Sorgenti Naturali di Radiazioni

1. Sorgenti Naturali di Radiazioni Dott. Filippo Russo

2. Concetto di Radiazione In generale si parla di radiazioni tutte le volte che esiste una cessione di energia tra un corpo ed un altro senza che vi sia un contatto diretto o mediato.

3. Concetto di Radiazione Con l’espressione RADIAZIONI si descrivono fenomeni fisici quali, p.e. • La luce (radiazione luminosa) • Il calore(radiazione termica) percettibili dai sensi umani, • La radiazione elettromagnetica (la radiazione cosmica, le radiazioni ionizzanti, le radiazioni non ionizzanti) quasi sempre invisibile e non immediatamente percettibile

4. L'assorbimento di energia si manifesta in genere in un aumento locale di temperatura ovvero con la produzione di fenomeni fisici, chimici o biologici.

6. La Radioattività Si definisce Radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni

7. La Radioattività La radioattività non é stata inventata ma scoperta dall'uomo! Gli esseri viventi, dalla loro apparizione sulla Terra, sono immersi in un vero e proprio bagno di radioattività.

11. Henry BecquerelParigi 15.12.1852 - Croisic 25.8.1908

12. Nel 1896 Henri Becquerel, indagando sui fenomeni di luminescenza di alcuni materiali, correlò l’annerimento di una lastra fotografica lasciata vicino a minerali d’uranio agli esperimenti ed alle radiografie effettuate da

13. Wilhelm Conrad Roentgen 1845-1923

14. Becquerelnotò altresì che tali raggi scaricavano rapidamente i corpi elettricamente carichi p.e. le foglie d'oro di un elettroscopio. Due anni più tardi Marie Curie, proseguendo gli studi iniziati da Becquerel, scoprì che anche altre sostanze godevano della stessa proprietà dell'uranio p.e. il Th e suggerì di chiamare tali sostanze radio (radium = raggio) attive.

15. Separò il polonio e il radio la cui radioattività risultava rispettivamente 400 e 1.000.000 di volte superiore a quella dei sali di uranio puri e riuscì a stabilire la natura dei raggi emessi scoprendo che trattava di 3 tipi di radiazioni: la prima elettricamente carica negativamente, la seconda carica positivamente e la terza neutra. Associò a tali raggi le prime tre lettere dell'alfabeto greco a (alfa), b (beta), g (gamma).

16. Radiazioni Ionizzanti • Le radiazioni si dicono ionizzanti quando hanno energia sufficiente per produrre il fenomeno fisico della ionizzazione che consiste nel far diventare un atomo elettricamente carico (ione). • Un gas ionizzato è un conduttore

17. Nei tessuti biologici gli ioni generati dalle radiazioni ionizzanti possono avere influenza sui normali processi biologici. • Gli effetti biologici indotti dalle radiazioni possono averecaratteristiche molto diverse anche a parità di dose fisica; per valutare il danno biologico é quindi necessario conoscere anche il tipo e l’energia delle radiazioni che deposita la dose.

18. Dose dE D = dm 1J 1 Gy = = 100 rad 1 kg

19. L’attività dN A = dt A = - N Bequerel (Bq) = 1 dis/sec

20. In generale la legge del decadimento è dN - N = dt Dove N è il numero dei nuclei radioattivi al tempo t e  è la“costante di decadimento“ . La relazione ha come soluzione N = N (0) e - t

21. Henri Becquerel fu il primo uomo a contrarre una malattia da radiazioniMarie Curie fu il primo essere umano morto per una malattia (diagnosticata successivamente) da radiazioni

22. DECADIMENTO RADIOATTIVO Il decadimento radioattivo è un processo per cui un nucleo radioattivo di un elemento o radionuclide si trasforma nel nucleo di un elemento diverso o raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti.

23. DECADIMENTO RADIOATTIVO Si distinguono: d.r. alfa (a); d.r. beta (b) positivo o negativo; d.r. per cattura elettronica; d.r. gamma (g); d.r. per conversione interna. I d.r. a, b e g. danno origine a flussi di particelle noti, rispettivamente, come radiazioni (o raggi) a, b e g.

24. “Tempo di dimezzamento” Ln 2 T1/2 =  Tempo di vita medio . 1  = 

25. Numero di massa – Numero Atomico • Sappiamo che ogni atomo è caratterizzato dal numero atomico Z, che rappresenta il numero di protoni nel nucleo (uguale al numero degli elettroni dell'atomo neutro) e dal numero di massa A che rappresenta il numero di nucleoni (protoni e neutroni) del nucleo. E' sempre A ³ Z

26. ISOTOPI Molti elementi hanno massa atomica (da non confondere col numero di massa!) non sempre vicina all'unità (per esempio Cl 35.45; H 1.008; Ni 58.71...). Ciò è dovuto alla possibilità di esistenza di nuclei con eguale Z (perciò chimicamente eguali) e diverso A (perciò con diverso numero di neutroni nel nucleo). Questi nuclidi di uno stesso elemento si chiamano isotopi.

27. isotopi (dal greco iso-topos = eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome), con eguale Z ed A diverso (per esempio 11H, 21H; oppure 126C, 136C) , che per noi chimici sono i più importanti isobari: (dal greco iso-baros = con lo stesso peso), con Z diverso, (perciò chimicamente diversi) ed A uguale (4018Ar, 4019K, 4020Ca) isotoni: (con lo stesso numero di neutroni), cioè con A-Z uguale (per esempio 21H, 32He)

28. Nella figura sono riportati, in funzione di Z e di A, tutti i nuclidi stabili, cioè tutti quelli riscontrati in natura; mancano perciò quelli artificiali e quelli radioattivi; in particolare si può notare la mancanza di Z=43 (tecnezio Tc) e di Z=61 (promezio Pm), artificiali, benché a Z relativamente basso (ma dispari per ambedue). Il grafico si ferma a Z=83 (bismuto Bi), poiché tutti i nuclidi con Z>83 sono instabili e radioattivi, e molti di essi artificiali.

29. Gli atomi di uno stesso elemento, pur avendo lo stesso numero di protoni, possono avere diverso numero di neutroni, dando origine ai diversi "isotopi". Essi sono identificati dal numero totale di particelle presenti nel nucleo. Ad esempio, l'uranio (simbolo U) ha vari isotopi: U-238, U-235, U-233. L'uranio-238 ha 92 protoni e (238-92) = 146 neutroni; l'uranio-235 ha sempre 92 protoni, ma (235-92) = 143 neutroni; l'uranio-233 ha 92 protoni e 141 neutroni.

30. L'elemento più semplice esistente in natura l'idrogeno (H-1) ha due isotopi: il deuterio (H-2) e il tritio (H-3). Quest'ultimo è radioattivo ed emette particelle beta negative. In generale un isotopo il cui simbolo sia Y è caratterizzato dal numero atomico Z, pari al numero dei protoni e degli elettroni, dal numero di massa A, pari al numero totale di particelle presenti nel nucleo e dal numero N = A-Z pari al numero di neutroni. Se l'isotopo è radioattivo, si parla di radioisotopo o anche di radionuclide.

32. DECADIMENTO  Il decadimento  viene sinteticamente espresso tramite la formula: XAZYA-4Z-2 +  ( Z , A )  ( Z – 2 , A – 4 ) + 42He

33. Decadimento alfa Un nucleo di un elemento di numero atomico Z e di massa atomica (o peso atomico) A emette una particella alfa (a), corrispondente al nucleo dell'elio (due protoni p e due neutroni n), trasformandosi nel nucleo dell'elemento con numero atomico Z-2 e peso atomico A-4. decadimento a: un nucleo di radio si trasforma in rado emettendo un fotone e una particella alfa.

34. Il decadimento  è possibile per nuclei con A >150 in questo caso la costante di decadimento  dipende dall’energia cinetica e ciò viene correlato nelle legge di Geiger-Nuttal Log  = B Log R- c

35. Decadimento beta Nel d.r. beta negativo (b-), un neutrone emette un elettrone e-, trasformandosi in un protone e facendo diventare il nucleo originario di numero atomico Z un nucleo dell'elemento di numero atomico Z+1; nel d.r. beta positivo (b+) si ha invece l'emissione di un positrone e+ (elettrone positivo) da parte di un protone, che diviene neutrone e trasforma il nucleo in uno dell'elemento di numero atomico Z-1; in entrambi i d.r. beta la massa atomica non cambia poichè la massa dell'elettrone è molto minore di quella del protone e del neutrone; elettroni e positroni provenienti da un nucleo per d.r. b± sono detti particelle beta (b).

36. DECADIMENTO β

37. Decadimento beta • decadimento b negativo: un neutrone si traforma in protone emettendo un fotone, un elettrone e un neutrino (che contribuisce a conservare la quantità di moto).

38. Decadimento gamma • E' associato ai d.r. a e b e avviene quando il nucleo si porta su un livello di energia inferiore grazie all'emissione di un fotone g (di energia tra 10 keV e 10 MeV, maggiore dei raggi X); il numero atomico e la massa atomica non variano

39. DECADIMENTO  I raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche che vengono emesse in vari processi.

40. Decadimento per cattura elettronica • Avviene quando un nucleo cattura un elettrone di un livello energetico interno, facendo diminuire di 1 il numero atomico del nucleo stesso con l'emissione di un raggio X, a causa del riassestamento degli elettroni rimasti

41. Decadimento per conversione interna • Avviene quando un elettrone assorbe l'energia emessa dal nucleo e sfugge all'atomo; il numero atomico e la massa non cambiano.

43. Famiglie radioattive Il nucleo figlio generato dalla produzione di un decadimento radioattivo di tipo  o  da un genitore pesante può però non essere comunque stabile e decadere ulteriormente finché non raggiunge un isotopo stabile . in natura esistono degli isotopi che danno luogo a processi seriali accompagnati da emissioni  e  e spesso anche da emissioni . Gli elementi in questione hanno un numero atomico che va da 82 a 95, ed assieme ai loro figli sono catalogati nelle cosiddette serie o famiglie radioattive

44. Gli isotopi radioattivi naturali possono essere raggruppati in 3 famiglie, con un capostipite da cui prendono il nome; poiché le emissioni che portano a variazione di A (oltre che di Z) sono le a, ogni isotopo avrà A con differenza di 4 rispetto al predecessore: avremo così le seguenti famiglie, identificabili, oltre che col nome del capostipite, con una espressione algebrica che esprime il numero di massa di ogni membro della famiglia con n variabile (per semplicità saranno indicati solo i numeri di massa; Z è comunque identificato dal simbolo dell'elemento): (4n+2) del Torio 234: 234Th, 234Pa, 234U, 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 218At, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Ti, 210Pb, 210Bi, 210Po, 206Ti, 206Pb. (4n) del Torio 232: parte da 232Th e termina con 208Pb. (4n+3) dell'Uranio 235: parte da 235U e termina con 207Pb.

45. E' interessante notare che tutte queste tre famiglie terminano con un isotopo del Pb, elemento che è evidentemente molto stabile; ricordando le tabelle dell'abbondanza di nuclidi (figg. 11.3, 11.5, 11.6), Pb ha Z=82, pari. Manca però, in natura, una serie, quella (4n+1). Evidentemente non esiste più un capostipite di questa famiglia, perciò essa deve essersi esaurita. La serie però può essere considerata a partenza da un elemento artificiale

46. Famiglie Radioattive Naturali ed Artificiali · SERIE DELL’URANIO · SERIE DEL TORIO · SERIE DELL’ATTINIO · SERIE DEL NETTUNIO

47. Ognuna delle serie considerate presentano un elemento gassoso mentre tutti gli altri sono solidi e termina con un elemento stabile che è un isotopo del piombo, ad eccezione della serie del nettunio (artificiale) che non ha nuclidi gassosi e che termina con un isotopo del bismuto

48. SERIE DELL’URANIO Il capostipite di questa serie è l’ 238U che emette  trasformandosi in 234Th. L’elemento gassoso è il 222Rn ( Radon ). L’elemento stabile della serie è 206Pb.La serie è detta “4n+2” poiché il numero di massa dei suoi membri può essere ricavato da questa relazione.

50. Famiglia del Th 234 • (4n+2) del Torio 234: 234Th, 234Pa, 234U, 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 218At, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Ti, 210Pb, 210Bi, 210Po, 206Ti, 206Pb.