Corso di formazione sulla radioprotezione

Corso di formazione sulla radioprotezione Il decadimento radioattivo Radioisotopi naturali e artificiali Radioisotopi impiegati in campo biomedico Danni prodotti dalle radiazioni ionizzanti Corso di Radioprotezione 20/12/2010 1

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 2 Le varie fonti di rischio da esposizione alle radiazioni 26% 1% 73% Fondo Naturale Il maggior contributo alla dose da radiazioni è dovuto alla radioattività naturale 26% Esposizioni Mediche <1% Impieghi Industriali C è un forte impegno per ridurre le radiazioni in campo medico 73% Perciò il contributo in termini percentuali del fondo naturale è in aumento 10% 16% 55% 55% Radon 19% Altri radioisotopi nell'ambiente 10% Radioisotopi nel corpo umano Il Radon contribuisce per oltre il 50% del fondo naturale 19% 16% Radiazione cosmica

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 3 Dose da radiazione, alcuni esempi. Valori indicativi espressi in msv (millisievert) Radiografia Un anno in una casa di mattoni Un anno in una casa di granito Volo intercontinentale Limite di legge annuo per il pubblico Limite di legge annuo lavoratori esposti 0.5 5 msv 1 msv 2 msv 0.1 msv 1 msv 20 msv

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 4 Il decadimento radioattivo La materia, in alcune sue forme, non ha vita infinita Dopo un tempo più o meno lungo si trasforma ovvero decade Il decadimento è in genere accompagnato dalla emissione di radiazioni, da cui il nome di decadimento radioattivo

Il tempo di dimezzamento di alcune particelle e atomi n (neutrone) p (protone) e (elettrone) µ (muone) U 238 U 235 T = 15 minuti T > 10 32 anni T = infinito T = 2.19 10-6 s T = 4.5 10 9 anni T = 7.1 10 8 anni Corso di Radioprotezione 20/12/2010 5

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 6 Lo scopritore della radioattività Henri Becquerel scoprì per caso la radioattività naturale studiando la fluorescenza dell Uranio Usò come rivelatore una lastra fotografica che rimase impressionata senza essere esposta alla luce Le radiazioni emesse dall Uranio attraversavano l involucro opaco della lastra Era l anno 1896, l anno precedente Roentgen aveva scoperto i raggi X, l anno successivo Thomson avrebbe scoperto l elettrone

I Curie : due formidabili ricercatori Pierre Curie era un professore affermato, aveva studiato la piezoelettricità il magnetismo. Maria Sklodowska, sua moglie, si stava laureando in Fisica nel 1897. Aveva già avuto una figlia: Irene. Come argomento di tesi scelse lo studio del fenomeno della radioattività, appena scoperto da Becquerel. Maria aveva già mostrato una grande volontà e tenacia nello studio. Di origine polacca, si era trasferita a Parigi per studiare. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 7

Le radiazioni ionizzanti : α βγ Becquerel aveva scoperto che le radiazioni emesse dall Uranio avevano caratteristiche simili ai raggi X Queste radiazioni erano in grado di attraversare corpi opachi e ionizzavano l aria Le radiazioni α venivano frenate in pochi cm di aria Le radiazioni γ erano molto penetranti Inoltre le radiazioni α e β venivano deviate da un campo magnetico, le radiazioni γ procedevano indeviate : un rompicapo! Corso di Radioprotezione 20/12/2010 8

Un altro mostro sacro : Rutherford Intanto in Inghilterra un altro scienziato studiava la radioattività : Rutherford. Era arrivato dalla Nuova Zelanda a Cambridge nel 1895. Il suo professore J.J. Thomson stava studiando i raggi catodici. Quando arrivarono le notizie delle scoperte dei raggi X e della radioattività, Rutherford si gettò a capofitto nello studio. Rutherford e Curie avevano metodi di lavoro differenti Corso di Radioprotezione 20/12/2010 9

Il metodo dei Curie : la separazione chimica Nella tavola periodica troviamo 103 elementi conosciuti. All epoca di Curie ne mancavano molti all appello. Attraverso separazioni chimiche i Curie isolarono un nuovo elemento, che chiamarono Polonio (Po) in onore della patria di Marie. In seguito scoprirono il Francio (Fr) e il Radio (Ra) Da alcune tonnellate di Uranio estrassero meno di un grammo di Radio, attraverso processi di separazione chimica. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 10

Il metodo di Rutherford : misure precise con strumenti raffinati Mentre i Coniugi Curie trafficavano con tonnellate di Uranio, Rutherford con pochi grammi di materiale fece misure di grande precisione. Scoprì una nuova emissione radioattiva in forma gassosa, chiamata Emanazione (oggi chiamata Radon Rn) Inoltre utilizzò le particelle α come proiettili lanciati contro un foglio d oro molto sottile. Questo famoso esperimento condusse al modello dell atomo Corso di Radioprotezione 20/12/2010 11

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 12 La radioattività naturale è nata insieme alla formazione della Terra Tutta la materia presente nella Terra è stata sintetizzata all interno di una Stella Il componente di partenza è l Idrogeno Dalla fusione di più atomi di Idrogeno si ottiene Elio, Litio, Berillio, Boro e molto Ferro (σιδηροσ -> sidereus) Verso la fine della vita della stella vengono prodotti gli elementi più pesanti come Piombo, Torio e Uranio La vita di una stella si conclude con la esplosione di una Supernova Il materiale disperso dalla esplosione può dare origine ad un sistema Stella+Pianeti E ciò che avvenne circa 7 miliardi di anni fa nel nostro sistema solare

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 13 La tavola periodica degli Elementi Sono stati individuati finora 115 diversi elementi Ogni Elemento ha un comportamento chimico diverso Questa diversità dipende dal numero di elettroni dell atomo Il numero di elettroni è uguale al numero di protoni del nucleo : Z, detto numero atomico

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 14 Le forze presenti nel nucleo Ogni protone ha una carica di 1.6 10-19 C La distanza tra due protoni è circa 10-15 m Tra i protoni presenti nel nucleo si esercitano forze di repulsione elettrostatiche molto intense. La forza di repulsione Coulombiana vale : 2 38 1 Q 9 2.56 10 F = = 9 10 N = 230N 2 30 4πε r 10 Questa forza di repulsione impedirebbe la aggregazione di più di un protone nel nucleo. Tra i protoni e tra i neutroni si esercita una ulteriore forza attrattiva detta Forza Forte La Forza Forte consente di legare insieme protoni e neutroni in un nucleo

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 15 Condizioni di equilibrio di forze nel nucleo La Forza Forte prevale sulla repulsione elettrostatica, però ha un raggio di azione molto breve 10-15 m La forza elettrostatica ha invece un raggio di azione infinito. Per creare un nucleo con più protoni occorre aggiungere del collante : i neutroni non risentono della forza elettrostatica e costituiscono un legame tra loro e i protoni All aumentare del numero di protoni aumenta la percentuale di neutroni presenti nel nucleo Protoni Neutroni I nuclei stabili (pallini neri) sono situati sulla curva di stabilità I nuclei instabili (pallini colorati) hanno un eccesso o un difetto di neutroni I nuclei instabili tenderanno a portarsi sulla curva di stabilità modificando il numero di protoni e neutroni

I radioisotopi tendono a raggiungere la (curva di) stabilità Protoni Neutroni Troppi protoni un protone si trasforma in neutrone (β+) Troppi neutroni un neutrone si trasforma in protone (β-) Troppi neutroni e troppi protoni Vengono emessi 2 neutroni e 2 protoni (α) Il tipo di decadimento dipende dalla posizione del radioisotopo rispetto alla curva di stabilità Le frecce indicano graficamente lo spostamento subìto dal nucleo Corso di Radioprotezione 20/12/2010 16

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 17 Notazione chimica A - Numero di massa: indica la somma del numero di protoni e neutroni Z Numero atomico: indica il numero di protoni Numero protoni + neutroni Numero protoni A Z X Simbolo chimico

Il carbonio Gli isotopi Numero protoni + neutroni Numero protoni 12 C 6 Il carbonio nel suo nucleo ha 6 protoni e 12-6 = 6 neutroni Esistono altri atomi di carbonio che hanno un diverso numero di neutroni (isotopi) Il comportamento degli isotopi nelle reazioni chimiche è identico. La anidride carbonica può essere formata dal C 12 o dal C 13 o dal C 14. La presenza del C 14 ha consentito di mettere a punto una raffinata tecnica di datazione dei reperti archeologici 11 C 13 C 14 C 6 6 6 Nota : Il C 11 è usato per la PET L antimateria per scopi medici Corso di Radioprotezione 20/12/2010 18

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 19 Un famoso radioisotopo : C14 Gli isotopi sono identificati dal simbolo dell elemento chimico corrispondente a Z e dal numero di massa A: C 12 : Z=6 A=12 (6 neutroni) ; abbondanza : 99% C 13 : Z=6 A=13 (7 neutroni) ; abbondanza : 1% C 14 : Z=6 A=14 (8 neutroni) ; 1/1000.000.000.000 C 12 e C 13 sono stabili C 14 è un radioisotopo e decade con un tempo di dimezzamento T = 5770 anni Il C 14 viene prodotto nella atmosfera dalla interazione dei raggi cosmici con l azoto (N 14)

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 20 La radioattività È l insieme dei fenomeni per cui un nucleo si trasforma in un altro con un diverso numero di protoni e neutroni. Durante questa trasformazione (chiamata decadimento radioattivo) vengono prodotte radiazioni di varia natura ed energia Il termine decadimento indica che la natura, in alcune sue forme, non ha vita infinita (forse nessuna forma ha vita infinita ) Il termine radioattivo indica che vengono emesse radiazioni. γ β α γ

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 21 Decadimento alfa (α) Il nucleo decade emettendo un nucleo di elio (2 protoni + 2 neutroni) chiamato particella α α 226 222 4 88 Ra 86 Rn 2 He Tutto l Elio presente sulla Terra è dovuto alle particelle alfa emesse dai radioisotopi naturali il numero atomico Z diminuisce di 2 da 88 a 86 il numero di massa A diminuisce di 4 da 226 a 222

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 22 Decadimento beta (β) Il nucleo decade trasformando un neutrone in protone e emettendo un elettrone; gli elettroni così emessi sono chiamati raggi β. Raggi β ed elettroni sono identici, la diversa nomenclatura ne indica l origine : i raggi β provengono dal nucleo. + neutrone protone elettrone ( β) 137 137 55Cs 56 Ba Particella β Nota : il numero atomico Z aumenta di 1 da 55 a 56 il numero di massa A non cambia A = 137

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 23 Emissione gamma (γ) A seguito di un decadimento alfa o beta il nucleo risultante può rimanere per un certo tempo, con un eccesso di energia (stato eccitato). Quando il nucleo torna allo stato fondamentale questa energia viene emessa sotto forma di un fotone (raggio gamma). 137 Cs 55 Stato eccitato γ Stato fondamentale 137 56 Ba 137 56 Ba γ

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 24 Potere di penetrazione delle radiazioni Particelle beta (β) Particelle alfa (α) Cemento Raggi gamma Alluminio carta Sorgente radioattiva I I raggi alfa sono i meno penetranti, vengono fermati da pochi centimetri d aria o da un foglio di carta I I raggi beta sono più penetranti degli alfa, vengono fermati da un foglio di alluminio I raggi gamma I raggi gamma sono i più penetranti e possono attraversare notevoli spessori di materiale di elevata densità.

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 25 Radiazioni ionizzanti Le sorgenti radioattive emettono in genere radiazioni di elevata energia che possono produrre la scissione delle molecole e la ionizzazione degli atomi. Per questo motivo sono dette radiazioni ionizzanti Radiazioni emesse durante i decadimenti radioattivi: Particelle α e β Radiazioni γ Radiazioni emesse da altre sorgenti: Raggi X Raggi ultravioletti Radiazione Tutte queste radiazioni sono ionizzanti e come tali possono produrre danni agli organismi viventi.

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 26 Radiazioni elettromagnetiche : quelle pericolose e quelle innocue per la salute dell uomo Radiazioni ultraviolette, raggi X e gamma sono dannose Luce, radiazione infrarossa, microonde, onde radio sono innocue L Elettrosmog è un termine inventato dai giornalisti Le microonde di frequenza 2.5 GHz producono oscillazioni della molecola d acqua e scaldano i corpi contenenti acqua

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 27 La costante di decadimento λ Il decadimento radioattivo è un fenomeno probabilistico λ = probabilità che una particella, o un nucleo, decada nell unità di tempo (un secondo) Non potremo mai sapere con certezza in che istante un particolare nucleo dovrà decadere Ma se abbiamo un numero molto grande N di nuclei, potremo dire che ogni secondo decadono λ. N nuclei

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 28 Quanti decadimenti al secondo Supponiamo che la probabilità che ogni singolo nucleo abbia una probabilità su 1000 di decadere in 1 secondo (λ=1/1000 s -1 ) Supponiamo di avere una sorgente con 100000 nuclei (N=100000) Quanti nuclei decadono in 1 s? N = 1/1000 x 100000 = 100 Quanti in 1/10 di s? N = 1/1000 x 100000 x 1/10 = 10 Quanti in un tempo t? N = 1/1000 x 100000 x t = λ N t Quanti in un tempo t? N / t = λ N (o anche dn / dt = λ N )

La legge del decadimento radioattivo N(t) : numero di nuclei non ancora decaduti al tempo t λ. N(t) : numero di nuclei che decadono in 1 s dn = λ. N(t) dt : numero di nuclei che decadono nel tempo dt dn(t)/dt = λ. N(t) : derivata di N(t) il segno negativo è dovuto al fatto che N(t) è in diminuzione Corso di Radioprotezione 20/12/2010 29

Una equazione differenziale dn(t)/dt = λ. N(t)... la soluzione è N(t) = N 0 e -λt Dove N 0 è il numero di nuclei all istante t=0 12000 10000 8000 N(t) 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 tempo Corso di Radioprotezione 20/12/2010 30

Tempo di vita media N(t) = N 0 e -λt.dopo un tempo τ = 1/λ. N(τ) = N 0 e -1 = N 0. 0.37 τ è la vita media nei nuclei Significato di vita media con un esempio: 90 palline nell urna, ne estraggo una al secondo, probabilità di estrarre la pallina numero 10 (o una qualsiasi) λ = 1/90. Quante estrazioni (cioè quanti secondi) dovrò aspettare mediamente per avere la pallina numero 10? 90 secondi! Tempo medio τ = 1/λ Corso di Radioprotezione 20/12/2010 31

Tempo di dimezzamento È più semplice fare i calcoli con il tempo di dimezzamento T T: tempo dopo il quale sono rimasti nella sorgente un numero di nuclei pari alla metà del numero di nuclei iniziali N(T) = N 0 / 2 = N 0 e -λt semplificando N 0 : 1 / 2 = e-λt si ricava T = τ log(2) Una equazione più semplice N(t) = N 0 2 -t/t Corso di Radioprotezione 20/12/2010 32

Calcoli con il tempo di dimezzamento Partendo dalla equazione Dopo un tempo t = T : N(t) = N 0 2 -t/t N(T) = N 0 2 -T/T = N 0 2-1 = ½ N 0 Dopo un tempo t = 2T : N(2T) = N 0 2-2T/T = N 0 2-2 = 1/4 N 0 Dopo un tempo t = nt : N(nT) = N 0 2 -nt/t = N 0 2 -n = 1/2 n N 0 Corso di Radioprotezione 20/12/2010 33

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 34 E facile fare i conti con le potenze di 2 2 10 = 1024 circa 1000 (kilo) 2 20 = 1024 2 circa 1000 000 (Mega) 2 30 = 1024 3 circa 1000 000 000 (Giga) Dopo un tempo t = 10T : N(10T) = N 0 /1000 (circa) Dopo un tempo t = 20T : N(20T) = N 0 /1000 000 Dopo un tempo t = 30T : N(30T) = N 0 /1000 000 000 Dopo 30 tempi di dimezzamento la sorgente radioattiva si è ridotta a un miliardesimo del valore iniziale il caso del Cs-137 nelle scorie nucleari

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 35 La misura della radioattività Una sorgente radioattiva contiene un numero più o meno grande di isotopi radioattivi. È più utile conoscere il numero di nuclei che decadono nell unità di tempo, piuttosto che il numero totale di nuclei radioattivi presenti nella sorgente. Perché? A seguito del decadimento si avrà emissione di radiazioni. La emissione di radiazioni è tanto più intensa quanto maggiore è la rapidità con cui i nuclei decadono. La Attività di una sorgente è definita come : numero medio di nuclei che decadono nell unità di tempo. La Attività dà una idea della pericolosità della sorgente radioattiva.

Formula della Attività e unità di misura Analizzando il decadimento radioattivo come fenomeno probabilistico abbiamo trovato che : λ. N(t) : numero di nuclei che decadono in 1 s Dalla definizione di Attività si ricava la relazione A(t) = λ. N(t) Quindi la Attività di una sorgente radioattiva decresce nel tempo con la stessa legge del decadimento radioattivo A(t) = λ. N(t) = λ. N 0 e -λt = A 0 e -λt A(t) = dn(t)/dt = λ. N 0 e -λt Le dimensioni della Attività sono : t -1 (numero di nuclei / tempo) L unità di misura dovrebbe essere : Hz (Hertz) o s -1 In realtà si usa il Bq (Bequerel), per precisare il tipo di fenomeno che si sta prendendo in considerazione Corso di Radioprotezione 20/12/2010 36

La vecchia unità di misura della Attività Fino a qualche anno fa l unità di misura della Attività era il Curie (Ci) 1 Ci è la Attività di una sorgente di 1 g di Ra226 1 Ci corrisponde a 3.7 10 10 Bq = 37 GBq Una sorgente di 1 Ci è decisamente pericolosa 1mCi : sorgente da laboratorio, da tenere in cassaforte 1µCi : sorgente per la taratura di strumentazione 1nCi : sorgente innocua (37 Bq) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 37

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 38 Qualche riferimento Radioattività nei materiali della crosta terrestre (valori medi) K40 : 1000 Bq/kg (25 nci/kg) U238 : 70 Bq/kg (circa 2 nci/kg) Th232 : 70 Bq/kg (circa 2 nci/kg) Non rilevanza radiologica P32 : 100 kbq H3 : 5 MBq Rifiuti radioattivi 1Bq/g

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 39 Radioisotopi naturali Si trovano sulla Terra (e su tutti i Pianeti del sistema solare) molti radioisotopi naturali Tutti i radioisotopi naturali attualmente presenti sulla Terra hanno tempi di dimezzamento paragonabili alla vita del sistema solare : circa 5 10 9 anni I radioisotopi naturali con tempi di dimezzamento molto più brevi sono completamente decaduti Alcuni radioisotopi naturali Radioisotopo K 40 Rb 87 Th 232 U 235 U 238 Tempo di dimezzamento 1.3 10 9 anni 5.0 10 10 anni 1.4 10 10 anni 7.1 10 8 anni 4.5 10 9 anni

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 40 Le famiglie radioattive Un nucleo radioattivo può decadere dando origine ad un nucleo stabile oppure ad un nucleo a sua volta instabile, il quale a sua volta decade in un altro nucleo instabile.. È quanto accade nel caso del U 238, del U 235 e del Th 232, i tre radioisotopi naturali più comuni. La sequenza dei radioisotopi prodotti a partire dal capostipite prende il nome di famiglia radioattiva. L ultimo discendente di una famiglia radioattiva è un isotopo stabile. Per i tre radioisotopi indicati i discendenti stabili sono rispettivamente Pb206 Pb207 e Pb208

La famiglia radioattiva dell Uranio 238 Corso di Radioprotezione 20/12/2010 41

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 42 Le condizioni di equilibrio nella famiglia radioattiva U238 dn dt N 1 1 = λ N 1 1 dn dt 2 = λ2n2 Th234 N 2 Pa234 N 3 dn dt 3 = λ3n3 Possiamo immaginare la famiglia radioattiva come una serie di serbatoi ciascuno dei quali si svuota riempiendo il successivo La velocità di svuotamento (-dn/dt) dipende dal livello nel serbatoio (N) e dalle dimensioni della valvola di scarico (λ) Quando si raggiungono le condizioni di equilibrio le velocità di svuotamento di tutti i serbatoi sono uguali La velocità di decadimento di un radioisotopo (analoga alla velocità di svuotamento del serbatoio) è chiamata Attività e dipende dalla costante di decadimento λ In condizioni di equilibrio le Attività di tutti i radioisotopi della famiglia sono uguali

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 43 Tutti i figli dell U238 : Q tot = 51.63 MeV Isotopo Dec T Q(MeV) Po218 α 3.05 min 6.11 U 238 α 4.7 10 7 a 4.27 Pb214 β 26.8 min 1.03 Th234 β 24.1 g 0.20 Bi 214 β 19.9 min 3.27 Pa234 β 6.7 h 2.21 Po214 α 165 µs 7.83 U 234 α 2.5 10 3 a 4.84 Pb210 β 22.3 a 0.06 Th230 α 7.5 10 4 a 4.77 Bi 210 β 5.01 g 1.16 Ra226 α 1.6 10 3 a 4.87 Po210 α 138.4 g 5.41 Rn222 α 3.83 g 5.59 Pb206 stabile

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 44 Effetti prodotti dalla energia emessa dall U 238 e discendenti : Q tot x Numero atomi La abbondanza frazionaria dell U238 è di 3 ppm Un kg di roccia contiene circa 3 mg di U 238 3 mg di U 238 corrispondono a 3 10-3 /238 N AV atomi di U 238 Complessivamente 7.59 10 18 atomi di U 238 Energia complessivamente irradiata : 7.59 10 18 x 51.63 10 6 MeV = 3.92 10 26 ev x 1.6 10-19 J/eV = 3.26 10 7 J = 17.42 kwh! Ovviamente questa energia viene liberata su tempi molto lunghi miliardi di anni Ma se non c è modo di smaltire questa energia, la roccia si scalda sino a fondere L interno della Terra è caldo a causa della radioattività naturale, le eruzioni vulcaniche sono un effetto della radioattività!

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 45 Effetti prodotti dai radioisotopi naturali Le radiazioni emesse dai radioisotopi naturali producono effetti molto evidenti Il riscaldamento del magma terrestre e di conseguenza terremoti ed eruzioni vulcaniche sono dovuti alla energia rilasciata dal decadimento radioattivo dei radioisotopi naturali. Il Radon, un gas radioattivo naturale, è attualmente la fonte principale di dose da radiazioni ionizzanti per la popolazione.. Non tutto ciò che è naturale produce effetti positivi sulla salute

C è anche altro Elementi radioattivi naturali più abbondanti U238, Th232 e K 40. Quanto Uranio c è in casa nostra? Circa tre parti per milione della massa totale. Tra 100 g e 1 kilogrammo, contenuto nei materiali da costruzione, soprattutto nel cemento. Radon nelle acque Le acque di sorgente sono ricche di Radon che si scioglie facilmente in acqua. Dopo circa 2 settimane il Radon è quasi completamente decaduto. Le acque dei bacini non contengono Radon. Radiazioni cosmiche Radiazioni di altissima energia e fortemente penetranti, vengono prodotte dalle stelle e in particolare dal Sole. Il nostro corpo Tutti gli essere viventi sono leggermente radioattivi, soprattutto a causa del K 40 che viene metabolizzato. Inoltre è presente C14 in quantità minime. Più altri radioisotopi naturali in funzione della situazione ambientale. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 46

La radioattività e la salute Un tempo si pensava che la Radioattività potesse avere effetti benefici per la salute All ingresso delle Terme era scritto in bella evidenza TERME RADIOATTIVE Nelle etichette delle acque minerali era indicata la radioattività alla sorgente (il valore massimo) Se ora ci fosse tale indicazione, nessuno comprerebbe l acqua minerale. Come nessuno comprerebbe più le sigarette se nella confezione ci fosse la indicazione che il fumo è dannoso! Corso di Radioprotezione 20/12/2010 47

Rivelare e misurare la radioattività 1. Strumentazione professionale 2. Strumenti didattici per la analisi della radioattività naturale Corso di Radioprotezione 20/12/2010 48

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 49 Il segnale emesso dal radioisotopo che decade U238 Th234 Pa234 U234 Th230 α 4.2 MeV γ 15 kev γ 63 kev γ 92 kev γ 1001 kev α 4.8 MeV α 4.7 MeV Ra226 Rn222 Po218 Pb214 Bi214 α 4.6 MeV α 4.8 MeV γ 186 kev α 5.5 MeV α 6.0 MeV γ 77 kev γ 295 kev γ 352 kev γ 609 kev γ 1120 kev Ogni radioisotopo che decade emette radiazioni α e/o γ caratteristiche La energia delle particelle a o dei fotoni γ è tipica del radiosotopo e quindi ne consente il riconoscimento Le particelle β hanno energia variabile e sono meno utili nella analisi Gli strumenti più utilizzati sono gli spettrometri α e γ; la risoluzione è elevata

Lo spettrometro γ al Germanio HP Il rivelatore è costituito da un cristallo di Ge di alta purezza che produce un segnale elettrico quando cattura un fotone γ Il segnale ha una altezza proporzionale alla energia del fotone Raccogliendo i segnali e classificandoli in funzione della altezza (o energia) si ha lo spettro γ Il rivelatore deve essere mantenuto a bassa temperatura; un dewar riempito di Azoto liquido mantiene la temperatura del rivelatore a -200 C L elettronica accessoria fornisce alta tensione (3000 V) e amplifica i deboli segnali. Un elaboratore con scheda di acquisizione crea e visualizza lo spettro Una grossa schermatura evita la rivelazione di segnali provenienti dall esterno Corso di Radioprotezione 20/12/2010 50

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 51 1) 3) Uno spettrometro a scintillatore costa molto meno e lo possiamo costruire. 2) 4) I componenti principali di uno spettrometro a scintillatore sono : 1. Cristallo di NaI 2. Fotomoltiplicatore 3. Alimentatore ad alta tensione 4. Elettronica di acquisizione con multicanale 5. più un computer e il software di analisi

Spettro gamma del Granito rosa 338 kev Ac228 (Th) 186 kev : Ra226 (U) 911 kev : Ac228 (Th) 968 kev : Ac228 (Th) 1120 kev : Bi214 (U) 77 kev : Pb214 (U) 295 kev : Pb214 (U) 338 kev : Ra228 (Th) 583 kev : Tl208 (Th) 609 kev : Bi214 (U) 1460 kev : K40 352 kev : Pb214 (U) Conteggi 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Uno spettro γ in condizioni di equilibrio : campione di granito Nello spettro sono presenti le righe tipiche dei discendenti dell U238 nelle proporzioni corrispondenti alle condizioni di equilibrio Si notano anche le righe dei discendenti del Th232 e la presenza del K40 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 180 Energia (kev) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 52

Altre sorprese con uno spettrometro gamma Spettro gamma - Terra per datazione TLD 1462 kev : K40 77 kev : Pb214 93 kev : Th234 186 kev : Ra226 295 kev : Pb214 338 kev Ac228 (Th) 352 kev : Pb214 511 kev : Tl208 (Th) 583 kev : Tl208 (Th) 609 kev : Bi214 662 kev : Cs137 911 kev :Ac228 (Th) 968 kev : Ac228 (Th) 1120 kev : Bi214 242 kev : Bi214 Conteggi 25000 20000 15000 10000 5000 0 Nello spettro è presente la riga caratteristica di un radioisotopo artificiale molto noto : 662 kev del Cs 137, tempo di dimezzamento 30 anni Da dove arriva? E la traccia del disastro nucleare di Chernobyl 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 180 Energia (kev) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 53

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 54 Torio 232 in alcuni campioni di granito 140 misure di Th 232 dei graniti 120 100 Bq/kg 80 60 40 20 0 Brasile India Spagna Sardegna Gallura 1 Gallura 2 Logudoro

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 55 Uranio 238 in alcuni campioni di granito 60 misure di U 238 dei graniti 50 40 Bq/kg 30 20 10 0 Brasile India Spagna Sardegna Gallura 1 Gallura 2 Logudoro

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 56 Torio 232 nel cemento Th 232 Ceneri volanti Argilla Scisto 27% Calcare Gesso Gesso 1% Scisto Calcare 1% Ceneri volanti 58% Argilla 13%

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 57 Uranio 238 nel cemento Scisto 16% U 238 Ceneri volanti Gesso 2% Calcare 8% Argilla 7% Argilla Calcare Gesso Scisto Ceneri volanti 67%

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 58 Lo spettrometro γ al Germanio HP Il segnale ha una altezza proporzionale alla energia del fotone Raccogliendo i segnali e classificandoli in funzione della altezza (o energia) si ha lo spettro γ Il rivelatore è costituito da un cristallo di Ge di alta purezza che produce un segnale elettrico quando cattura un fotone γ Il rivelatore deve essere mantenuto a bassa temperatura; un dewar riempito di Azoto liquido mantiene la temperatura del rivelatore a -200 C L elettronica accessoria fornisce alta tensione (3000 V) e amplifica i deboli segnali. Un elaboratore con scheda di acquisizione crea e visualizza lo spettro Una grossa schermatura evita la rivelazione di segnali provenienti dall esterno

Uno spettro γ in condizioni di equilibrio : granito Spettro gamma - Roccia campione 1 1462 kev : K40 93 kev : Th234 338 kev Ac228 (Th) 511 kev : Tl208 (Th) 77 kev : Pb214 186 kev : Ra226 911 kev :Ac228 (Th) 968 kev : Ac228 (Th) 1120 kev : Bi214 583 kev : Tl208 (Th) 295 kev : Pb214 609 kev : Bi214 352 kev : Pb214 242 kev : Bi214 Conteggi 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Nello spettro sono presenti le righe tipiche dei discendenti dell U238 nelle proporzioni corrispondenti alle condizioni di equilibrio Si notano anche le righe dei discendenti del Th232 e la presenza del K40 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 180 Energia (kev) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 59

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 60 Tutti i figli dell U238 : Q tot = 51.63 MeV Isotopo Dec T Q(MeV) Po218 α 3.05 min 6.11 U 238 α 4.7 10 7 a 4.27 Pb214 β 26.8 min 1.03 Th234 β 24.1 g 0.20 Bi 214 β 19.9 min 3.27 Pa234 β 6.7 h 2.21 Po214 α 165 µs 7.83 U 234 α 2.5 10 3 a 4.84 Pb210 β 22.3 a 0.06 Th230 α 7.5 10 4 a 4.77 Bi 210 β 5.01 g 1.16 Ra226 α 1.6 10 3 a 4.87 Po210 α 138.4 g 5.41 Rn222 α 3.83 g 5.59 Pb206 stabile

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 61 Effetti prodotti dalla energia emessa dall U 238 e discendenti : Q tot x Numero atomi La abbondanza frazionaria dell U238 è di 3 ppm Un kg di roccia contiene circa 3 mg di U 238 3 mg di U 238 corrispondono a 3 10-3 /238 N AV atomi di U 238 Complessivamente 7.59 10 18 atomi di U 238 Energia complessivamente irradiata : 7.59 10 18 x 51.63 10 6 MeV = 3.92 10 26 ev x 1.6 10-19 J/eV = 3.26 10 7 J = 17.42 kwh = 14980 kcal! Ovviamente questa energia viene liberata su tempi molto lunghi miliardi di anni Ma se non c è modo di smaltire questa energia, la roccia si scalda sino a fondere L interno della Terra è caldo a causa della radioattività naturale, le eruzioni vulcaniche sono un effetto della radioattività!

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 62 Effetti prodotti dai radioisotopi naturali Le radiazioni emesse dai radioisotopi naturali producono effetti molto evidenti Il riscaldamento del magma terrestre e di conseguenza terremoti ed eruzioni vulcaniche sono dovuti alla energia rilasciata dal decadimento radioattivo dei radioisotopi naturali. Il Radon, un gas radioattivo naturale, è attualmente la fonte principale di dose da radiazioni ionizzanti per la popolazione.. Non tutto ciò che è naturale produce effetti positivi sulla salute

Il Radon Il Radon è un gas radioattivo prodotto dal decadimento del Radio (il quale a sua volt è prodotto dall Uranio 238) Il Radon è un gas inerte, non forma composti, la molecola è mono-atomica e quindi molto piccola. Penetra attraverso il suolo all interno delle abitazioni. Il Radon respirato può decadere all interno dei polmoni emettendo particelle α, dannose per l organismo. Attualmente il Radon naturale rappresenta la maggior fonte di rischio di tipo radioattivo. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 63

Il Radon nell acqua di sorgente 1. Il gas Radon è facilmente solubile in acqua 2. Il Radon emesso dalle rocce si concentra nelle acque delle falde 3. L acqua di alcune sorgenti contiene una elevata concentrazione di Radon 4. Poiché il Radon decade in pochi giorni, dopo circa due settimane la radioattività è scomparsa 5. L acqua dei bacini di raccolta non contiene Radon in quantità significative Corso di Radioprotezione 20/12/2010 64

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 65 Le varie fonti di rischio da esposizione alle radiazioni 26% 1% 73% Fondo Naturale Il maggior contributo alla dose da radiazioni è dovuto alla radioattività naturale 26% Esposizioni Mediche <1% Impieghi Industriali C è un forte impegno per ridurre le radiazioni in campo medico 73% Perciò il contributo in termini percentuali del fondo naturale è in aumento 10% 16% 55% 55% Radon 19% Altri radioisotopi nell'ambiente 10% Radioisotopi nel corpo umano Il Radon contribuisce per oltre il 50% del fondo naturale 19% 16% Radiazione cosmica

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Corso di Radioprotezione 20/12/2010 67 Radon : effetti sulla salute Il principale effetto sanitario è un aumento di rischio di tumore polmonare. il radon rappresenta, dopo il fumo, la seconda causa di morte per tumore polmonare. Esso contribuisce all'incirca al 10% dei tumori polmonari: USA UK SVEZIA ITALIA Popolazione 220.000.000 57.700.000 8.700.000 57.100.000 Casi/anno totali di tumori polmonari 157000 40000 3000 36000 Concentrazioni medie annuali Bq/m3 46 20 100 80 Stima di tumori polmonari attribuiti a Radon 15000 2000 900 4000

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 68 La normativa sul Radon Il decreto 241/2000, recepisce una direttiva della Comunità Europea (Direttiva 96/29/Euratom Capo VII) è entrato in vigore il 1 gennaio 2001, fissa i limiti di concentrazione media annuale di radon per i luoghi di lavoro (fra essi sono naturalmente compresi istituti scolastici ed asili nido). Livello di Azione = 500 Bq/m 3

Radon : legislazione attuale Direttiva 96/29/EURATOM in materia di protezione sanitaria della popolazione e dei lavoratori contro i rischi derivanti dalle radiazioni ionizzanti Il Decreto Legislativo 26 maggio 2000, n. 241 impone la misura di concentrazione di Radon in alcuni ambienti sotterranei (gallerie, cunicoli, sottovie, terme ) Entro 5 anni (il 31/12/2005) le Regioni devono individuare le zone in cui intervenire anche in superficie Quasi tutte le nazioni europee hanno già indicato i livelli di intervento per effettuare le bonifiche Corso di Radioprotezione 20/12/2010 69

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 70 Radon : i limiti in alcune nazioni Limiti Raccomandati Case esistenti Case future Limiti imposti Unione Europea WHO Italia Australia Austria Belgio Canada Finlandia Germania 400? 400 400 200 600 200 400 800 250 200? 200 200 1000

Concentrazione di Radon nelle abitazioni Italiane (Indagine ENEA-ISS 1990) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 71

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 72 Legislazione italiana per il controllo del Radon Distinzione per il tipo di normativa tra: Ambienti residenziali Direttiva CE 1990 Limiti consigliati: 400Bq/m 3 (edifici esistenti) 200Bq/m 3 (in costruzione) Ambienti di lavoro Decreto Legislativo 26.05.2000 n 241 Individuazione attività lavorative a rischio (entro il 31.12.2005) Esecuzione di adeguati controlli Imposizione limiti di concentrazione

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 73 Legislazione italiana per il controllo della radioattività naturale Attività lavorative soggette a controllo Impiego di materiali quali: Minerali fosfatici e depositi di fertilizzanti Minerali di stagno, ferro-niobio, alluminio (bauxite) Sabbie zirconifere Terre rare Torio per elettrodi di saldatura e reticelle per lampade a gas Pigmenti al biossido di titanio Raffinazione del petrolio : fanghi e incrostazioni nei serbatoi e tubazioni

Limiti di dose efficace 3 CASI: I limiti di dose efficace derivante da esposizione a sorgenti di radiazione elencate precedentemente sono fissati in: 1 msv/anno per i lavoratori 0,3 msv/anno per le persone del pubblico I limiti NON vengono superati: nessuna azione. I limiti sono superati per l 80%: le misure vengono effettuate nuovamente l anno successivo. I limiti sono superati: vengono poste in essere azioni di rimedio per ridurre l esposizione dei lavoratori. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 74

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 75 Legislazione italiana per il controllo dei materiali da costruzione DIRETTIVE EUROPEE Direttiva CEE 1989 I materiali da costruzione non devono emettere sostanze pericolose tra le quali è compreso il Radon. LEGISLAZIONE ITALIANA La Direttiva CEE 1989 è stata recepita dalla legislazione italiana con il D.P.R. 1993, ma non contenendo limiti numerici risulta di fatto inapplicabile.

Legislazione Italiana relativa al Corso di Radioprotezione 20/12/2010 76 Radon Distinzione per il tipo di normativa proposta tra: Ambienti residenziali Limiti consigliati: Ambienti di lavoro 400Bq/m 3 (edifici esistenti) 200Bq/m 3 (edifici in fase di costruzione) Decreto Legislativo 26.05.2000 n 241 Individuazione attività lavorative a rischio (entro il 31.12.2005) Esecuzione di adeguati controlli Imposizione limiti di concentrazione

Doveri di un datore di lavoro 400Bq/m3<LA<500Bq/m 3 Ripetizione annuale del controllo Entro 24 mesi da inizio attività (o 18 mesi da pubblicazione D.Lgs) l esercente deve effettuare le misure secondo le linee guida della commissione Radon (a tutt oggi non ancora insediata) Confronto con il livello di azione LA=500Bq/m 3 LA<400Bq/m 3 Ripetere le misure se cambiano le condizioni di lavoro e con frequenza LA>500Bq/m 3 Comunicazione agli organi competenti della relazione sulle misure (entro 1 mese) e valutazione delle dosi efficaci ai singoli lavoratori da parte di un E.Q. NO Dose individuale > 3mSv/anno? SI Valutazione dei rischi ed azioni di rimedio da effettuarsi entro 3 anni o urgentemente nel caso di dosi elevate (quanto elevate non è specificato) Verifica dell azione di rimedio NO Dose individuale > 3mSv/anno? SI esercente deve Incaricare un Esperto Qualificato per la sorveglianza fisica ed un Medico Autorizzato/Competente per la sorveglianza medica. Deve inoltre adottare ulteriori misure di rimedio. Corso di Radioprotezione 20/12/2010 77

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 78 Dose da radiazione, alcuni esempi. Valori indicativi espressi in msv (millisievert) Radiografia Un anno in una casa di mattoni Un anno in una casa di granito Volo intercontinentale 2 settimane nel cosmo Limite di legge annuo per il pubblico Limite di legge annuo lavoratori esposti Dose mortale al 50% entro un mese 0.5 5 msv 1 msv 2 msv 0.1 msv 200 msv 1 msv 20 msv 5000 msv Gli astronauti ricevono dosi molto alte ma sopravvivono anche dopo mesi di permanenza nel cosmo

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 79 Strumenti per la rivelazione del Radon Strumenti attivi o dosimetri passivi? 1. Lo strumento attivo ha un costo elevato ma fornisce una risposta rapida 2. Il dosimetro passivo ha un costo contenuto ma necessita di strumentazione di laboratorio per la lettura della informazione

I rivelatori a tracce Solidi inorganici (mica) ; Solidi organici (policarbonato, CR39) Durante il periodo di esposizione le particelle alfa emesse dal Radon perforano il rivelatore Con un attacco chimico si allargano i forellini sino a renderli visibili al microscopio Il CR39 ( Poli Allil Diglicol Carbonato) Vantaggi dei dosimetri a CR39 Economici e di piccole dimensioni Bassa soglia di rivelazione Indipendenza della misura dalle condizioni ambientali Corso di Radioprotezione 20/12/2010 80

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 81 Rivelatori CR39 Rivelatori passivi a tracce nucleari Elemento sensibile = Materiale Plastico CR39 Misure a lungo periodo Fotografia dei rivelatori utilizzati Schema di funzionamento dei rivelatori utilizzati Rivelatore CR39 Il Radon filtra attraverso il tappo Camera di diffusione Concentrazione media Esempio di rivelatore con tante tracce (alta concentrazione)

Il kit CR39 del progetto LABORAD Corso di Radioprotezione 20/12/2010 82

Strumenti principali : microscopio + telecamera USB e friggitrice (ovvero bagno termostatico) Corso di Radioprotezione 20/12/2010 83

Il rivelatore è alloggiato sotto il tappo della camera di diffusione Corso di Radioprotezione 20/12/2010 84

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 85 Fasi principali per misurare la concentrazione del Radon con la tecnica dei rivelatori a tracce Esposizione del dosimetro per 6 mesi Analisi dei dosimetri attraverso un microscopio Sviluppo dei dosimetri con un attacco chimico

Corso di Radioprotezione 20/12/2010 86 Attacco chimico Accessori: Parametri: 1. Temperatura del bagno termostatico (70 C 90 C) 2. Durata del processo (8h 5h) 1. Strumento per il bagno termostatico 2. Griglia per dosimetri 3. Soda caustica (NaOH( NaOH) 4. Contenitore in vetro per la soluzione 5. Occhiali per la sicurezza

Tracce di particelle alfa viste al microscopio a diversi ingrandimenti Corso di Radioprotezione 20/12/2010 87

La radioattività nei graniti I campioni e i dosimetri sono a disposizione delle Scuole che ne fanno richiesta Nel progetto Laborad è previsto lo studio della radioattività nei graniti, a solo scopo didattico Vengono forniti alcuni campioni di granito provenient da varie zone e tagliati a misura La analisi è effettuata con rivelatori CR39 di dimensioni uguali ai campioni Dopo circa una settimana di esposizione si analizzano i rivelatori al microscopio Corso di Radioprotezione 20/12/2010 88

Ed ecco il risultato Una porzione del campione vista al microscopio Ingrandimento 40 x Sovrapponendo il rivelatore (che è trasparente) al campione di granito si osservano le tracce lasciate dalle particelle alfa Il granulo scuro risulta particolarmente radioattivo Corso di Radioprotezione 20/12/2010 89

Conclusioni La radioattività è dovunque Abbiamo convissuto da sempre con la radioattività naturale E utile conoscere il fenomeno per dare una corretta interpretazione, senza allarmarsi senza sottovalutare Misurare la radioattività è facile Grazie per la vostra attenzione Corso di Radioprotezione 20/12/2010 90