1.1 Struttura dell atomo

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1 CAPITOLO I Richiami di fisica generale e descrizione delle radiazioni ionizzanti. Struttura dell atomo L atomo è la più piccola porzione di un elemento chimico, che conserva le proprietà dell elemento stesso. Figura.- La struttura dell atomo Il primo modello atomico è stato elaborato da Rutheford, nel 9; in esso è possibile paragonare la struttura dell atomo a quella del Sistema Solare, in quanto il nucleo si trova al centro e le particelle, chiamate elettroni, ruotano intorno ad esso a distanze diverse. Su queste ultime agiscono due forze opposte: la forza centrifuga, che le spinge verso l esterno, e l attrazione elettrostatica da parte del nucleo. Nell ultimo secolo sono state elaborate diverse teorie e vari modelli sugli elettroni. Inizialmente si attribuiva ad essi un orbita ben precisa; in seguito si è passati a definire un campo di

2 probabilità in cui può trovarsi l elettrone. Rispetto alla natura dell elettrone, le prime teorie vi attribuivano le caratteristiche di un corpuscolo, mentre quelle più recenti descrivono questa particella con la duplice natura corpuscolare ed ondulatoria. Basandosi sulla teoria atomica elaborata da Bohr, nel 93, gli elettroni possono trovarsi soltanto su particolari orbite, ellittiche o circolari, di dimensioni lineari molto maggiori del nucleo. Ad esse corrispondono livelli energetici (o quantici) ben definiti, che vengono indicati in due modi, o per mezzo di lettere (K, L, M, N, O, P, Q), oppure per mezzo di numeri (,,3,4,5,6,7). Per descrivere in modo completo lo stato energetico di un elettrone sono necessari quattro numeri quantici, indicati come n, l, m ed s. Secondo il principio di Pauli in un atomo non possono coesistere elettroni identici, cioè con i quattro numeri quantici uguali. Di conseguenza, il numero massimo di elettroni, che può trovarsi su ogni livello energetico, è dato dall espressione: N e = n dove n è il numero quantico principale del livello energetico considerato. Nel nucleo è concentrata praticamente tutta la massa dell atomo; è costituito da due tipi di particelle: i protoni ed i neutroni. I protoni sono dotati di carica elettrica positiva, con la quale attraggono, intorno al nucleo, gli elettroni, che invece hanno carica elettrica negativa; in un atomo ogni protone è compensato da un elettrone, così da ottenere una struttura con carica totale nulla ed elettricamente stabile.

3 I neutroni non hanno carica elettrica e contribuiscono unicamente a far aumentare la quantità di materia presente nel nucleo. Figura.- Rappresentazione dell atomo simbolo La struttura di un atomo viene indicata, di consueto, con il A Z X, in cui X è il simbolo chimico dell elemento considerato, A è il suo numero di massa, cioè il numero totale di protoni e neutroni del nucleo, e Z è il numero atomico dell elemento, cioè il numero dei protoni del nucleo oppure il numero di elettroni che circondano il nucleo. Conseguentemente, la differenza nucleo. A Z esprime il numero di neutroni che si trovano nel 3

4 .. Gli isotopi e la radioattività A tutt oggi sono noti più di cento elementi, ognuno dei quali è caratterizzato dal suo numero atomico Z. Esistono, però, elementi che possiedono lo stesso numero atomico, ma diversi numeri di massa A ; questi vengono denominati isotopi. Gli isotopi di un dato elemento, che possono essere uno o più di uno, hanno lo stesso numero di protoni e differiscono tra loro per il numero dei neutroni contenuti nel nucleo; conseguentemente hanno masse atomiche differenti. Poiché gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero atomico Z, possiedono le stesse proprietà chimiche; per questo motivo non è possibile separarli mediante reazioni chimiche. Le proprietà fisiche sono invece differenti perché diversa è la loro massa. Gli isotopi sono instabili quando possiedono un eccesso di energia, che viene liberata sotto forma di particelle e di radiazioni elettromagnetiche, emesse separatamente o contemporaneamente. Questo processo di decadimento, o di disintegrazione, che porta il nucleo in uno stato energetico più stabile, prende il nome di radioattività. Tra le particelle esistenti all interno del nucleo, si esercitano forze di diversa natura, quali le forze repulsive tra i protoni e le forze attrattive tra protoni e neutroni. Le prime tendono ad allontanare i protoni l uno dall altro, le seconde a tenere uniti nel nucleo i protoni ed i neutroni; è dalla loro risultante che si determina se una certa composizione del rapporto neutroni-protoni è da considerarsi stabile, oppure no. Sperimentalmente è stato riscontrato che per gli elementi più leggeri, nei quali i protoni ed i neutroni sono all incirca in numero uguale, si ha una grande stabilità; negli elementi con un numero atomico maggiore di venti, 4

5 invece, per avere un nuclide stabile è necessario che ci sia un eccesso di neutroni... Il processo di ionizzazione La ionizzazione è il processo con cui un atomo o una molecola possono perdere o acquistare elettroni, dando luogo alla formazione di particelle che prendono il nome di ioni, i quali si pongono in movimento quando sono sottoposti all azione di un campo elettrico. Uno ione è elettricamente carico e la sua carica è determinata dal numero di elettroni persi o acquistati nel processo di ionizzazione. Quando un atomo o una molecola perdono un elettrone si ha la formazione di una coppia di ioni: l elettrone libero ed il residuo atomico, che è carico positivamente.. Elementi di radioattività La radioattività naturale fu osservata per la prima volta, nel 896, da Henri Becquerel, il quale, casualmente, si accorse che i suoi campioni emettevano una radiazione penetrante simile a quella descritta un anno prima da Röntgen nei suoi lavori sulle scariche nei gas. Ulteriori studi mostrarono che le radiazioni emesse erano caratteristiche dell elemento e che era possibile stabilire delle relazioni quantitative. Si chiarì, inoltre, che gli atomi che emettevano radiazioni erano instabili e decadevano con formazione di nuovi atomi. L impiego dei campi magnetici ha permesso di stabilire che esistono tre tipi di radiazioni naturali, indicate come radiazioni α, β e γ. Le prime due sono costituite da particelle cariche, mentre la radiazione gamma è di natura elettromagnetica. Come mostrato nella Figura.3, le particelle α e β subiscono una deflessione, in 5

6 direzioni opposte, quando vengono sottoposte all azione di un campo magnetico, mentre le radiazioni γ non subiscono deflessioni. Figura.3- Radiazioni α, β e γ sottoposte all azione di un campo magnetico Le radiazioni α, β e γ sono emesse dal nucleo degli atomi radioattivi ed i fenomeni di decadimento sono legati alle proprietà nucleari delle singole specie di nuclei instabili, indicati come nuclidi radioattivi o radionuclidi. L instabilità dei nuclei è dovuta alla presenza in essi di neutroni in eccesso o in difetto rispetto alle condizioni di stabilità; questi, di conseguenza, tendono a trasformarsi in nuclei di altri elementi, con un numero atomico minore, oppure in isotopi dei nuclei di partenza, mantenendo lo stesso numero atomico. Possono essere emesse anche radiazioni di origine atomica, anziché nucleare, dovute a fenomeni che coinvolgono gli elettroni orbitali; un esempio è costituito dai raggi X. 6

7 .. Tipi di decadimento radioattivo Sono stati osservati diverse tipologie di decadimento radioattivo di nuclidi instabili, come viene mostrato nello schema seguente: a) Decadimento α: il nucleo emette una particella α ed il suo numero atomico diminuisce di due, mentre il numero di massa diminuisce di quattro; le particelle α, infatti, sono 4 costituite da nuclei di elio He. Il decadimento α può essere schematizzato come segue: A Z A 4 4 X Y He. Z + b) Decadimento β: il nucleo emette una particella β. Si può distinguere tra due tipi di particelle: la particella β -, nel caso si tratti di un elettrone, e la particella β + nel caso esclusivo dei radionuclidi artificiali, che emettono un elettrone 7

8 positivo o positrone. In questo tipo di decadimento, quindi, il numero di massa rimane invariato, mentre il numero atomico diminuisce o aumenta di una unità a seconda del processo, secondo lo schema seguente: A A Z X Z + Y + A A Z X Z Y + β β + c) Cattura elettronica: il nucleo cattura un elettrone orbitale, dei livelli K o L, trasformandosi nel nucleo di numero di massa uguale e di numero atomico minore di un unità, in quanto l elettrone ed un protone del nucleo formano un neutrone; tale processo equivale al decadimento β +. d) Decadimento γ e transizione isomera: l emissione dei raggi γ costituisce la modalità più semplice, per un nucleo eccitato, di perdere energia. Nel decadimento γ un nucleo nello stato eccitato passa in uno stato energetico più basso, senza modificare il numero atomico ed il numero di massa. Un nucleo nello stato eccitato può essere il risultato di diversi processi: decadimento α e decadimento β; reazioni nucleari; eccitazione dallo stato fondamentale; transizione γ dagli stati eccitati superiori. Generalmente un nucleo fortemente eccitato torna allo stato fondamentale emettendo raggi γ in tempi dell ordine 8

9 di 0-3 secondi. Può accadere che l emissione avvenga in tempi più lunghi, spesso dell ordine di ore; in questo caso lo stato eccitato del nucleo è detto metastabile ed il nucleo, godendo di una stabilità temporanea, è detto isomero del corrispondente nucleo nello stato fondamentale. È in questo caso che si può parlare di transizione isomera. Durante il decadimento, oltre alle particelle ed alle radiazioni emesse dal nucleo, si può avere emissione anche in seguito al verificarsi di fenomeni che coinvolgono gli elettroni orbitali: a) Emissione di elettroni di conversione interna: avviene quando si ha l emissione di un fotone γ che, attraversando la nuvola elettronica, interagisce con un elettrone degli strati K, L, M, trasferendo ad esso la sua energia. Di conseguenza, dall atomo viene emesso un elettrone di energia pari alla differenza tra quella del fotone incidente e l energia di legame dell elettrone. Questi elettroni sono chiamati raggi β di conversione interna. b) Emissione di raggi X ed elettroni di Auger: si tratta di fotoni e di elettroni emessi a causa del riassestamento degli elettroni orbitali, in seguito a fenomeni quali la conversione interna e la cattura elettronica, che lasciano l atomo privo degli elettroni degli strati interni. Figura.4- Emissione di elettroni Auger 9

10 .. Legge temporale dei decadimenti radioattivi Il decadimento di tutte le sostanze radioattive avviene seguendo la medesima legge temporale. Supponendo di avere una sorgente radioattiva e di poter conoscere il numero di atomi che si disintegrano in un dato intervallo di tempo, è possibile ottenere un grafico in cui venga riportato il numero di atomi presenti in funzione del tempo. La curva risultante mostra un tipico andamento esponenziale, con una diminuzione costante dell intensità di disintegrazione in uguali intervalli di tempo. Figura.5- Rappresentazione lineare del decadimento In ogni intervallo di tempo non si disintegra lo stesso numero di atomi, ma la stessa percentuale degli atomi presenti. Quindi, l intensità di disintegrazione di una sostanza, chiamata attività, è una grandezza proporzionale al numero di atomi presenti al tempo t, come indicato nell espressione seguente: dn α N dt dn dove è l attività e N è il numero degli atomi presenti al tempo t. dt Includendo una costante di proporzionalità, l espressione precedente diventa: 0

11 dn dt = λn dove λ è la costante di decadimento, mentre il segno meno indica che l attività decresce con il tempo. Infine, integrando l espressione precedente si ottiene la legge esponenziale generale del decadimento radioattivo: N = N 0 e λt in cui N è il numero di atomi presenti al tempo t in un campione che presentava un numero N 0 di atomi radioattivi iniziali. La costante di decadimento λ esprime la probabilità che un singolo atomo decada nell unità di tempo; maggiore è il valore di λ più rapidamente il radioelemento decade...3 La vita media ed il tempo di dimezzamento dei radioelementi La costante di decadimento è legata al concetto di vita media (τ) e di tempo di dimezzamento, T, di un radioisotopo. La vita media è definita come: τ = λ Corrisponde, quindi, al tempo necessario affinché l attività di un dato radioisotopo si riduca di un fattore e rispetto al suo valore iniziale.

12 Il tempo di dimezzamento è il tempo necessario affinché l attività iniziale di un radioisotopo si riduca a metà; si può calcolare tramite l espressione seguente: T ln λ 0,693 λ = = = 0,693τ Ciascun atomo radioattivo ha il proprio schema di decadimento, caratterizzato da due grandezze: ) la vita media, ) l energia emessa. L identificazione di un particolare radioisotopo dipenderà dall accuratezza con la quale queste grandezze possono essere determinate. La conoscenza di entrambe è necessaria in quanto alcuni radioisotopi possono avere una vita media all incirca uguale, differendo invece notevolmente per la loro energia di emissione, mentre altri hanno energie di emissione molto vicine, ma vite medie notevolmente diverse...4 Le famiglie radioattive Molte sostanze radioattive non decadono direttamente in un isotopo stabile, ma danno luogo a discendenti, anch essi radioattivi, che decadono con la propria caratteristica vita media. Si supponga che ad un certo istante vi siano 0 N atomi del radioisotopo capostipite, con una costante di decadimento λ, e che non vi siano atomi del discendente. Dato che ogni atomo del capostipite decadendo diviene un atomo di discendente, la

13 variazione del numero di discendenti ( dn ) in un intervallo di tempo infinitesimo ( dt ) si ottiene con la seguente espressione: dn dt = λ N λ N Dalla legge generale del decadimento radioattivo, il numero di atomi del capostipite al tempo t è: 0 N = N e λ t Sostituendo questa espressione in quella precedente, ed integrando l equazione, si giunge al seguente risultato: N λt λ t ( e e ) N = 0 λ λ λ dove N è il numero di atomi del discendente presenti al tempo t. Si parla di famiglie radioattive quando una sostanza radioattiva decade dando luogo alla formazione della specie radioattiva successiva, con un processo a cascata che termina con l isotopo stabile. Tra le famiglie radioattive sono di particolare interesse quelle naturali e precisamente quelle dell uranio, quella del torio e quella dell attinio; una famiglia che rientra nel campo dei radioisotopi artificiali è invece quella del nettunio. 3

14 .3 Le radiazioni ionizzanti Le radiazioni ionizzanti sono delle onde elettromagnetiche, o delle particelle, dotate di potere altamente penetrante nella materia; ciò consente loro di ionizzare gli atomi con cui entrano in collisione. Figura.6- Il processo di ionizzazione ed eccitazione di un atomo Verrà focalizzata l attenzione sulle radiazioni ionizzanti che determinano diversi effetti e rischi biologici, e che quindi maggiormente interessano la radioprotezione. In modo particolare verranno trattate: particelle alfa; particelle beta; raggi gamma; raggi X. Queste radiazioni hanno sia origine naturale che antropica; lo studio del tipo e del contributo delle diverse fonti è fondamentale nella determinazione dell esposizione massima ammissibile per la popolazione. 4

15 .3. Le sorgenti di esposizione alle radiazioni ionizzanti La radiazione cosmica, la radioattività naturale delle acque di superficie, dell aria, del suolo ed anche dello stesso organismo, rappresentano una fonte di radiazione cui sono soggetti tutti gli esseri viventi. Queste sorgenti naturali di esposizione sono indicate nel loro insieme come radiazione di fondo; questa presenta un elevata variabilità da luogo a luogo, così che ogni sito avrà un proprio livello della radiazione di fondo. Figura.7- Dose media annuale mondiale Di seguito vengono descritte, brevemente, le sorgenti che rientrano nella radiazione di fondo. a) Raggi cosmici: hanno origine extraterrestre e sono costituiti principalmente da particelle cariche positivamente (protoni, particelle α, nuclei pesanti), che quando giungono in prossimità della Terra risentono dell azione derivante dal campo magnetico terrestre. Molte di queste particelle, chiamate raggi cosmici primari (nuclei atomici, elettroni, positroni e raggi γ), si scontrano con gli atomi dell atmosfera terrestre, generando altre particelle, i raggi cosmici secondari, costituite ad esempio da mesoni (particelle di massa compresa tra l elettrone ed il protone), elettroni, fotoni, protoni e neutroni. I raggi cosmici hanno un energia elevatissima, 5