Sorgenti Naturali di Sorgenti Naturali di RadiazioniRadiazioni

Dott. Filippo RussoDott. Filippo Russo

Concetto di RadiazioneConcetto 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.

Concetto di RadiazioneConcetto 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

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

La RadioattivitàLa Radioattività

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

La RadioattivitàLa 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.

Un chilogrammo di granito ha una radioattività naturale di circa 1000 Becquerel

Un litro di latte ha una radioattività naturale di circa 80 Becquerel

Un litro di acqua di mare ha una radioattività naturale di circa 10 Becquerel

Un individuo di 70 kg ha una radioattività dell'ordine di 8000 Becquerel, causata dalla presenza, nel corpo umano, di isotopi

radioattivi naturali (in gran parte, potassio-40)

Henry Becquerel Parigi 15.12.1852 - Croisic 25.8.1908

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

Wilhelm Conrad Roentgen

1845-1923

Becquerel notò 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.

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 (alfa), (beta), (gamma).

Radiazioni IonizzantiRadiazioni 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

Nei tessuti biologici gli ioni generati dalle radiazioni ionizzanti possono avere influenza sui normali processi biologici. Gli effetti biologici indotti dalle radiazioni possono avere caratteristiche 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.

Dose

dE dE dm dm

D =D =

1J 1J 1 kg 1 kg 1 Gy =1 Gy = = 100 rad= 100 rad

dN dN dt dt

= = AA

L’attività L’attività

A = -A = - N N

Bequerel (Bq) = 1 dis/sec Bequerel (Bq) = 1 dis/sec

Dove N è il numero dei nuclei radioattivi al tempo t e è la“costante di decadimento“ . .

In generale la legge del decadimento è

dN dN dt dt

= = -- N N

N = N (0) e - t

La relazione ha come soluzione

Henri Becquerel fu il Henri Becquerel fu il primo uomo a contrarre primo uomo a contrarre

una malattia da una malattia da radiazioniradiazioni

Marie Curie fu il primo Marie Curie fu il primo essere umano morto essere umano morto

per una malattia per una malattia ((diagnosticata diagnosticata

successivamentesuccessivamente) da ) da radiazioniradiazioni

DECADIMENTO DECADIMENTO RADIOATTIVORADIOATTIVO

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.

Si distinguono: d.r. alfa (); d.r. beta ( positivo o negativo; d.r. per cattura elettronica; d.r. gamma (; d.r. per

conversione interna. I d.r. e. danno origine a flussi di particelle noti,

rispettivamente, come radiazioni (o raggi) e.

DECADIMENTO RADIOATTIVODECADIMENTO RADIOATTIVO

Tempo di vita medio Tempo di vita medio ..

“Tempo di dimezzamento”

Ln 2 Ln 2

TT1/21/2 ==

== 11

Numero di massa – Numero AtomicoNumero 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 Z

ISOTOPIISOTOPI

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.

isotopi (dal greco = eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome), con eguale Z ed A diverso (per esempio 1

1H, 21H; oppure 12

6C, 13

6C) , che per noi chimici sono i più importanti

isobari: (dal greco = con lo stesso peso), con Z diverso, (perciò chimicamente diversi) ed A uguale (40

18Ar, 4019K, 40

20Ca)

isotoni: (con lo stesso numero di neutroni), cioè con A-Z uguale (per esempio 2

1H, 32He)

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.

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.

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.

DECADIMENTO DECADIMENTO Il decadimento Il decadimento viene sinteticamente viene sinteticamente espresso tramite la formula:espresso tramite la formula:

XXAAZZ YY A-4A-4

Z-2Z-2 + +

( Z , A ) ( Z , A ) ( Z – 2 , A – 4 ) + ( Z – 2 , A – 4 ) + 44 22HeHe

Decadimento alfa Un nucleo di un elemento di numero atomico Z e di massa atomica (o peso atomico) A emette una particella alfa (), 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 : un nucleo di radio si trasforma in rado emettendo un fotone e una particella alfa.

Il decadimento Il decadimento è possibile è possibile per nuclei con A >150 in per nuclei con A >150 in questo caso la costante di questo caso la costante di decadimento decadimento dipende dipende dall’energia cinetica e ciò dall’energia cinetica e ciò viene correlato nelle legge di viene correlato nelle legge di Geiger-NuttalGeiger-Nuttal

Log Log = B Log R = B Log R - c - c

Decadimento beta

Nel d.r. beta negativo (, 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 ( 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. sono detti particelle beta ().

DECADIMENTO DECADIMENTO ββ

Decadimento betaDecadimento beta

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

Decadimento gammaDecadimento gamma

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

DECADIMENTO DECADIMENTO

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

Decadimento per cattura Decadimento per cattura elettronicaelettronica

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

Decadimento per Decadimento per conversione internaconversione interna

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

Principali fonti di esposizione alle radiazioni ionizzanti

Radon - 56%

Medicina nucleare - 4%

Raggi cosmici -8%

Interne - 10%

Terreno -8% Altro - 1%

Prodotti di consumo -3%

Radiografie - 10%

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

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 , 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.

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

Famiglie Radioattive Naturali Famiglie Radioattive Naturali ed ed ArtificialiArtificiali

 

SERIE DELL’URANIO SERIE DEL TORIO SERIE DELL’ATTINIO SERIE DEL NETTUNIO  

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

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.

Famiglia del Th 234Famiglia 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.

SERIE DEL TORIO Il capostipite è il 232Th che emette

trasformandosi in 228Rn. L’elemento gassoso è il 220Rn-

220(Thoron).L’elemento stabile della serie è il 208Pb (Thorium D). La serie è

detta “4n”

SERIE DELL’ATTINIO Il capostipite è l’235U che decade

trasformandosi in 231Th . L’elemento stabile della serie 207Pb (Actinium D) .

La serie è detta “ 4n+3”

SERIE DEL NETTUNIO Il capostipite è il 241Pu ( che viene creato

artificialmente ) che emette β dando 241Am. L’elemento stabile è 209Bi. La

serie è detta “4n+1”.