziale negativa... provare per credere... lancio delle monete

23 L AMERICIO 241 plutonio nettunio 241 Pu 94 decad. β T 1/2 =13 anni decad. α T 1/2 =433 anni 237 Np 93 Viene considerato stabile Perche ha un tempo di dimezzamento di 2, anni.

24 Isotopes Tritium ( 3 H) Liquid Scintillation Counters Photomultiplier Tubes Electronic Noise 3 H 14 C 32 P log Scale

25 Isotopes Tritium ( 3 H) Blank: Prepare blank exactly as samples without activity Radionuclide standard: Amount of spike = expected activity in sample Prepare exactly as all samples are prepared Count exactly as samples are counted CPM from spiked sample/dpm of spike = Efficiency in CPM/DPM

26 Come e fatta una gammacamera I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI). La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per ricostruire un immagine sul monitor, che rappresenta la mappa della distribuzione dei radionuclidi gamma-emittenti nell organo in esame. L apparato e provvisto di schermatura ottica e radiante.

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