Radiazione cosmica Radionuclidi primordiali e cosmogenici Equilibri radioattivi. Radioattività nel corpo umano. Datazione archeologica

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1 RADIOATTIVITA NATURALE Radiazione cosmica Radionuclidi primordiali e cosmogenici Equilibri radioattivi Famiglie radioattive i naturali Radioattività nel corpo umano Radon Datazione archeologica pag.1

2 Raggi cosmici Primari: colpiscono lo strato esterno dell'atmosfera Tutte le particelle stabili: fotoni, neutrini (grande quantità), elettroni, positroni, i protoni Nuclei a lunga vita media (>10 6 anni) Protoni (79 %), α (15 %), ossigeno, ferro, particelle provenienti da interazioni con gas interstellare (neutroni, nuclei leggeri) Secondari: sciami di nuove particelle e antiparticelle create nella collisione dei cosmici primari con gli atomi dell atmosfera Pioggia cosmica: dalla sua analisi (anni '30) scoperti il positrone, la prima particella di antimateria, e le prime particelle elementari (pione e muone) pag.2

3 Elementi radioattivi naturalmente presenti Sorgenti extraterrestri Raggi cosmici Sorgenti terrestri Radionuclidi naturali nell atmosfera nel sottosuolo nelle acque nei vegetali e negli animali nel corpo umano circa nuclidi nuclidi Radionuclidi naturali primordiali famiglie radioattive naturali Nucleosintesi delle stelle ( U, U, Th) (nascita Sistema Solare, anni fa) 40 19K, 87 37Rb Radionuclidi naturali cosmogenici 3 1H, 14 6C Reazioni nucleari tra radiazione cosmica es. n + 2 1H 3 1H e atmosfera o terra n N 14 6C 6 C + p pag.3

4 Equilibri radioattivi Caso generale: radionuclide X 1 che decade formando un altro radionuclide X 2 2, che a sua volta decade formando un terzo radionuclide X 3,etc Decadimento a cascata: X 1 X 2 X 3 X N Caso più semplice: X 1 X 2 con X 2 stabile N N 1 ( ) t / τ1 t = N e 10 () ( ) t / τ1 t = N + N e pag.4

5 Equilibrio transitorio Se il nuclide padre ha una vita media più lunga del nuclide figlio (τ 1 >τ 2 ), si raggiunge uno stato di equilibrio transitorio: dopo un certo tempo il rapporto tra le attività diventa costante. All equilibrio l attività del figlio sarà maggiore o uguale di quella del padre e, da quel momento, le attività di entrambe le specie diminuiranno col tempo di dimezzamento del padre (apparentemente, il decadimentodi del figlio ègovernatodalt 1/2 del padre) ATT TIVITA' (%) EQUILIBRIO TRANSITORIO (T1/2 padre=1; T1/2 figlio=0,1) Att(padre) Att(figlio) Att(tot) T TEMPO (frazioni di T1/2 padre) 1/2 -padre/t 1/2 -figlio = 10 Tempo espresso in unità T 1/2 -padre pag.5

6 Equilibrio secolare CASO PARTICOLARE: nel caso-limite in cui il radionuclide padre ha una vita media molto più lunga del radionuclide figlio (λ 1 << λ 2 ), dopo un certo tempo si raggiunge uno stato di equilibrio secolare: le attività di padre e figlio diventano uguali: A 2 =A 1 In generale, se in una serie radioattiva del tipo X 1 X 2 X 3 X N risulta ad un certo punto della catena: τ i >> τ i+1, τ i+2, τ N-1 allora per tutti i nuclei che seguono l i-esimo decadimento vale la relazione: A i (t) = A i+1 (t ) = = A N-1 (t ) pag.6

7 Decadimenti a catena decadimenti dell'isotopo 232 Th N 232 Th decadimento α decadimento β Ac Ra 224 Ra 220 Rn 216 Po 212 Pb 212 Bi 208 Tl 212 Po 208 Pb (stabile) Th Z Z α : (Z, N, A) (Z 2, N 2, A 4) β : (Z, N, A) (Z+1, N 1, A) (con emissione di neutrini) β + : (Z, N, A) (Z 1, N+1, A) (con emissione di neutrini) γ :(Z, N, A) (Z, N, A) pag.7

8 Famiglie radioattive naturali Tre famiglie radioattive presenti in natura, in equilibrio secolare, con capostipiti a vita media a quella della Terra (10 9 anni) e» di quella dei discendenti Serie dell Uranio (famiglia 4n+2) capostipite: 238 U T 1/2 = anni Serie dell Attinio (famiglia 4n+3) capostipite: 235 U T = /2 10 anni Serie del Torio (famiglia 4n) capostipite: 232 Th T 1/2 = anni pag.8

9 Radioattività nel corpo umano Il corpo umano è una sorgente radioattiva di attività pari a circa 8000 Bq così suddivisi: 4000 Bq ( 14 C) Bq ( 40 K) U e 232 Th (trascurabili) pag.9

10 La questione del radon C è una radioattività naturale che sale dal terreno inodore, incolore, insapore così impalpabile che non ne parla nessuno! pag.10

11 Il radon: caratteristiche chimiche Per il contributo sul radon grazie a Alberto Panzarasa E il gas nobile più pesante (Z = 86, A = ) E 8 volte più denso dell aria E un gas incolore, inodore e insapore pag.11

12 Il radon: caratteristiche fisiche Si trova un po ovunque nel sottosuolo, in particolare in alcune rocce: tufi, granito, porfido e fillade A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore Unico gas radioattivo a temperatura ambiente T solid = -71 o C T eboll = -61 o C gas Concentrazione: all aria aperta in media 5-10 Bq/m 3 in ambienti chiusi in media 50 Bq/m 3 nel sottosuolo fino a Bq/m 3 pag.12

13 222 Rn 220 Rn 219 Rn Isotopi del radon Generati dalle 3 famiglie radioattive: 238 U 226 Ra 222 Rn (T 1/2 = 3.82 g) 232 Th 224 Ra 220 Rn (T 1/2 = 54.5 sec) 235 U 223 Ra 219 Rn (T 1/2 = 3.92 sec) Il radon è pericoloso perché: è un gas nobile diffonde facilmente senza interagire con altre sostanze viene respirato e decade α può provocare il cancro ai polmoni Il 220 Rn e 219 Rn hanno tempo di dimezzamento troppo breve e decadono prima di poter essere inspirati L isotopo veramente pericoloso è il 222 Rn pag.13

14 222 α Rn I discendenti del radon 218 α Po 214 βγ Pb 214 βγ Bi 214 α Po T 1/2 =3.82 g T 1/2 =3.05 min T 1/2 =26.8 min T 1/2 =17.9 min T 1/2 =0.1 msec 210 Pb Nella famiglia radioattiva del 238 U 238 U 226 Ra 222 Rn 218 Po 206 Pb i prodotti di decadimento del radon hanno tutti vita media breve fino al 210 Pb T 1/2 (Po,Pb,Bi), << T 1/2 (Rn) T 1/2 ( 210 Pb) = 22 anni I figli del Rn sono in equilibrio secolare con il Rn fino al 210 Pb pag.14

15 Storia del radon Indizi: Una sconosciuta malattia polmonare nei minatori europei del 1400 Identificata nel 1879 in autopsie di minatori europei come cancro dei polmoni (lymphosarcoma) Osservazione di morti eccessive per cancro ai polmoni tra i minatori di moltissime nazioni tra i minatori di miniere di uranio (USA, Cecoslovacchia, Francia, Canada ) Oggi il radon è di gran lunga la maggior causa di esposizione alle radiazioni ionizzanti. n Negli USA è la seconda causa di morte per tumore al polmone dopo il fumo. pag.15

16 Il radon negli edifici Il radon entra in casa attraverso fessure, intercapedini, acqua, e viene aspirato per gli scambi d aria interno-esterno, regolati dai venti e dai moti convettivi dovuti a differenze di temperatura. Δp=10-4 atm consente un ricambio totale t di aria in 1 ora in una casa media! pag.16

17 Proteggersi dal radon L inquinamento da radon dipende da: Produzione di radon nel terreno circostante Flusso di gas che entra nell edificio (dipende dalla permeabilità del suolo e dalle fondamenta della casa) Ventilazione della casa Cosa non fare: Pulire l aria tramite filtri (diminuisce il pulviscolo e rimangono più nuclei radioattivi nudi ) Isolare meglio la casa (non diminuisce il flusso in ingresso ma il flusso in uscita) Cosa fare: Aspirare dal suolo e disperdere all esterno Indurre differenza di pressione tra suolo e casa usando aspiratori e riducendo il flusso di radon entrante Ventilare sotto il pavimento pag.17

18 Misura di concentrazione del radon Tecniche di misura attiva : il campionamento del Rn è forzato Misura quasi istantanea (minuti, ore) Strumenti più costosi Tecniche di misura passiva : il Rn entra nel rivelatore per diffusione Misura più laboriosa (6 mesi, 1 anno) Strumenti meno costosi Forte variabilità nello spazio e nel tempo dipendente da svariati fattori: Monitoraggio della concentrazione di radon in una stanza Terreno Clima Temperatura Pressione Grado di umidità e polverosità Variazioni giornaliere e stagionali pag.18

19 Il radon nel mondo e in Italia Stato Concentrazione media di Rn (Bq/m 3 ) Italia 77 Svezia 108 USA 46 Germania Est 49 Gran Bretagna 21 Studio in Italia: Campione di 5000 case in 200 comuni Misure in 1 anno, divise in 2 semestri MEDIA MONDIALE: 40 Bq/m 3 Forte variabilità Nelle abitazioni italiane: da regione 77 Bq/m 3 valore medio a regione! 200 Bq/m 3 il 5% delle case 400 Bq/m 3 l'1% delle case 1000 Bq/m 3 valori massimi Casi limite in USA e UK: Bq/m 3 Livello limite per radioprotezione: 500 Bq/m 3 (per 2000 ore l'anno in tali condizioni la probabilità di tumore è del 0.25 %) pag.19

20 Un orologio naturale: il radiocarbonio Isotopi del carbonio: 12 C % stabile 13 C 1.08 % stabile 14 C % Ogni atomi di carbonio, uno è radioattivo (= atomi/mole) con periodo di dimezzamento T 1/2 = 5730 anni Produzione Decadimento Per approfondimenti: G.Bendiscioli, A.Panzarasa: La datazione con il radiocarbonio, Ed. La Goliardica Pavese, 2002 (in ristampa) pag.20

21 Perché è possibile la datazione con il 14 C? Gli organismi viventi nei loro processi vitali (sintesi clorofilliana, respirazione, cicli alimentari) scambiano carbonio con l ambiente. Quando muoiono, lo scambio si interrompe. Rimane il carbonio interno che continua a decadere. Dalla curva di decadimento di si può risalire al momento della morte dell organismo N(t) = N 0 e -t/τ 1945 W.F. Libby (Nobel Chimica i 1960) e -t/τ = N(t)/N 0 -t/τ = ln(n(t)/n 0 ) t = -τ/[ln(n(t)/n 0 )] Entro un intervallo temporale di anni possibile datazione di: (fino a 10 T 1/2 ) ossa morte animale tela lino morte pianta lino lana tosatura pecora pergamena morte animale pag.21

22 Metodo di misura e limiti di validità Due metodi di misura: metodo di Libby misura di attività radioattiva -Δn/Δt n necessaria abbondante quantità di carbonio estratto dal reperto problema del fondo radioattivo naturale metodo AMS separazione tra 14 C e 12 C tramite spettrometro di massa Il metodo del 14 C è basato sulle ipotesi che il rapporto 14 C/ 12 C sia costante nello spazio nel tempo nell aria e nell acqua (CO 2 disciolta) negli organismi viventi calibrazioni Sono vere??? Misure su reperti datati storicamente, o comunque in modo indipendente Dendrocronologia: dalla misurazione della età radiometrica degli anelli di accrescimento di tronchi di alberi si può avere una curva di calibrazione accurata fino a circa 10 4 anni fa pag.22

23 Età radiometrica e età vera Esempio di curva di correzione Non c è esatta corrispondenza tra età radiometrica e età vera: la curva non è esattamente una retta Es. in questo caso l età radiometrica (120±20) anni potrebbe corrispondere a tre differenti periodi: pag.23

24 Casi celebri: l uomo dei ghiacci Ötzi, la Mummia ritrovata congelata il 19 settembre 1991 a circa 3200 metri di altitudine e conservatasi per circa 5300 anni sotto il ghiacciaio del Similaun, nei pressi della Val Senales Età stimata: 3350 a.c. pag.24

25 Casi celebri: la Sindone 3 analisi indipendenti (Oxford, Zurigo, Tucson-USA) compiute nel 1988 da un campione prelevato nella stessa zona del lenzuolo ma rimangono molti dubbi sulle procedure di analisi, e finora non è stato concesso di ripeterle Età stimata: d.c. pag.25