A Z. radioattività e radiazioni. Caratterizzazione del nuclide. elio giroletti. ottobre 2006

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PVI dip. Fisica nucleare e teorica via assi 6, 271 Pavia, Italy tel girolett@unipv.it - webgiro 1 elio giroletti radioattività e radiazioni FISIC TECNIC MIENTLE - elio giroletti - 25 Introduzione Radiazioni ionizzanti radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi strumentazione considerazioni ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività Caratterizzazione del nuclide Nucleoni, Neutroni, -Z protoni = elettroni, Z Simbolo chimico, X Z 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

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 2 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 STRUTTUR TOMIC 3 elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi) elemento isotopi Z N= Z abbondanza relativa (%) carbonio C C C tracce ossigeno potassio piombo O 18 O O 39 4 K 41 K K Pb 27 Pb 28 Pb Pb peso atomico

3 Origine della radioattività 3 Struttura dell atomo 27 nuclei instabili (radionuclidi) su 27 isotopi prodotti artificialmente Radioattività naturale ed artificiale N 15 numero di neutroni U N = Z Pb nuclei stabili 6 nuclei instabili N = Z 5 emissione di radiazioni 4 3 RDIOTTIVITÀ 2 1 Fe numero di protoni o Z = 5 = 2 = 15 = 1 = 2 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività le radiazioni ionizzanti radiazione: trasporto di energia nello spazio direttamente ionizzanti alfa: α beta: β + - β - particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) indirettamente ionizzanti Elettromagnetiche: X - γ neutroni Energia, E elettromagnetiche, E=hν corpuscolari: E=m v 2 /2

4 Interazione radiazione/materia 4 Eccitazioni atomiche molecolari Ionizzazioni ionizzano la materia se E>12 ev λ<1 nm radiazione alfa, α 2 neutroni e 2 protoni (nucleo di 4 He ++ ) carica: +2, massa: 4,278 unità massa atom. (uma) direttamente ionizzante penetra qualche cm in aria emessa da nuclei pesanti, >145 a volte accompagnata da emissione gamma radiazione monoenergetica (4-9 MeV) tempo dimezzamento: 1-7 sec a 1 1 anni Z X esempio : Z 2 Y + 2He Ra 86Rn + α +... ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 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 +...

5 decadimento beta, β - (e gamma) 5 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 radiazione gamma, γ-x fotone: carica, E =hν =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

6 6 radiaz. neutroniche carica relativa =; massa (quiete): 1,8665 ua maggiormente penetranti interazione nei tessuti biologici: 1 kev e 1 MeV: perdono energia per diffusione elastica <,5 ev: cattura con emissione gamma e altre particelle SEV, 3-1 MeV, da 3 a 14 cm di acqua migliori schermi: elevato contenuto protoni, es.: acqua, paraffina, calcestruzzo, ecc. 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 interazione radiazioni e materia mattoni ferro piombo acqua alfa beta X - gamma

7 7 Fonte: ICRP 1991, 199 Recommendations of ICRP 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) ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività Produzione immagine radiologica radiological image production Fonte: Johns, Cunningham, Phys of Radiolg, III ed.

8 decadimento radioattivo Δn = λ n Δt dn dn = λ n dt dn n = λ dt 8 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 n λ ( t t ) n( t) ( t) = n( t) e = λ ( t t ) 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 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività radioactive decay percentage of atoms (%) [linear scale] T 1/2 =.693/λ τ =1/ 1/λ -λ ellapsed time (arbitrary units) Number of atoms (%) [log scale]

9 n decadimento radioattivo n t e λ( t t ) ( ) ( t) = n( t) e = λ( t t ) 9 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 λ( t t ) ( t) = λ n( t) = λ n( t ) e attività, : indica la velocità di decadimento del materiale radioattivo, cioè numero di atomi che decadono nell unit 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= 3,7 1 1 q tempo dimezzamento, T 1/2 (s): tempo necessario affinché l attività si dimezzi vita media, τ (s): tempo medio tt( t) tt( t) T 2 n( t) = = 1/ di sopravvivenza del nuclide, λ ln(2) corrisponde a n(τ) =n o /e ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 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

10 dn N = λ N dt dn = ( λn λn) dt λ ( t) = N λ λ famiglie radioattive C integrando 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 )= 1 12 ttività, q 12 famiglie radioattive equilibrio secolare λ << T ) >> T ( ) tt ( t) tt ( t) λ T1/2 di = 2 T di Tempo, anni,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 1/2( 1/ 2 attività, attività, Rapporto %, / = ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività famiglie radioattive equilibrio secolare C λ << λ λ N ( t) = N ( t) λ λ λ λ λ λ N ( t) = tt( t) tt ( t) tt ( t) = Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello del figlio, allora l attivitl attività del discendente è uguale a quella del progenitore (l attivit attività e non il numero di atomi radioattivi!)

11 famiglie radioattive radio, 226 Ra, e radon, 222 Rn 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) ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 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

12 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-224 3,6 g 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 12 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 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività 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

13 altri radionuclidi naturali 13 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 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività esercizi... Calcolare la vita media del 222 Rn e del 22 Rn: T 1/2 =3,82 g e 55 s, rispettivamente Calcolare il numero (percentuale) di atomi di 222 Rn che decade in un giorno Calcolare l attività di 1 mg di 226 Ra: T 1/2 =164 a Calcolare l attività di 222 Rn presente in un mattone che contiene 1 q di 226 Ra Calcolare numero atomi e massa 222 Rn presente in aria a concentrazione di 5 q/m 3 Calcolare l attività di 4 K presente in una persona di 75 kg: K è,3% della massa del corpo e abbondanza isotopica del 4 K è,117%

14 i rivelatori di radiazioni La scelta di un rivelatore dipende da tipo di radiazione range di energia di interesse esigenze di efficienza e risoluzione grandezza che si vuole misurare 14 altre considerazioni quali: velocità di conteggio, disponibilità per lunghi tempi, tenuta a umidità, trasportabilità e costo! da: rambilla, Pavia 21 rivelatori di radiazioni si possono suddividere in rivelatori a gas luminescenti (termica e altre lumin.) a scintillazione a semiconduttore fotografici pellicole (film e a tracce) e altri: spettrofotometria, elettreti, EPR, chimici attivi e passivi Foto: Reg.Piemonte ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività rivelatori a scintillazione da: rambilla, Pavia 21

15 Efficienza e energia 15 Esprime il rapporto tra i conteggi prodotti dal rivelatore e le radiazioni emesse da una sorgente. Curva di efficienza in energia (a fianco quella tipica per un rivelatore al Ge). da: rambilla, Pavia 21 TRTUR DEI MEZZI DI MISUR La taratura degli strumenti di misura è uno dei requisiti per il corretto esercizio della radioprotezione La necessità di tarare gli strumenti di misura usati in radioprotezione riguarda anche un obbligo di legge, art.17 d.lgs 23/95 e s.m.i. ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Radioattività radioattività e radiazioni FISIC TECNIC MIENTLE - elio giroletti - 25 dispense su internet webgiro elio giroletti. Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica girolett@unipv.it