Applicazioni della Fisica Nucleare

Energia nucleare per uso civile

Esplosivi

Analisi della composizione di materiali

Sterilizzazione con raggi gamma (ad es. apparecchiature mediche, alimenti)

Homeland Security (sicurezza nazionale)

Raggi X e Gamma come mutageni (ad es. grano duro „creso‟, pompelmo rosa „texas red‟ )

Spettrometria di massa

Datazione Radiometrica

Applicazioni del decadimento alfa Alimentazione per circuiti elettrici

Rivelatori di fumo

Analisi composizione dei materiali

Medicina Nucleare (diagnosi/terapia)

I metodi basati su tecniche nucleari possono avere diversi vantaggi rispetto alle tecniche chimiche

e sono diventati di uso comune (ad es. perché tecniche non ditruttive)

Neutron Activation Analysis (NAA) [ e PGNAA (Prompt Gamma NAA) ]

• E‟ possibile determinare sia il tipo di isotopo presente sia la quantità

• Attraverso procedure automatizzate è possibile analizzare una grande quantità di campioni


Cattura Neutronica

Applicazioni:

• analisi inquinamento atmosferico

• scienza forense (armi da fuoco lasciano tracce di Ba e Sb in quantità di microgrammi (applicato anche per l‟assassinio di JFK))

• presenza arsenico e mercurio nei capelli (Napoleone, Newton)

• origine comune dalla composizione di reperti archeologici (ad es. vasellame)


Alcuni fattori di limitazione:

• Isotopi con bassa sezione d‟urto di catura neutronica

• Isotopi con vite medie troppo brevi

• Mancanza di emissioni gamma


Particle Induced X-ray Emission (PIXE)

La sezione d‟urto per la ionizzazione degli atomi varia in modo smussato e decresce all‟aumentare di Z(si deve tener conto non solo della probabilità di ionizzazione ma anche della probabilità che venga emesso un raggio X di una determinata energia)


Dipendenza della sezione d‟urto dall‟energia della particella incidente (ad es. protone)


Se il fascio è focalizzato fino a 1 mm di diametro la sensitività può aumentare di un fattore 100.

Alcuni fattori di limitazione:

• può essere usata solo per campioni relativamente sottili (penetrazione nella materia

limitata sia per le particelle cariche che raggi X)

• precisa conoscenza sezioni d‟urto di produzione

• precisa conoscenza della corrente del fascio e del suo porfilo in funzione del tempo

• alcune linee X sono troppo vicine per essere separate


Se conosciamo la costante di decadimento di un nucleo radioattivo la decrescita esponenziale della

sua attività in funzione del tempo può essere usata per misurare il tempo:

Quando vogliamo misurare tempi dell‟ordine 109 anni però non misuriamo l‟attività in funzione

del tempo ma si conta il numero relativo di isotopi genitore/figlio e lo si confronta con lo stesso rapporto

Al tempo t0 (ad esempio quando una roccia si è condensata intrappolando i nuclei genitori)

Limitazione: si assume che non siano presenti nel campione nuclei figlio al tempo t0 e che il numero di

atomi rimane costante nel campione per tutto il tempo


Se consideriamo l‟ipotesi che al tempo t0 siano presenti nuclei figli (derivanti ad esmpio dal decadimento

dei nuclei genitori a tempi minori di t0 o dallo stesso processo che ha portato alla formazione dei nuceli

padri):

Se è presente nel campione un altro isotopo del nucleo figlio che non è ne radioattivo ne formato a

seguito del decadimento di un altro nucleo a vita media molto lunga:


Metodi differenti portano tutti ad una data di circa 4.5 miliardi di anni (anche su rocce lunari)


• la CO2 assorbita dalla materia organica consiste di una mistura di 12C (98.89%) e 13C (1.11%)

• l‟isotopo radioattivo 14C è prodotto continuativamente a seguito del bombardamento

dei raggi cosmici (reazioni con i nuclei di 14N) e la produzione di raggi cosmici è stata relativamente

costante negli ultime migliai di anni (ipotesi testata con campioni di età nota)

• nella materia organica la presenza di 14C raggiunge l‟equilibrio attorno a quantità di 1

ogni 1012 atomi di 12C

• ha una vita media di 5730 anni 1 grammo di materia organica = circa 15 decadimenti/minuto

• quando un organismo muore smette di assorbire CO2 e quindi il numero di nuclei di 14C inizia

a decadere esponenzialmente

• Possiamo quindi determinare l‟età di un campione di materia organica fino a quando ci sono abbastanza

nuclei di 14C

• nei prossimi millenni il metodo del 14C potrebbe non essere più applicabile, il bilancio di 14C è

infatti alterato dai gas emessi con l‟utilizzo dei combustibili fossili

Metodo di datazione del 14C


Nella datazione radiometrica a volte non è praticabile “contare” i decadimenti

(soprattutto se si tratta di isotopi a vita media molto lunga)

Spettrometria di massa

Esempio del 14C:

• il 14C è presente in un rapporto 10-12 rispetto al 12C, ha vita media di 5730 anni, in un grammo di

sostanza organica ci sono circa 15 decadimenti al minuto, quindi in un campione di età 10000 anni

i decadimenti si riducono a 4 al minuto

• per accumulare una statistica di circa 10000 conteggi la misura dovrebbe durare circa 2 giorni

(considerando l‟apparato di rivelazione con efficienza del 100%!)

• un grammo di materia contiene circa 5*1022 atomi di 12C e 1010 di 14C

contando i decadimenti “utilizziamo” solo 10000 nuclei dei 1010 presenti (procedura inefficiente)

Utilizzare gli acceleratori come spettrometri di massa permette di contare direttamente il numero di

Nuclei nel campione (identificando i nuceli in carica e massa:

• la sola identificazione in massa non è sufficiente, infatti le contaminazioni di 14N

impedirebbero uan misura efficace

• gli acceleratori forniscono un mezzo per realizzare l‟identifcazione in cairca e massa, ad esempio:

• nella sorgente di ioni si possono creare ioni negativi (14N non forma ioni negativi stabili e viene

automaticamente eliminato)

• si possono utilizzare tecniche di identificazione dE-E combinate con selettori di velocità e ottenere

una selezione in carica e massa degli ioni.

Applicazioni del decadimento alfa

Caratteristiche principali del decadimento a:

• gran parte dei nuclei con A >200 decadono a

• le particelle a sono nuclei di elio (il nucleo di elio `e uno stato molto stabile con energia di legame BE = 28.3 MeV )

• le particelle a emesse in un decadimento sono

monocromatiche: si tratta di un decadimento a due corpi

• l‟energia cinetica delle particelle a varia in un piccolo

intervallo, tipicamente: 4 MeV < Ka < 8 MeV

• la vita media ha una forte dipendenza dall‟energia cinetica e

varia per pi`u di 20 ordini di grandezza secondo la legge di

Geiger-Nuttal ln(t) = a - b*ln(K)

• a parità di energia la vita media aumenta col peso atomico A.

Sorgenti alfa usate per alimentare ciruiti elettrici

Esempio: Calcolo della potenza emessa da decadimento alfa

Rivelatore di fumo basato su sorgenti a


• piccola quantità di 241Am (t1/2 = 433 anni) con Q-valore = 5.6 MeV

• Funzionamento:

• in condizioni normali le particelle a ionizzano le molecole d‟aria e una corrente è

presente tra i due elettrodi. I prodotti di combustione formano atomi pesanti ionizzati

e questi interagendo con le molecole ionizzate provocano una variazione della corrente

Analisi della composizione di materiali con particelle a: Ruterford backscattering


Nella trattazione dello scattering Rutherford si era

ipotizzato che il nucleo bersaglio avesse una massa

inifitamente grande, in questa condizione la particella

a scatterata a 180° ritorna indietro con la stessa energia,

in realtà non è così e la perdita di energia da parte della

particella è stimata dalla formula:

La perdita di energia è maggiore per nuclei più leggeri, ma anche per nuclei più pesanti (m_Alfa/M~0.02)

L‟energia persa è dell‟ordine dei 0.5 MeV e può essere rivelata.

lo spettro di energia delle particelle a scatterate s 180° fornisce informazioni sulla composizione del

campione bersaglio.

Limitazione:

La separazione tra i picchi relativi ai vari isotopi pesanti è dell‟ordine dei 5 keV e la risoluzione energetica

tipica di un rivelatore di particelle a a stato solido è attorno ai 20 keVma per i nuceli più leggeri la

separazione è più netta.

La scoperta dei raggi X da parte di Roentgen nel 1895 fu seguita dalla loro applicazione per

la diagnosi medica: i raggi X penetrano i tessuti molli e sono fortemente attenuati dalle ossa

(mettendole in contrasto)

Limitazioni:

• mancanza contrasto tra diversi tipi di tessuti molli (localizzazione tumori)

• Immagini bidimensionali (manca informazione sulla profondità)

• Tessuti di interesse possono essere schermati dalle ossa

Medicina nucleare (diagnostica)

Los viluppo delle tecniche sperimentali della fisica nucleare ha storicamente accompagnato

i progressi nel campo dell‟imaging medico: gamma camera, sviluppo di acceleratori specializzati nella

produzione di radioisotopi per scopi medici e tecniche per l‟estrazione delle immagini

Tecniche per formare immagini di specifiche parti del corpo attraverso l‟introduzione

di traccianti radioattivi.

Una delle prime applicazioni ha rigurdato lo studio di accumulo di iodio nella tiroide:

• dello iodio radioattivo è ingerito dal paziente e un rivelatore di raggi gamma è avvicinato

alla tiroide per registrare un aumento di conteggi.


Differenti radioisotopi sono stati usati:

• 131I (vita media = 8 giorni, decadimento b energetico dose significativa assorbita dal paziente)

è un prodotto della fissione

• 123I (vita media = 13 ore, decade per cattura elettronica e emette un gamma da 159 keV)

è prodotto in reazioni realizzate in ciclotroni

• 99Tc (vita media 6 ore, emette un gamma da 140 keV)

è prodotto dal decadimento del 99Mo (66 ore) da fissione o cattura neutronica

Ad esempio scegliendo un radioisotopo che tende ad accumularsi in una zona specifica del corpo si può

ottenere un’immagine precisa di un organo, utilizzando dei rivelatori a scintillazione accoppiati

a collimatori.


Limitazione: l‟utilizzo di collimatori rende il processo di rivelazione poco efficiente, coprendo

parte della superficie attiva del rivelatore (molti dei raggi gamma emessi nella direzione del

rivelatore vengono “sprecati”).

Svantaggio Tecniche di “scanning” : solo una porzione della radiazione emessa è osservata ad un tempo

fissato. La gamma camera permette invece di acquisire un‟intera immagine di una zona

relativamente ampia in tempi brevi e rendere

Possibili studi “dinamici”.

• un singolo cristallo scintillatore è

accoppiato con più fototubi

(analizzando il segnale dei quali, e

con l’aiuto del collimatore è possibile

determinare la posizione di ingresso del

raggio gamma).


La compton camera ha un vasto range di applicazioni: medicina nucleare diagnostica,

monitoraggio e decommissioning di impianti nucleari, homeland security.

I fotoni emessi dalla sorgente sono scatterati nel

primo rivelatore (Compton scattering) e assorbiti

nel secondo (effetto fotoelettrico). Rivelatori

“position sensitive” permettono di localizzare

nello spazio entrambe le interazioni.

Sia l‟energia iniziale totale del fotone (Etotal) e

l‟energia depositata nel primo rivelatore

(Escatter) sono note, perciò l‟angolo di scattering

θ può essere calcolato utilizzando la formula

(dove m0 è la massa a riposo dell‟elettrone):


• Iniezione nel paziente di un isotopo tracciante con vita

media breve, legato a una molecola attiva a livello

metabolico

• La molecola metabolicamente attiva (spesso uno

zucchero) raggiunge una determinata concentrazione

all'interno dei tessuti organici da analizzare

• L'isotopo di breve vita media decade, emettendo un

positrone e dopo un cammino che può raggiungere al

massimo pochi millimetri,il positrone si annichila con un

elettrone, producendo una coppia di gamma di 511 keV

(massa a riposo dell‟elettrone/positrone) emessi in direzioni

opposte fra loro.

•I gamma da 511 keV vengono rivelati simultaneamente

(altrimenti l‟evento è rigettato)

•Dalla misurazione della posizione in cui i fotoni colpiscono

il rilevatore, si ricostruisc la posizione del corpo da cui sono

stati emessi, permettendo la determinazione dell'attività o

dell'utilizzo chimico all'interno delle parti del corpo

investigate.

• I radionuclidi utilizzati nella scansione PET sono

generalmente isotopi con breve tempo di dimezzamento,

come 11C (~20 min), 13N (~10 min), 15O (~2 min) e

18F (~110 min). Per via del loro basso tempo di

dimezzamento, i radioisotopi devono essere prodotti da un

ciclotrone posizionato in prossimità dello scansionatore PET.

Medicina nucleare (terapia)

Adroterapia: fasci di protoni, neutroni o ioni pesanti

sono usati per la cura del cancro.

• queste particelle danneggiano il DNA delle cellule

del tessuto causandone la morte. Siccome le cellule

del cancro hanno una minore capacità di

riparare il DNA danneggiato sono più vulnerabili

• le figure a lato mostrano le differenze in termini di

range di penetrazione nel tessuto umano per le

diverse particelle e diverse energie.

• il vantaggio delle particelle (in confornto ai raggi X

ad esempio) consiste nel fatto che la maggior parte

della dose è rilasciata in corrispondenza del picco di

Bragg e quindi meno energia è depositata nella parte

di tessuto sana

Applicazioni della Fisica Nucleare - Sezione di...

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