Percorso sperimentale sulla radioattività Isidoro Sciarratta Corso di Laurea in NeuroFisioPatologia...

Percorso sperimentale

sulla radioattività

Isidoro SciarrattaCorso di Laurea in NeuroFisioPatologia - UNIUD 2002/03

NFP uniud 02 Isidoro Sciarratta 2

Esperimento 1 : Rivelazione di particelle mediante lo schermo al solfuro di zinco

• Interponendo uno schermo al solfuro di zinco lungo il percorso della radiazione emessa da una sorgente radioattiva (ad esempio 30 µg di radio), si osserva, purchè al buio, una macchia di luminescenza il cui contorno è identico a quello della sorgente.

L’esperimento comprova l’emanazione di particelle dotate di energia. Il contenuto di energia di ciascuna particella è tale da provocare l’effetto della fluorescenza. In assenza di cause esterne quali ad esempio un campo elettrico o magnetico, queste particelle si propagano in linea retta.


lastre fotografiche

• Se in sostituzione dello schermo al solfuro di zinco si adoperano delle lastre fotografiche si ottiene l’impressione di queste ultime.

100 ore

150 ore

200 ore

250 ore

300 ore

Le fotografie quì presentate sono state prodotte tutte allo stesso modo e cioé ponendo, sempre alla stessa distanza, davanti ad una pellicola fotografica, opportunamente avvolta in carta nera per proteggerla dalla luce, una boccettina cilindrica ripiena di polvere di sali radioattivi (nitrato di uranile).

esposizione


lastre fotografiche

• Le diverse fotografie differiscono l’una dall’altra solo per il tempo di esposizione che risulta indicato accanto a ciascuna di esse. L’intensità della zona impressionata dà ragione di un numero crescente di particelle registrate proporzionale al tempo di esposizione.

48 ore 72 ore

100 ore


lo spintariscopio

• L’osservazione è possibile solo dopo che l’occhio si è abituato all’oscurità, e quindi dopo qualche minuto. E’ bene sottolineare che con lo spintariscopio si osservano lampi di luce prodotti solo dalle particelle di tipo .

• Il metodo delle scintillazioni è alla base del più moderno sistema di rivelazione, che lavora con grande precisione: il contatore a scintillazione.


rivelatore a scarica

• Questo contatore è molto adatto per eseguire esperienze preliminari sulle proprietà delle particelle . In effetti si ottengono i seguenti risultati:– produzione di scintille isolate

mediante raggi – valutazione della lunghezza del

percorso delle particelle nell’aria variando la distanza tra preparato radioattivo e rivelatore

– studio del potere penetrante e dell’assobimento della radiazione ricorrendo alla interposizione di un foglietto di carta (spessore 0,1 mm circa).


Esperimento 4 Rivelazione di particelle mediante la

camera a nebbia

• Si sa che gli ioni agiscono come nuclei di condensazione del vapore. Gli ioni prodotti dalle particelle lungo il loro cammino portano alla formazione di nebbia in una atmosfera di vapore soprassaturo, purchè l’ambiente sia privo di altri nuclei di condensazione.


camera a nebbia o di Wilson• La camera di Wilson o camera a nebbia ad

espansione, è un apparecchio ideato da Wilson (1899) e successivamente perfezionato (1912): esso consiste essenzialmente in un cilindro chiuso ermeticamente. La base superiore e la parete laterale sono di vetro acrilico.

• Il fondo è metallico e presenta un foro circolare mediante il quale la camera comunica con una pera di gomma atta a comprimere e ad espandere il vapore presente all’interno.

• Sul fondo del cilindro è sistemato uno strato di gomma piuma che svolge una doppia funzione: – riceve la miscela liquida di acqua-alcool e – frena il flusso d’aria durante la compressione e

successiva espansione in modo da evitare la formazione di vortici.


contatore di Geiger-Muller • Ve ne sono di vari tipi. Sono tubi ad autoestinzione che presentano

superfici sensibili più o meno estese. Per ridurre la ionizzazione a valanga sono riempiti con vapori di alogeni.

• Un primo tipo (tipo A) presenta il rivestimento esterno di ferro-cromo ed è caratterizzato da una piccola finestra sensibile di mica. E’ adatto per rivelare ogni tipo di particella: , , .

• Un secondo tipo (C) presenta una grande superficie esterna di vetro sottile e risulta particolarmente adatto per rivelare le particelle .


azione del campo magnetico• In linea di principio si dovrebbe osservare la presenza di tre macchie luminose

di cui una coincidente con quella dell’esperimento eseguito in assenza di campo. Ciò a conferma di tre tipi di particelle di cui due cariche di segno opposto che in presenza del campo piegano da parte opposta, e la terza che risultando una radiazione prosegue ignorando la presenza del campo magnetico.

Poiché nell’esperimento 1 la “macchia” sullo schermo si vede solo se questo è posto a brevissima distanza dalla sorgente, in presenza di campo non è possibile ottenere risultati granché evidenti per il necessario accrescimento della distanza sorgente-schermo. A meno di non ricorrere a tecniche più idonee …


azione del campo magnetico• Per rimuovere questa difficoltà conviene rifarsi all’esperimento

sostituendo lo schermo al solfuro di zinco con un tubo GM che mantenuto a distanza costante da una identica sorgente viene collocato, ad esempio, sotto le direzioni che vanno da circa -40° a +40°, procedendo ad esempio, di 10° in 10° e fermandolo in ogni posizione per un identico intervallo di tempo.

L’esperimento, nelle stesse identiche condizioni, va ripetuto tre volte:

in assenza di campo magneticoin presenza di campo magnetico con il N verso l’altoin presenza di campo magnetico con il N verso il basso.


azione del campo magnetico

• Ricorrendo ad un computer in collegamento on-line si ottengono risultati del tipo illustrato nelle tre figure da cui risulta evidente lo spostamento della carica rispetto al centro e rispetto all’orientamento del campo. Ciò comprova l’esistenza delle tre particelle.

Distribuzione delle particelle

0

100

200

300

400

500

600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

-40° -30° -20° -10° 0° 10° 20° 30° 40°

R (

1/s

)

Distribuzione in presenza di campo magnetico verso il basso

050

100

150200

250300

350400

450500

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

-40° -30° -20° -10° 0° 10° 20° 30° 40° 50°

R (

1/s

)

distribuzione in presenza di campo diretto verso l'alto

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

-40° -30° -20° -10° 0° 10° 20° 30° 40°

R (

1/s

)

Da notare che nel complesso le disintegrazioni verificatesi nei tre esperimenti, in media, sono uguali. Sono ancora statisticamente uguali gli eventi che vengono deviati a sinistra, a destra e viceversa nella seconda e nella terza prova.


Esperimento 7 : Radiazione di fondo, attività della materia ed “effetto zero”

• L’esperimento consiste nel misurare la radioattività di un dato ambiente per tramite di un tubo GM in ognuno dei segenti casi:

– 1) in assenza di sorgenti particolari e di schermi di ogni genere;

– 2) circondando il tubo, ad esempio, con mattoni;

– 3) con il tubo schermato da una camicia di piombo.


attività di fondo• Il confronto dei tre conteggi risulta

alquanto significativo. Viene messa in luce la radioattività tipica di ogni ambiente ed in particolare quella provocata dalle particelle cosmiche.

• Da osservare come, indirettamente, l’elaborazione dei dati conferma anche che mentre i singoli eventi di disintegrazione sono casuali, al contrario, gli eventi che si riferiscono ad eguali intervalli di tempo sufficientemente lunghi rispetto alla durata di ogni singolo impulso, sono uguali. Per questo le linee che indicano i conteggi totali sono praticamente delle rette.

confronto fra le tre attività

confronto fra attività

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120

t (min)

att

ivit

à t

ota

le

fondo mattoni

fondo naturale

effetto "zero"


Esperimento 8 : Assorbimento e potere di penetrazione

• I raggi , e si possono distinguere anche secondo il potere di separazione, riconoscibile misurando gli spessori di lamine di alluminio da esse attraversate, o le lunghezze di percorsi compiuti nell’aria producendo ionizzazione.

• Se si interpongono fra una sorgente radioattiva e un tubo GM fogli di varie sostanze classificate per natura chimica e spessore, si determina il cammino che ogni particella fa all’interno di ogni tipo di sostanza.


Assorbimento e potere di penetrazione• Risultati tipici di questo esperimento ottenuti per

interfacciamento con un computer on-line, sono riportati nelle figure a fianco.

• Questo tipo di indagine consente di calcolare anche il contenuto di energia di ciascuna particella. Infatti, qualora la sostanza radioattiva viene racchiusa in un recipiente con grosse pareti di piombo, in modo da impedire l’uscita delle radiazioni, l’energia cinetica di queste si converte in energia termica. Misurando questa energia con speciali calorimetri, si trova che ogni grammo di radio sviluppa in ogni ora (3600 s) circa 565 J di calore: ovvero 135 calorie all’ora.

• Considerata la modesta quantità di materia che produce ininterrottamente tale energia per anni e anni, si deve riconoscere che si tratta della liberazione di quantità di energia enormi, sia pure diluite nel tempo, come uno stillicidio lento e continuo: “è questa la prima manifestazione dell’energia atomica”.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 300 plastica alluminio stagno piombo

0

10

20

30

40

50

60

0 250Al Mo Ag Tc


potere di penetrazione

mezzo

particella

aria carta alluminio piombo

alfa8 cm 1 foglio

beta2 m 1 mm

gamma>> km 22 cm


potere di ionizzazione

particellapotere in unità

arbitrarie

alfa 104

beta 102

gamma 1


Esper. 9 : Studio della natura dell’impulso• Si raggiunge lo scopo inserendo un oscilloscopio nel

circuito di alimentazione del tubo GM.

• L’esperimento consente di studiare la durata (circa 2·10-4 s), l’altezza massima, la carica per impulso, la distribuzione casuale degli impulsi, la regolarità statistica.

• Inoltre con l’aggiunta di un condensatore posto in parallelo alla resistenza di lavoro è possibile misurare la carica di ionizzazione prodotta da ogni impulso ed il conseguente numero di coppie di ioni.

• Infatti, collegando un condensatore di capacità nota (=1nF) in parallelo alla resistenza di carico, parte della carica dell’impulso passa al condensatore. Poiché ora si misura una tensione di circa 1 V, si ha:

q CV 1nF1V 10 9 C n q

2e

10 9

3,2 10 19 3109 coppieda cui


Legge di decadimento radioattivoCurva di decadimento del Ba 137 m

y = 226,21e-0,0041x

R2 = 0,9877

y = 75,404e-0,0041x

R2 = 0,9877

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

t (s)

att

ivit

à (

dis

./s)

Il grafico a fianco mostra due curve di tipo esponenziale ricavate sperimentalmente: si tratta del decadimento della sostanza radioattiva Ba 137 m. Con esse è possibile determinare il periodo di semitrasformazione: allo scopo è sufficiente individuare gli intevalli di tempo richiesti perchè metà popolazione di molecole e quindi metà della rimanente metà, ecc., decada. Questi intervalli sono tutti uguali tra di loro.


Età della Terra

• Elementi radioattivi naturali più abbondanti sulla crosta terrestre sono:

• Uranio 10parti/milione

T1/2 = 4,5 miliardi di anni(ce ne ancora una quantità apprezzabile)

• Torio 2 parti/milione

• Il potassio scarseggia T1/2 = 1 miliardo di anni

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