ottobre 2008 - NORM-A... · diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa (A)....

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

ottobre 2008

ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 1

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAUNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAdip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica

via Bassi 6, 27100 Pavia, Italyvia Bassi 6, 27100 Pavia, Italytel. 038298.7905 tel. 038298.7905 -- [email protected] [email protected] -- www.unipv.it/webgirowww.unipv.it/webgiro

elio girolettielio giroletti

radioattivitàradioattivitàe radiazionie radiazioni

RISCHI FISICI RISCHI FISICI -- elio giroletti elio giroletti -- 20082008

Introduzione Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti

radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia

decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi

strumentazione considerazioni

Caratterizzazione del nuclide

Caratterizzazione del nuclide

Nucleoni, ANeutroni, A-Zprotoni = elettroni, Z XA

Zprotoni elettroni, ZSimbolo chimico, X

XZ219219Rn, Rn, 220220Rn, Rn, 222222RnRn

L’isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma L’isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa (A). (A). Gli isotopi possono o meno essere radioattivi Gli isotopi possono o meno essere radioattivi


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STRUTTURA ATOMICA

atomi 92 elementi naturali

dimensioni ≈ 10–8 cm = Ånucleo (protoni, neutroni) + elettroni

Z = numero atomico A = numero di massa N = numero di neutroni

A = Z + NN = numero di neutroni

peso atomico :riferito all' isotopo 12 del carbonio (12C)

unità di misura S.I.unità di massa atomica (u.m.a.) = dalton

grammo-atomo

Enciclopedia Rizzoli Larousse, cd-rom, 1998

STRUTTURA ATOMICA

carica elettrica

dimensione

elettrone

– e

< 10–18cm(*)

protone

+ e

≈10–13cm

neutrone

0

≈10–13cm

massa

vita media

10 cm

9,07 10–28 g

stabile

(*) limite superiore

0 c

1,67 10–24 g

stabile

10 cm

1,67 10–24 g

≈ 17 min(**)

(**) neutrone libero


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3STRUTTURA ATOMICA

elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi)

elemento isotopi Z A N=A–Zabbondanzarelativa (%)

pesoatomico

12C13C14C

666

121314

678

98.891.11

tracce12.011

carbonio

i 16O 8 16 8 99 759ossigeno 16O17O18O

888

161718

89

10

99.7590.0370.204

15.9994

potassio 39K40K41K

191919

394041

202122

93.1380.0126.800

39.0983

piombo 204Pb206Pb207Pb208Pb

82828282

204206207208

122124125126

1.326.020.752.0

207.19

Origine della radioattivitàOrigine della radioattività

Struttura dell’atomo270 nuclei instabili(radionuclidi) su 2700

isotopi prodotti artificialmente

Radioattività naturale ed artificiale

708090

100110120130140150

numero di numero di neutronineutroni A = 200

A = 100

A = 150

U

l i bilil i bili

N

N = Z

N = A–Z

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10203040506070

o Z

A = 20

A = 50

Pb

Fe

nuclei stabilinuclei stabilinuclei instabili nuclei instabili ⇒⇒emissione di radiazioniemissione di radiazioni

numero di protoninumero di protoni

RADIOATTIVITÀ


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radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia



radiazione: radiazione: trasporto di energia nello spazio trasporto di energia nello spazio direttamente direttamente ionizzanti ionizzanti

particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) alfa: alfa: ααbeta:beta: ββ++ ββ--

LE RADIAZIONI LE RADIAZIONI IONIZZANTIIONIZZANTI

beta: beta: ββ++ -- ββindirettamenteindirettamente ionizzantiionizzanti

Elettromagnetiche: Elettromagnetiche: X X -- γγneutroni neutroni

Energia delle radiazioniEnergia delle radiazioni•• elettromagnetiche, elettromagnetiche, E=hE=hνν•• corpuscolari: corpuscolari: T=(T=(γγ--11)m)m00cc22

RADIAZIONE RADIAZIONE ALFA, ALFA, αα2 neutroni e 2 protoni 2 neutroni e 2 protoni (nucleo di (nucleo di 44HeHe++++))carica: +2 carica: +2 -- direttamente ionizzantedirettamente ionizzantemassa: 4,00278 uma massa: 4,00278 uma -- mm00cc22: 3727,3 MeV : 3727,3 MeV emessa da nuclei pesanti, A>145 emessa da nuclei pesanti, A>145 radiazione monoenergetica, tra 4 e 9 MeV radiazione monoenergetica, tra 4 e 9 MeV numero ionizzazioni in tessuto:numero ionizzazioni in tessuto: ~~2.102.1055 coppie ioni coppie ioni

e e ~~5.105.1066 molecole eccitate e radicali liberi molecole eccitate e radicali liberi

...42

42 ++→ ++−

− HeYX AZ

AZ

...: 22286

22688 ++→ αRnRaesempio


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radiazione radiazione betabeta--, , ee--, , ββ--

elettrone: carica -1, massa 0,000549 umadirettamente ionizzantepenetra da qualche micron a decine di cm emessa da nuclei con eccesso neutroni accompagnata da neutrinoaccompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario

...1 +++→ −+ νeYX A

ZAZ

...: 21483

21482 +++→ − νβBiPbesempio

decadimento decadimento beta, beta, ββ-- (e gamma)(e gamma)

Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987

radiazione radiazione beta+, beta+, ee++, , ββ++

positrone: carica +1, massa 0,000549 umadirettamente ionizzante – annichila penetra in aria: qualche micron – qualche cm emessa da nuclei con difetto neutroni accompagnata da neutrinoaccompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario

...1 +++→ +− νeYX A

ZAZ

...: 188

189 +++→ + νβOFesempio


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positron emission positron emission tomography, PETtomography, PET

AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997

radiazione radiazione gamma, gamma, γγ--XXfotone: carica 0, E =hE =hν =ν =mcmc22

indirettamente ionizzantepenetra: qualche cm - decine (o centinaia) di m emessa da nuclei in stato eccitato può accompagnare altri decadimentipuò accompagnare altri decadimenti radiazione monoenergetica, molte righe tempo dimezzamento: estremamente vario

...* ++→ γXX AZ

AZ

γνβ 2: 6028

6027 +++→ −NiCoesempio

interazione e rivelazioni delle radiazioni

Le radiazioni ionizzanti sono rivelate dalle interazioni di ionizzazione che:

si manifestano attraversando la materiai d d l tivariano a seconda del tipo

• di sostanza• di radiazione –tipo e energia-

• indirettamente ionizzanti:fotoni e neutroni• dirett.ionizz: particelle cariche e elettroni

da: Brambilla, Pavia 2001


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Interazione delle Interazione delle radiazioniradiazioni

Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987

interazione radiazioni e materiainterazione radiazioni e materiamattonimattoni

ferroferro acquaacqua

alfabetabeta

X X -- gammagamma

piombopiombo

datio

ns o

f IC

RPFo

nte:

ICRP

199

1, 1

990

Reco

mm

end


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Io I(x)

x

collimatore

assorbitore

rivelatore

Xraggi

– ΔIΔx = μ I(x)

ASSORBIMENTO RAGGI X e γ (monocromatici)

I = Io e – μ xμ = coefficiente lineare di

attenuazione totale[μ] = [L]–1

iolg

, II

I ed

.

Produzione immagine radiologicaProduzione immagine radiologicaradiological image productionradiological image production

Font

e: J

ohns

, Cu

nnin

gham

, Ph

ys o

f Ra

di




radiazioni alfa, beta e gamma interazione delle alfa con la materia




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decadimento radioattivo decadimento radioattivo

dndn

tnn Δ⋅⋅=Δ− λdtndn ⋅⋅=− λ

dtn

dn⋅−= λ

λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide

)(0

0)()( ttetntn −−⋅= λ

tempo, ttempo, t

1895 1895

nono2

n(t)

no0,50 no

legge del decadimento radioattivo legge del decadimento radioattivo

e

tempo, tT1/2

τo

0,37 no

ττ= = vita media, SI: s vita media, SI: s TT1/21/2=tempo dimezzamento, SI: s=tempo dimezzamento, SI: sλλ = costante di decadimento, SI: s= costante di decadimento, SI: s--11τ

λ 1)2ln(

2/1

==T

radioactive decayradioactive decay

6060

8080

100100 100100

TT1/21/2 =0.693/=0.693/λλ ττ ==1/1/λλ00

00

2020

4040

11

1010

ellapsed time (arbitrary units) ellapsed time (arbitrary units)

--λλ


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n(t)n(t)

decadimento radioattivo decadimento radioattivo

λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide tempo, ttempo, t

λλ33 > λλ22 > λλ11

11

33 22

TT33 < TT22 < TT11

•• attività, attività, A: indica la velocità di A: indica la velocità di decadimento del materiale radioattivo, cioè decadimento del materiale radioattivo, cioè numero di atomi che decadono nell’unità di tempo; numero di atomi che decadono nell’unità di tempo;

attività attività

unità misura, SI: unità misura, SI: becquerelbecquerel (Bq): corrisponde ad una (Bq): corrisponde ad una trasformazione nucleare al secondo: 1 Bq =1 strasformazione nucleare al secondo: 1 Bq =1 s--11; ; precedentemente: precedentemente: 1 curie (Ci) =3,71 curie (Ci) =3,7··10101010 BqBq

•• tempo dimezzamento, tempo dimezzamento, TT1/2 1/2 (s): tempo necessario (s): tempo necessario affinché l’attività si dimezzi affinché l’attività si dimezzi

•• vita media,vita media, ττ (s): tempo medio (s): tempo medio di sopravvivenza del nuclide, di sopravvivenza del nuclide, corrisponde a n(corrisponde a n(ττ) =n) =noo/e/e

decadimento radioattivodecadimento radioattivo

ConsiderazioniConsiderazionitasso di decadimento (e la probabilità)

è costante indipendente dalla “storia” dei nuclei andamento esponenziale

si azzera all’infinito la vita media corrisponde a 1/esi dimezza in un tempo costante


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famiglie radioattive famiglie radioattive →→→ CBA

dtNdN AAA ⋅⋅=− λ

dtNNdN BBAAB )( λλ −= integrandointegrando

[ ]ttA

AB

AB

BA eeNtN λλ

λλλ −− −⋅−

=)(

dtNNdN BBAAB )( λλ

dove: NA = numero di atomi del tipo A, inizialmente presenti NA atomi NB = numero di atomi del tipo B, inizialmente ipotizzati assenti, NB(t0)=0

ttiv

e tt

ive

are

are 600

800

1000

1200 Attività, Bq

60

80

100

120

attività, Aattività, BRapporto %, B/A

fam

iglie

rad

ioat

fam

iglie

rad

ioat

equi

libri

o se

cola

equi

libri

o se

cola

BA λλ << )()( 2/12/1 BTAT >> )()( tAtttAtt AB =

T1/2 di A = 20 T di B

0

200

400

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5Tempo, anni 0

20

40

famiglie radioattivefamiglie radioattiveequilibrio secolareequilibrio secolare

CBA →→ BA λλ <<

)()( tNtN AAB

AB ⋅

−=

λλλ

Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello del figlio, allora l’attività del discendente è uguale a quella del del figlio, allora l’attività del discendente è uguale a quella del

progenitore (l’attività e non il numero di atomi radioattivi!)progenitore (l’attività e non il numero di atomi radioattivi!)

)()( tAtttAtt AB =BAB λλλ ≅− )()( tAtttN =λ


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famiglie radioattivefamiglie radioattiveradio, radio, 226226Ra, e radon, Ra, e radon, 222222RnRn

800

1000

1200 Attività, Bq

150

200

0

200

400

600

0,00 0,05 0,10 0,15

Tempo, anni0

50

100

226Ra222RnRapporto %, Rn/Ra

emivita del emivita del 226226Ra (1640 a) >> emivita Ra (1640 a) >> emivita 222222Rn (3,82 g)Rn (3,82 g)

famiglie radioattivefamiglie radioattiveequilibrio secolareequilibrio secolare

radio, radio, 226226Ra, e radon, Ra, e radon, 222222Rn, e figliRn, e figli

Esempi di equilibrio secolareEsempi di equilibrio secolarele attività dei seguenti radionuclidi all’equilibrio le attività dei seguenti radionuclidi all’equilibrio coincidono coincidono Attività(padre) = Attività(figlio):Attività(padre) = Attività(figlio):•• 238238U U →→ ….. ….. →→ 226226Ra Ra •• 226226Ra Ra →→ 222222RnRn•• 222222Rn Rn →→ 218218Po Po →→ ….. ….. →→ 214214Po (l’equilibrio si Po (l’equilibrio si interrompe al interrompe al 210210Pb, in quanto ha una emivita di 20 a)Pb, in quanto ha una emivita di 20 a)

famiglie radioattive famiglie radioattive naturalinaturali

• 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-220, toron• famiglia uranio: Rn-222, radon • famiglia attinio, Rn-219, attinon


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famiglia radioattiva famiglia radioattiva -- TORIO TORIO

radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse Th-232 1,4E10 anni α Ra-228 5,8 anni β Ac-228 6,1 ore β,γ Th-228 1,9 anni α,γ Ra 224 3 6 g α γ

PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DEL TORIO

Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993

Ra-224 3,6 g α,γ Rn-220 55 s α Po-216 0,15 s α Pb-212 11 ore β,γ Bi-212 61 min α,β,γ Po-212 3E-7 s α Tl-208 3,1 min β,γ

famiglia radioattiva famiglia radioattiva –– URANIO URANIO

radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-238 4,5E9 anni α Th-234 24 g β,γ

Pa-234m 1,2 min β,γ U-234 2,5E5 anni α Th-230 8E4 anni α

PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DELL’URANIO


Ra-226 1,6E3 anni α,γ Rn-222 3,82 g α Po-218 3,1 min α Pb-214 27 min β,γ Bi-214 20 min α,β,γ Po-214 2E-4 s α Pb-210 21 anni α,β,γ Bi-210 5 g β Po-210 140 g α

famiglia radioattiva famiglia radioattiva -- ATTINIO ATTINIO

radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-235 7,13E8 anni α,γ Th-231 25,64 ore β,γ Pa-231 3,43E4 anni α,γ Ac-227 21,8 anni β Th 227 18 4

PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DELL’ATTINIO


Th-227 18,4 g α,γ Fr-223 21 min β,γ Ra-223 11,68 g α,γ Rn-219 3,92 s α,γ Po-215 1,83E-3 s α Pb-211 36,1 min β,γ Bi-211 2,16 min β,γ Po-211 0,52 sec α,γ Tl-207 4,78 min β,γ


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altri altri radionuclidi naturaliradionuclidi naturali

rad ionuclide Tem po d im ezzam ento P rincipali rad iazion i em esse K-40 1 ,3E9 anni β ,γ

ALTRI RADIONUCLIDI NATURALIALTRI RADIONUCLIDI NATURALINON APPARTENENTI ALLE FAMIGLIE RADIAOTTIVENON APPARTENENTI ALLE FAMIGLIE RADIAOTTIVE


, β ,γRb-87 5E10 anni β

La-138 1 ,1E11 anni β ,γ Sm -147 1 ,3E11 anni α , Lu-176 3E10 anni β ,γ Re-187 5E10 anni β

RadionuclidiRadionuclidiCOSMOGENICI COSMOGENICI

RADIONUCLIDI NATURALIRADIONUCLIDI NATURALIDI ORIGINE COSMOGENICADI ORIGINE COSMOGENICA


DI ORIGINE COSMOGENICADI ORIGINE COSMOGENICA

Radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse H-3 12,3 anni β Be-7 53,6 g β C-14 5730 anni β

Na-22 2,61 anni β



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