Struttura e dimensione della materia La radioattività

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1 Struttura e dimensione della materia La radioattività Docente: Ing. Mauro Malizia Comandante Provinciale comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

2 LUNEDÌ MARTEDÌ MERCOLEDÌ GIOVEDÌ VENERDÌ Programma Corso di Radiometria di base Comando Provinciale dei Vigili del Fuoco di Ascoli Piceno Struttura e dimensione della materia La radioattività Interazione delle radiazioni ionizzanti Metrologia delle radiazioni ionizzanti Protezione dalle radiazioni (principi di radioprotezione) Strumentazione campale Controllo della radioattività e contaminazione ambientale (XR 33 Catena Beta) Esercizi e calcoli di radiometria Isole pratiche Isole pratiche; Pianificazione Intervento; Test Simulazione intervento (2 scenari) Esami di fine coso comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

3 STRUTTURA E DIMENSIONI CARATTERISTICHE DELLA MATERIA Atomi, molecole e nuclei La materia è costituita da una combinazione di elementi (atomi). La più piccola particella che possiede le proprietà di una sostanza è la molecola. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

4 La molecola è costituita da atomi legati fra loro. Un atomo (modello Bohr Rutherford) è costituito da un nucleo molto piccolo, carico positivamente, attorno al quale ruotano (su orbitali) gli elettroni (particelle con carica negativa). Gli elettroni ( ) hanno massa trascurabile e carica uguale e di segno opposto ai protoni (+). Il nucleo è volte più piccolo dell atomo, ma contiene il 99,9% dell intera massa atomica. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

5 Immaginiamo di ingrandire l atomo fino alle dimensioni di un campo di calcio. Il nucleo sarebbe grande come una punta di spillo che contiene quasi tutta la massa. L atomo è assimilabile a una struttura vuota. Immaginando di ridurre tutti gli atomi della Terra al solo nucleo si otterrebbe una sfera di diametro circa 100 m, ma un granello di sabbia peserebbe più di 1 ton. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

6 Il nucleo è costituito da protoni (cariche positivamente) e da neutroni (neutri). Protoni e neutroni sono genericamente detti nucleoni. All interno vi sono particelle ancora più piccole (es. quark). comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

7 In un atomo neutro c è lo stesso numero di protoni e elettroni. La carica netta (differenza tra protoni e elettroni) è nulla. L atomo con una carica diversa da zero è chiamato ione. - Se i protoni sono più degli elettroni l atomo è carico positivamente (ione positivo o catione). - Se gli elettroni sono più dei protoni l atomo è carico negativamente (ione negativo o anione); comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

8 Esempi: Ing. Mauro Malizia Corso di Radiometria: Struttura e dimensione della materia; La radioattività H: l atomo di idrogeno contiene un protone e un elettrone la carica è = 0; H + : ione positivo dell idrogeno che ha ceduto un elettrone ed è rimasto con un solo protone la carica è = +1; O 2 : ione negativo dell ossigeno che ha 8 protoni e 8 elettroni; qui ha acquisito 2 elettroni la carica è = 2. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

9 Nel nucleo agisce la forza elettrostatica repulsiva tra i protoni (cariche dello stesso segno si respingono) La forza repulsiva è vinta da un altra forza, detta nucleare forte, che agisce su distanze dell ordine delle dimensioni del nucleo. Questa forza agisce come una colla che tiene uniti i nucleoni. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

10 Dimensioni caratteristiche della materia Cubetto di materia dim. 1 cm Atomo: centomilionesima parte del cubetto. Nucleo: decimillesima parte dell atomo Nucleone: decima parte del nucleo comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

11 Le reazioni chimiche Gli elettroni determinano se e come un atomo entrerà in interazione con altri in una reazione chimica. L idrogeno (H) ha un solo elettrone ha un nucleo (composto da un protone) e un elettrone nel 1 livello (che può contenere 2 elettroni). L ossigeno (O) con 8 elettroni riempirà il 1 livello ma non il 2, capace di accoglierne 8: tenderà a combinarsi ad altri atomi formando molecole per completare il 2 livello. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

12 Gli atomi tendono a riempire il loro livello energetico esterno col massimo numero di elettroni che tale livello può contenere: ciò conferisce una maggiore stabilità. Le reazioni chimiche rappresentano delle ridistribuzioni degli elettroni di atomi che si legano per formare molecole, le quali possono, a seguito della rottura di vecchi legami e formazione di nuovi, formarne altre. I legami si originano in seguito allo scambio, tra i vari atomi che partecipano alla reazione chimica, degli elettroni appartenenti ai livelli energetici esterni. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

13 Definizioni: Z : numero atomico. Numero di protoni nel nucleo: distingue tra loro gli atomi di elementi chimici diversi. N : numero di neutroni presenti nel nucleo. A = Z+N : massa atomica del nucleo. Protoni e neutroni hanno circa la stessa massa che in fisica nucleare è assunta = 1, mentre l elettrone ha praticamente massa trascurabile (circa 1850 volte inferiore). comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

14 Struttura atomica di alcuni elementi Elemento Num. Atomico Num. neutroni Massa atomica (A=Z+N) troni (=Z) Num.elet Simbolo (protoni) (Z) (N) Idrogeno H Carbonio C Azoto N Ossigeno O Sodio Na Zolfo S Calcio Ca Ferro Fe Argento Ag Oro Au Uranio U comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

15 La tavola periodica degli elementi Raggruppa gli elementi in base alla configurazione elettronica. Quelli con = num. di elettroni nel livello più esterno sono accorpati in gruppi su colonne, gli elementi sono inseriti nella tabella su righe o periodi in base a Z (num. atomico) crescente: Per ogni elemento si va a capo quando Z aumenta di un numero = al num. di elettroni contenuti nei vari livelli energetici da quelli più interni a quelli più esterni. Gli elementi di uno stesso gruppo hanno stesso num. di elettroni sull ultimo livello e proprietà chimiche simili. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

16 Gli atomi che hanno nei nuclei lo stesso numero di protoni (Z), (e stesso numero di elettroni) hanno le stesse proprietà chimiche. Isotopi: atomi dello stesso elemento che differiscono tra loro in base al numero di neutroni (N) nei nuclei: Hanno stesso Z ma diverso N. Gli isotopi Isotopi dell idrogeno: deuterio e trizio comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

17 Per identificare i vari isotopi, il nome dell atomo è seguito dal numero di massa, A. Ad es. C12 (atomo normale), C13, C14 (isotopi del Carbonio). In fisica nucleare il numero di massa A (massa atomica) è scritto in alto, mentre il numero atomico Z in basso. Il numero di neutroni è N=A Z. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

18 Ad oggi sono noti 114 elementi chimici dal più leggero, l idrogeno (Z=1), a quello Z=114. Gli elementi con numero atomico Z > 92 (elementi transuranici essendo l uranio Z=92) sono stati ottenuti artificialmente. Tra tutti gli elementi esistono circa 270 isotopi stabili e più di 2000 isotopi instabili, che tendono spontaneamente a trasformarsi in altri. Gli isotopi instabili sono anche chiamati radioisotopi o radionuclidi poiché le trasformazioni subite danno luogo a emissioni radioattive. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

19 LA RADIOATTIVITÀ La radioattività naturale Nel 1896 il fisico francese Henri Becquerel lavorando con composti chimici contenenti sali di uranio, si accorse che le lastre fotografiche si impressionavano quando erano avvicinate a tali composti, pur essendo schermate. Ciò gli suggerì l esistenza di una forma di radiazione, diversa dalla luce ed in grado di superare il rivestimento delle lastre in analogia ai raggi X scoperti l anno prima dal fisico tedesco Wilhelm Röntgen. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

20 Successivamente vennero scoperte altre sostanze caratterizzate dallo stesso comportamento. I coniugi Pierre e Marie Curie isolarono il polonio e il radio: il fenomeno venne definito con il nome radioattività mentre si ipotizzò che le sostanze che generavano questo tipo di radiazione subissero modificazioni sostanziali all interno dei loro nuclei dette decadimenti radioattivi. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

21 Nel 1899 Ernest Rutherford scoprì che i composti dell uranio producevano 3 tipi di radiazioni che chiamò alfa ( ), beta ( ), gamma ( ). Si possono separare i 3 tipi di radiazione con un magnete capace di incurvare in direzioni opposte le radiazioni e lasciando inalterata la traiettoria della radiazione. Le particelle e hanno cariche elettriche opposte ciò determina la deviazione delle traiettorie in direzioni opposte. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

22 Differente potere di penetrazione delle 3 radiazioni Radiazione : si può schermare con un semplice foglio di carta; è costituita da un nucleo di un atomo (elio) formato da 2 protoni e 2 neutroni (Z=2; N=2; A=4; simbolo: ). Radiazione : (assimilabile a elettroni con altissima velocità) può essere bloccata da una lastra di alluminio di alcuni millimetri. Radiazione : (spiegata come un insieme di fotoni con altissima energia) la schermatura richiede una parete di cemento o di piombo. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

23 Decadimento alfa Emissione di un nucleo di elio (particella ): essendo costituita da nucleoni si origina da un nucleo atomico che si alleggerisce con la perdita di 4 nucleoni (2 protoni +2 neutroni). La diminuzione del numero di protoni, Z, determinerà la formazione di un altro elemento chimico. - A=238 : numero di massa dell uranio (A=Z+N); - Z=92 : numero di protoni o numero atomico. - Il Torio è caratterizzato da A=234 e Z=90. Trasformazione di U in Th: ha num. massa (A) e num. atomico (Z) pari a differenza tra U e (A=234=238 4; Z=90=92 2). Decadimento alfa dell uranio 238 che decade in torio 234 in seguito all emissione di una particella alfa comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

24 L instabilità di un isotopo che decade emettendo una particella, dipende dal confronto tra forze nucleari attrattive e forze elettrostatiche repulsive. Negli elementi a alto numero atomico le forze nucleari non riescono a contrastare le forze repulsive tra i numerosi protoni e così pezzi di nucleo fuoriescono con notevole energia cinetica. La massa dei nuclei finali è inferiore rispetto al nucleo iniziale. L equazione di Einstein E=mc 2 (E: energia; m: massa; c: velocità della luce) spiega che la massa mancante si trasforma in energia cinetica. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

25 Decadimento beta Le particelle sono elettroni emessi dal nucleo. La massa di un elettrone è trascurabile rispetto al nucleo il numero di massa A rimane costante. Il fenomeno sembra in contraddizione col fatto che nel nucleo ci sono solamente protoni e neutroni (con cariche elettriche positive e neutre). Un neutrone (n) si trasforma in protone (p) + elettrone (ß ) + antineutrino ( ), particella neutra di massa piccolissima. Decadimento del Torio 234 in Protoattinio 234 in seguito all emissione di una particella comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

26 Il protone prende il posto del neutrone nel nucleo, facendo aumentare il num. atomico Z di 1 (N diminuisce di 1, A non varia). Come nel decadimento, si ha la creazione di un nuovo elemento. Oltre ad A, anche la carica elettrica non varia. Il neutrone che decade non ha carica elettrica e anche il protone e l elettrone prodotti nel decadimento hanno una carica complessiva nulla (uguali di segno opposto), mentre il neutrino non ha carica. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

27 Esempio di decadimento ß diverso. L isotopo dell'azoto (N) con A=13 e Z=7 si trasforma in un isotopo del carbonio (C) con Z=6 e = numero di massa A. Contemporaneamente 2 nuove particelle si allontanano dal nucleo: l elettrone positivo e + o ß + e il neutrino (simile all antineutrino da cui differisce per proprietà magnetiche) che trasportano via anche energia cinetica. È un tipo più raro di decadimento ß (chiamato ß + ), scoperto in elementi radioattivi non naturali. Si verifica la trasformazione inversa: Un protone si trasforma in un neutrone con l emissione di un positrone (particella con stessa massa e carica dell elettrone ma segno +) più un neutrino. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

28 Decadimento gamma I raggi non hanno massa a differenza dei raggi e. Sono fotoni della stessa famiglia dei raggi X e della luce visibile: sono manifestazioni del campo elettromagnetico. La loro differenza sta nelle lunghezze d onda: più corte nei raggi gamma, più elevate nella luce visibile e, andando dall altra parte dello spettro elettromagnetico, più elevate nei raggi infrarossi e nelle radioonde. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

29 Il decadimento si ha quando nel nucleo si hanno dei riarrangiamenti nella disposizione dei neutroni e dei protoni verso configurazioni più stabili. In genere ciò si ha subito dopo un decadimento o ß. Nel decadimento non variano né Z, né N e, quindi, neppure A. In realtà il nucleo passa ad uno stato energetico più basso. Decadimento del Nichel 60 con emissione di un fotone a seguito del decadimento ß del Cobalto 60 comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

30 Periodo di dimezzamento dei radioisotopi Attività di una sostanza radioattiva: numero di disintegrazioni che avvengono nell unità di tempo. L attività A diminuisce col tempo per il decadimento spontaneo dei nuclei secondo la curva di decadimento. L attività A si dimezza in un intervallo T (periodo di dimezzamento). comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

31 L attività di una sorgente è teoricamente inestinguibile. Quando scende a valori trascurabili, non distinguibili dall'attività in natura, la sorgente è esaurita. L andamento delle diminuzioni di attività di una sorgente è di tipo esponenziale: Dove A 0 è l attività iniziale, A è l attività al tempo t e n è il numero di tempi di dimezzamento. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

32 Le sorgenti della radioattività naturale Perché tutti i radioisotopi naturali presenti sulla Terra non si sono disintegrati del tutto fino a diventare dei nuclei stabili? - esistono radioisotopi con periodi di dimezzamento lunghissimi come l uranio 238 (4,5 miliardi di anni) o il potassio 40 (1,3 miliardi di anni) che hanno avuto appena qualche periodo di dimezzamento dalla creazione della Terra; - esistono radioisotopi che sono prodotti di decadimento dei precedenti (ad es. il radio 226 prodotto dalla disintegrazione dell uranio) sono per questo motivo continuamente rigenerati; - esistono radioisotopi (es. carbonio 14) che sono prodotti incessantemente dai raggi cosmici che bombardano l atmosfera. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

33 La radioattività artificiale Nel 1919 E. Rutherford provocò artificialmente la trasformazione di un elemento chimico in un altro (trasmutazione di un nucleo stabile in un altro nucleo). Raggiunse questo scopo bombardando gli atomi con particelle dotate di energia così elevata da penetrarne i nuclei arrivando a spezzarli. Qualora il nucleo prodotto in una trasmutazione non sia stabile ma si comporti come un nucleo radioattivo, allora si parla di radioattività artificiale. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

34 Sono stati prodotti artificialmente elementi chimici transuranici e sono anche stati prodotti radioisotopi di quasi tutti gli elementi della tavola periodica: questi isotopi sono utilizzati principalmente come sorgenti di radiazione e come traccianti radioattivi. Radioisotopi artificiali sono contenuti nelle scorie radioattive, il cui trasporto e stoccaggio costituisce un delicatissimo problema per le possibili conseguenze sull ambiente. Contengono radioisotopi artificiali anche le ricadute radioattive causate dagli esperimenti nucleari militari o emissioni causate da incidenti nelle centrali nucleari. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

35 Famiglie radioattive In natura esistono 3 famiglie radioattive nelle quali si verifica la generazione di elementi radioattivi in seguito ai decadimenti e di altri elementi radioattivi e questo per un certo tempo fino a giungere a un nucleo stabile. Queste famiglie radioattive sono: la famiglia dell uranio (U), del torio (Th) e dell attinio (Ac). comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

36 La famiglia dell uranio è rappresentata in figura, ove ogni nucleo è indicato riportando in ascisse il suo numero atomico Z e in ordinata il suo numero di massa A. I decadimenti sono rappresentati da segmenti che vanno diagonalmente da destra a sinistra scendendo di 4 unità in verticale e spostandosi di 2 unità a sinistra, i decadimenti da segmenti orizzontali che vanno da sinistra a destra lunghi una unità. Accanto a ognuno dei segmenti è indicato il corrispondente periodo di dimezzamento: a, anno; d, giorno; m, minuto; s, secondo. La parte di uranio 238 che si è disintegrata sin dalla nascita della Terra si è dunque trasformata attraverso una serie di decadimenti e in piombo 206 che, essendo l ultimo membro della famiglia, è stabile. comando.ascolipiceno@vigilfuoco.it Via del Commercio, 48 Ascoli Piceno Tel

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