Caratterizzazione del nuclide. Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia - Dip. Fisica nucleare e teorica. ottobre 2008

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PVI dip. Fisica nucleare e teorica via assi 6, 271 Pavia, Italy tel girolett@unipv.it - elio giroletti radioattività e radiazioni RISCHI FISICI - elio giroletti - 28 Introduzione Radiazioni ionizzanti radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi strumentazione considerazioni Caratterizzazione del nuclide Nucleoni, Neutroni, -Z X protoni = elettroni, Z Z Simbolo chimico, X 219 Rn, 22 Rn, 222 Rn L isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa (). Gli isotopi possono o meno essere radioattivi ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 1

2 STRUTTUR TOMIC 92 elementi naturali atomi nucleo (protoni, neutroni) + elettroni dimensioni 1 8 cm = Å Z = numero atomico = numero di massa = Z + N N = numero di neutroni peso atomico : riferito all' isotopo 12 del carbonio ( 12 C) unità di misura S.I. unità di massa atomica (u.m.a.) = dalton grammo-atomo Enciclopedia Rizzoli Larousse, cd-rom, 1998 STRUTTUR TOMIC elettrone protone neutrone carica elettrica e + e dimensione < 1 18 cm (*) 1 13 cm 1 13 cm massa 9, g 1, g 1, g vita media stabile stabile 17 min (**) (*) limite superiore (**) neutrone libero ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 2

3 STRUTTUR TOMIC 3 elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi) elemento isotopi Z N= Z abbondanza relativa (%) carbonio C C C tracce ossigeno 16 O potassio piombo 17 O 18 O 39 4 K 41 K K Pb 27 Pb 28 Pb Pb peso atomico Origine della radioattività Struttura dell atomo 27 nuclei instabili (radionuclidi) su 27 isotopi prodotti artificialmente Radioattività naturale ed artificiale N N = Z o numero di neutroni = 5 = 2 = 15 = 1 = 2 Pb U N = Z Fe numero di protoni Z nuclei stabili nuclei instabili emissione di radiazioni RDIOTTIVITÀ ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 3

4 radioattività e radiazioni RISCHI FISICI - elio giroletti - 28 Introduzione Radiazioni ionizzanti radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi strumentazione considerazioni LE RDIZIONI IONIZZNTI radiazione: trasporto di energia nello spazio direttamente ionizzanti particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) alfa: α beta: β + - β - indirettamente ionizzanti Elettromagnetiche: X - γ neutroni Energia delle radiazioni elettromagnetiche, E=hν corpuscolari: T=(γ-1)m c 2 RDIZIONE LF, α 2 neutroni e 2 protoni (nucleo di 4 He He ++ ) carica: +2 - direttamente ionizzante massa: 4,278 uma - m c 2 : 3727,3 MeV emessa da nuclei pesanti, >145 radiazione monoenergetica, tra 4 e 9 MeV numero ionizzazioni in tessuto: ~2.1 5 coppie ioni e ~5.1 6 molecole eccitate e radicali liberi Z X esempio : Z 2 Y + 2He Ra 86Rn + α +... ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 4

5 radiazione beta-, e -, β - elettrone: carica -1, massa,549 uma direttamente ionizzante penetra da qualche micron a decine di cm emessa da nuclei con eccesso neutroni accompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario Z X esempio: 1 Y + e Z + ν Pb 83 i + β + ν +... decadimento beta, β - (e gamma) Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987 radiazione beta+, e +, β + positrone: carica +1, massa,549 uma direttamente ionizzante annichila penetra in aria: qualche micron qualche cm emessa da nuclei con difetto neutroni accompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario Z X esempio: Z + 1 Y + e + ν F 8 O + β + ν +... ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 5

6 positron emission tomography, PET VV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 radiazione gamma, γ-x fotone: carica, E =hν ν =mc 2 indirettamente ionizzante penetra: qualche cm - decine (o centinaia) di m emessa da nuclei in stato eccitato può accompagnare altri decadimenti radiazione monoenergetica, molte righe tempo dimezzamento: estremamente vario Z X * esempio: Z X + γ Co 28 + Ni + β + ν 2γ interazione e rivelazioni delle radiazioni Le radiazioni ionizzanti sono rivelate dalle interazioni di ionizzazione che: si manifestano attraversando la materia variano a seconda del tipo di sostanza di radiazione tipo e energia- indirettamente ionizzanti:fotoni e neutroni dirett.ionizz: particelle cariche e elettroni da: rambilla, Pavia 21 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 6

7 Interazione delle radiazioni Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987 interazione radiazioni e materia mattoni ferro piombo acqua alfa beta X - gamma dations of ICRP Fonte: ICRP 1991, 199 Recommend ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 7

8 collimatore rivelatore assorbitore ΔI Δx = μ I(x) raggi X I o I(x) x I = I o e μ x μ = coefficiente lineare di attenuazione totale [μ] = [L] 1 SSORIMENTO RGGI X e γ (monocromatici) Produzione immagine radiologica radiological image production Fonte: Johns, Cunningham, Phys of Radi iolg, III ed. radioattività e radiazioni RISCHI FISICI - elio giroletti - 28 Introduzione Radiazioni ionizzanti radiazioni alfa, beta e gamma interazione delle alfa con la materia decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi strumentazione considerazioni ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 8

9 decadimento radioattivo Δn = λ n Δt dn dn = λ n dt dn n = λ dt n( t) = n( t ) e λ( t t ) 1895 tempo, t λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide legge del decadimento radioattivo n(t) n o,5 no,37 n o no 2 no e o T 1/2 τ ln(2) 1 λ = = T τ 1/ 2 tempo, t τ= vita media, SI: s T 1/2 =tempo dimezzamento, SI: s λ = costante di decadimento, SI: s -1 radioactive decay λ 1 2 T 1/2 =.693/λ τ =1/ 1/λ ellapsed time (arbitrary units) 1 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 9

10 decadimento radioattivo n(t) λ 3 > λ 2 > λ 1 1 T 3 < T 2 < T tempo, t λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide attività attività, : indica la velocità di decadimento del materiale radioattivo, cioè numero di atomi che decadono nell unità di tempo; unità misura, SI: becquerel (q): corrisponde ad una trasformazione nucleare al secondo: 1 q =1 s - 1 ; precedentemente: 1 curie (Ci) =3,7 1 1 q tempo dimezzamento, T 1/2 (s): tempo necessario affinché l attività si dimezzi vita media, τ (s): tempo medio di sopravvivenza del nuclide, corrisponde a n(τ) =n o /e decadimento radioattivo Considerazioni tasso di decadimento (e la probabilità) è costante indipendente dalla storia dei nuclei andamento esponenziale si azzera all infinito la vita media corrisponde a 1/e si dimezza in un tempo costante ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 1

11 dn dn N = λ N dt famiglie radioattive C = ( λ N λ N dt integrando ) λ ( t) = N λ λ λ [ ] t λ e e t dove: N = numero di atomi del tipo, inizialmente presenti N atomi N = numero di atomi del tipo, inizialmente ipotizzati assenti, N (t )= 12 ttività, q 12 famiglie radioat ttive equilibrio secola are λ T1/2 di = 2 T di attività, attività, Rapporto %, / Tempo, anni,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 λ << T ) >> T ( ) tt ( t) tt ( t) 1/2( 1/ 2 = famiglie radioattive equilibrio secolare C λ N ( t) = N ( t) λ λ λ λ λ λ N ( t) = tt( t) tt λ << λ ( t) tt ( t) = Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello del figlio, allora l attività del discendente è uguale a quella del progenitore (l attività e non il numero di atomi radioattivi!) ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 11

12 famiglie radioattive radio, 226 Ra, e radon, 222 Rn 12 ttività, q Ra 222Rn 5 2 Rapporto %, Rn/Ra Tempo, anni,,5,1,15 emivita del Ra (164 a) >> emivita Rn (3,82 g) famiglie radioattive equilibrio secolare radio, 226 Ra, e radon, 222 Rn, e figli Esempi di equilibrio secolare le attività dei seguenti radionuclidi all equilibrio coincidono ttività(padre) = ttività(figlio): 238 U Ra 226 Ra 222 Rn 222 Rn 218 Po Po (l equilibrio si interrompe al 21 Pb, in quanto ha una emivita di 2 a) famiglie radioattive naturali famiglia del torio, Th-232 (4n) famiglia dell uranio, U-238 (4n+2) famiglia dell attinio, U-235 (4n+3) hanno in comune: capostipite: elemento a vita molto lunga l ultimo è sempre un isotopo del piombo c è un nuclide allo stato gassoso famiglia torio: Rn-22, toron famiglia uranio: Rn-222, radon famiglia attinio, Rn-219, attinon ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 12

13 famiglia radioattiva - TORIO PRINCIPLI RDIONUCLIDI DELL FMIGLI DEL TORIO radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse Th-232 1,4E1 anni α Ra-228 5,8 anni β c-228 6,1 ore β,γ Th-228 1,9 anni α,γ Ra g 3,6 α,γ Rn s α Po-216,15 s α Pb ore β,γ i min α,β,γ Po-212 3E-7 s α Tl-28 3,1 min β,γ Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993 famiglia radioattiva URNIO PRINCIPLI RDIONUCLIDI DELL FMIGLI DELL URNIO radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-238 4,5E9 anni α Th g β,γ Pa-234m 1,2 min β,γ U-234 2,5E5 anni α Th-23 8E4 anni α Ra-226 1,6E3 anni α,γ Rn-222 3,82 g α Po-218 3,1 min α Pb min β,γ i min α,β,γ Po-214 2E-4 s α Pb anni α,β,γ i-21 5 g β Po g α Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993 famiglia radioattiva - TTINIO PRINCIPLI RDIONUCLIDI DELL FMIGLI DELL TTINIO radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-235 7,13E8 anni α,γ Th ,64 ore β,γ Pa-231 3,43E4 anni α,γ c ,8 anni β Th ,4 g α,γ Fr min β,γ Ra ,68 g α,γ Rn-219 3,92 s α,γ Po-215 1,83E-3 s α Pb ,1 min β,γ i-211 2,16 min β,γ Po-211,52 sec α,γ Tl-27 4,78 min β,γ Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 13

14 altri radionuclidi naturali LTRI RDIONUCLIDI NTURLI NON PPRTENENTI LLE FMIGLIE RDIOTTIVE radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse K-4 1,3E9 anni β,γ Rb-87 5E1 anni β La-138 1,1E11 anni β,γ Sm-147 1,3E11 anni α, Lu-176 3E1 anni β,γ Re-187 5E1 anni β Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993 Radionuclidi COSMOGENICI RDIONUCLIDI NTURLI DI ORIGINE COSMOGENIC Radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse H-3 12,3 anni β e-7 53,6 g β C anni β Na-22 2,61 anni β Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993 radioattività e radiazioni RISCHI FISICI - elio giroletti - 28 dispense su internet t elio giroletti. Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica girolett@unipv.it ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 14