Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia - Dip. Fisica nucleare e teorica marzo 2005

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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 elio giroletti radioattività (cenni) ELEMENTI DI RDIOPROTEZIONE - elio giroletti Introduzione Radiazioni alfa, beta e gamma decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi radioattività naturale considerazioni ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 1 Nucleoni, Neutroni, -Z protoni = elettroni, Z Simbolo chimico, X Caratterizzazione del nuclide 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 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 - Elementi di radioprotezione: 2 ISOTOPI E RDIOISOTOPI elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi) elemento isotopi Z N= Z abbondanza relativa (%) carbonio C ,89 14 C ,11 C tracce ossigeno 16 O potassio piombo O O 39 K 4 41 K K Pb 27 Pb 28 Pb Pb ,759,37,24 93,138,12 6,8 1,3 26, 2,7 52, peso atomico 12,11 15, ,983 27,19

3 struttura dell atomo 267 nuclidi stabili >25 nuclidi radioattivi!!! radioattività naturale ed artificiale nuclei forze protone-protone: F 4πε 1 c o FORZE NUCLERI 1 ( C) 2 (1 15 m) 2 Z protoni, Z = N neutroni dimensioni 1 15 m repulsione coulombiana 23 N 23 kg peso attrazione gravitazionale insufficiente: F G ( kg) 2 (1 15 m) N = 1 35 g kg peso necessaria attrazione nucleare forte > 23 kg peso ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 3 FORZE NUCLERI 3 caratteristiche forza nucleare forte agisce tra protoni e neutroni corto raggio d'azione ( 1 15 m) neutroni: legami aggiuntivi nuclei con pochi neutroni: non stabili troppi neutroni: nucleo non stabile (neutrone libero particella instabile) decadimenti radioattivi necessaria forza responsabile dei decadimenti nucleari

4 RDIOTTIVIT' isotopo : stesso Z (numero protoni) diverso N (numero neutroni) nuclei instabili decadimento radioattivo Z < 92 - isotopi stabili - isotopi instabili (nuclei radioattivi) Z > 92 - nuclei instabili (nuclei radioattivi) 1 emissione di radiazioni 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 - Elementi di radioprotezione: 4 decadimento radioattivo

5 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 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 X + 2He : 94 Pu 92 U + α ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 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 +...

6 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 +... 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 ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 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.

7 decadimento radioattivo n = λ n t dn dn = λ n dt dn n = λ dt n( = n( t ) e λ( t t ) 1895 tempo, t λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide legge del decadimento radioattivo n( n o,5 no,37 n o no 2 no e n λ ( t t ) n( ( = n( 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 - Elementi di radioprotezione: 7 decadimento radioattivo n( n n t e λ( t t ) ( ) ( = n( e = λ( t t ) λ 3 > λ 2 > λ 1 1 T 3 < T 2 < T tempo, t λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide

8 attività λ( t t ) ( = λ n( = 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( tt( T 2 n( = = 1/ di sopravvivenza del nuclide, λ ln(2) corrisponde a n(τ) =n o /e decadimento radioattivo Considerazioni tasso di decadimento 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 - Elementi di radioprotezione: 8 ttività specifica S N S 1/2 dove: ρ = densità; = numero atomico/molecolare; N s =numero di atomi per cm 3 ; unità di misura: q/g = λ ttività specifica = attività di un grammo di sostanza,62 1 = ρ N S 24 24,62 1 ln(2),62 1 = λρ = ρ T S 24

9 dn N = λ N dt dn = ( λn λn) dt λ ( = N λ λ 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 )= 12 ttività, q 25 equilibrio transiente λ < T λ ) > T ( ) N ( = N ( λ T1/2 di = 2 T di Tempo, anni / 2( 1/ 2 attività, attività, Rapporto %, / λ λ ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 9 N e λ ( = N λ λ >> e λ t λ t N equilibrio transiente C λ < λ λ [ ] t λ e e t N ( = N e λt λ ( = N ( λ λ Il rapporto tra i due nuclidi è costante

10 12 ttività, q 12 equilibrio secolare λ << T ) >> T ( ) tt ( tt ( 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 %, / = equilibrio secolare C λ << λ λ N ( = N ( λ λ λ λ λ λ N ( = tt( tt ( tt ( = 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!) ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: ttività, q radio, 226 Ra, e radon, 222 Rn Ra 222Rn 5 2 Rapporto %, Rn/Ra Tempo, anni,,5,1,15 emivita del Ra (162 a) >> emivita Rn (3,82 g)

11 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) N λ ( = N λ λ casi di non equilibrio C λ λ λ [ ] t λ e e t Se l emivita l del progenitore è uguale o più breve di quella del discendente, non si creano mai le condizioni di equilibrio: l attività del figlio cresce fino ad un massimo e poi decade con un proprio tempo di dimezzamento ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 11 λ λ 12 ttività, q 1 casi di non equilibrio 25 2 T1/2 di = T di attività, 1 attività, 4 Rapporto %, / 5 2 Tempo, anni, 5, 1, 15, 2, 25,

12 λ > λ 12 ttività, q 1 casi di non equilibrio 1,E+28 1,E T1/2 di = T di 6 attività, 1,E+28 8,E+27 6,E+27 4 attività, Rapporto %, / 4,E ,E+27 Tempo, anni,e 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 - Elementi di radioprotezione: 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 Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993

13 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 - Elementi di radioprotezione: 13 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

14 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 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 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% ESCLUSIVO USO DIDTTICO INTERNO - Elementi di radioprotezione: 14 radioattività (cenni) ELEMENTI DI RDIOPROTEZIONE - elio giroletti dispense su internet webgiro elio giroletti. Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica girolett@unipv.it