Radiazione e materia
La radioattivita’ induce cambiamenti nella materia, sia biologica che non-biologica
Gli effetti chimici e strutturali della radiazione dipendono dalla composizione della
materia e dall’ammontare di energia depositata dalla radiazione. Per valutare l’energia depositata la radiazione si divide in radiazione da perticelle cariche ( e-,e+ alfa,...) particelle neutre (n) e radiazione elettromagnetica ( gamma).
La radiazione elettromagnetica, cioe’ i gamma, causano reazioni nucleari con nello stato finaleparticelle ionizzanti, es. elettroni, innquesto caso si parla di inizzazione indiretta.
La quantita’ di energia ceduta alla materia in un dato volume e’
€
Ec = Ein +
∑
Q − Eoutessendo Ein l’energia ( masss esclusa) della radiazione entrante nel volume, ΣQ la somma dei Q-value delle reazioni indotte nel volume e Eout l’energia della radiazione che lascia il volume.
Quando non c’e’ trasformazione nucleare
ΣQ = 0.
Per quanto riguarda lo studio degli effetti delle particelle ionizzanti nella materia, si definisce una perdita di energia media nel materiale che tiene conto dei vari meccanismi. .
Il valore dell’energia media di formazione di una coppia di ioni nei gas varia tra 25-40 eV,
il potenziale di ionizzazione j e’ inferiore a w e la differenza w-j e’ il potenziale di eccitazione;
l’energia di eccitazione e’ dell’ordine e’ <=5 eV. Per i liquidi e i solidi i valori variano parecchio, ad es. per la formazione di una coppia nell’exano ci vogliono 1300 eV, ma solo 5 eV per coppia di ioni nei solidi inorganici.
Si parla di specific energy loss di una particella nella materia e indica lo stopping power S
Con buona approssimazione lo stopping power di un materiale e’ determinato dalla sua
composizione atomica e quasi indipendente dal legame chimico. Lo stopping power e’ funzione della velocita’ della particella e cambia man mano che la particella rallenta.
La ionizzazione specifica J e’ il numero di coppie ioni prodotte per unita’ di lunghezza
€
J = dN
j/ dx (coppie ioni / m)
€
S = dE )
loss/ dx (J / m)
€
S = wJ (J / m)) e la relazione tra S e J e’
Caratteristico del materiale e’ il mass stopping power
€
S /ρ espresso in unita’ MeV/g cm2)
Particelle cariche
Un importante concetto e’ il Lienear Energy Transfer (LET), che riferisce all’energia assorbita nella materia per unita’ di lunghezza percorsa dalla particella carica
€
LET = dE
abs/ dx
Il LET a parita’ di energia e materiale cresce a al crescere della massa della particella nell’ordine:
Elettroni alta energia( o gamma)->raggi beta o raggi X->protoni->deuteroni->alfa->ioni pesanto->
frammenti di fissione.
La relazione tra LET e stopping power e’ nell’energia Ex persa radiazione elettromagnetica ( principalmente bremsstrahlung).
€
dE
loss/ dx = dE
abs/ dx + E
xRadiazione neutra
Quando un neutrone o fotone di energia cinetica Ein e’ assorbito, una frazione di energia Etr
e’ trasgferita come energia cinetica delle particele cariche; si definisce energy transfer coefficients come
€
µ
tr= 1
E
indE
in/ dx (m
−1)
€
µ
a= 1
E
indE
abs/ dx (m
−1)
che divente, se si trascura bremmstrahlung
Dose di radiazione e Yield di radiazione
L’unita’ di radiazione ancora in uso e’ il roentgen (R), che si applica solo ai fotoni ed e’ definita come exposure. La exposure e’ il flusso di energia dei fotoni che incidono sulla materia.
1 R e’ l’exposure che in aria produce coppie di ioni di carica totale per unita’ di massa di 2.58x10_4 C/kg, che corrisponde a circa 1.61 x 1015 coppie di ioni per kg aria o a una energia assorbita di 8.8 x 10-3 J/kg per una energia di formazione media di 34 eV.
Quello che interessa e’ la dose assorbita (D) che e’ l’ammontare di ENERGIA assorbita per unita’ di massa, Eass = (Ein -Eout)
Relazionata alla dose assorbita e’ il kerma (K) che e’ l’energia cinetica rilasciata per unita’ di massa dalle particelle neutre e dai gamma.
€
K = dEk / dm = ΦEµtrρ−1
con E e’ l’energiadella radiazione, PHI la fluenza delle particelle ( particelle/m2) e
€
µtr/ ρ il coefficiente di trasferimento di energia di massa. In unita’ SI si misura in J/kg.
Nella valutazione dell’impatto della radiazione sulla materia e’ importante
lo Radiation Chemical Yield o G-values. G(x) e’ stato definito come il numero di molecole di x trasformate per 100 eV di energia assorbita.
In SI il G-values e’ valutato in mol/J con il fattore di conversione 1 mol/J = 9.649 x106 molecole per 100eV assorbita.
Metalli
I metalli consistono di lattici solidi di atomi i cui elettroni di valenza appartengono alla banda
di conduzione, l’interazione della radiazione puo’ causare eccitazione degli elettroni legati e trasferirli nella banda di conduzione.
Raggi gamma ed elettroni hanno in genere poca influenza sulle proprieta’ metalliche, le particelle piu’ pesanti causano danni con gli urti con gli atomi del lattice, che risulta nello spostamento degli atomi dalla loro posizione nel lattice.
Si definisce displacement energy ( Edisp) l’energia per rimuavere un atomo dal suo sito e vale per la maggior prte dei metlli 10-30 eV.
Il numero di atomi spostati sara’
€
n
disp≤ E
tr/ 2E
dispN.B. la massima energia trasferita sara’ l’energia di una collisione elastica head-on.
Gli spostamenti atomici inducono cambiamenti nelle proprieta’ dei metalli: resisteza, volume, durezza, elasticita’ crescono mentre diminuiscono densita’ e duttilita’.
Particolarmente influenzate sono le proprieta’ microcristalline che nel caso di alto irraggaimento come nei vessel dei reattori nucleari dove sotto l’effetto dei prodotti di fissione si creano delle bolle di Helio.
Il ritorno degli atomi spostati nelle posizioni originarie richiede una qualche energia che puo’ essere termica, e si parla di di thermal annealing, o mediante irraggiamento a raggi gamma o beta,
che non causano spostamenti.
Dosi maggiori di 10Gy sono necessarie per creare effetti di spostamento
Composti inorganici non metallici
Nel caso di radiazione γ o β il fenomeno principale e’ la eccitazione e/o ionizzazione; l’atomo eccitato si diseccita emettendo luce di fluorescenza, in 10-6 s. La ionizzazione puo’ portare allaformazione di lacune intrappolate nei siti di impurita’. L’eccesso o mancanza di cariche puo’ portare a stati elettronici con bande di assorbimento nella regione del visibile ed ultravioletto.
Riscaldando il composto questo ritorna allo stato normale ( o molto simile) con emissione di luce.
Questo forma la base di una tecnica di misura di dose basata sulla dosimetria a termoluminoscenza.
Con particelle pesanti si hanno fenomeni di dislocazione che producono oscillazioni del lattice che contribuiscono ad aumentare il contenuto di energia del cristallo, in questo modo si creano delle sacche di energia, ( Wigner effect),nel materiale che puo’ diventare rilevante.
Ad es. la grafite usata nei reattori a 30 oC raggiunge frequentemente valori di 2000kJ/kg
per fluenze di 2 x 1021 n/cm2. A temperatura ambiente gli atomi interstiziali recuperano la posizione normale molto lentamente, ma la rate dipende dalla temperatura per cui se l’eleiminazione degli atomi interstiziali avviene troppo veloce, il rilascio dell’energia immagazzinata puo’ portare il materiale a punto di ignizione ( successo in Inghilterra nel ‘57).
I semiconduttori hanno la loro conduttivita’ ridotta dall’introduzione dei difetti di lattice
Sostanze inorganiche esposte ad alta flenza di neutroni e gamma nei reattori nucleari sono soggette decomposizione.
Questo processo assume rilevanza nel caso di materiali utilizzati nei reattori a fissione o fusione, in quanto vengono a crearsi delle fessurazioni dovute alla variazione della densita’ in seguito a decomposizione.
Il vetro in quanto materiale liquido solido non cristallino non subisce dislocazioni, ma piuttosto ossidazione e questo comporta un cambiamento di colore. Questo cambiamento di ossidazione e’ dovuto al fatto che il vetro spesso contiene ferro, manganese ed altri metalli che esistono in diversi stati di ossidazione che viene cambiato con l’irraggiamento.
Il fatto che il vetro non subisce dislocazioni con l’irraggiamento lo fa preferire come materiale di contenimento delle scorie radioattive ( attinidi) in quanto la probabilita’ di crack non esiste.
Acqua
Le conseguenze della ionizzazione ed eccitazione dipendono dallo stato fisico e composizione molecolare del materiale irradiato.
Per l’acqua il processo di ionizzazione avviene in una scala di tempo dell’ordine delle transizioni elettroniche (< 10-16 s).
Lo ione positivo H2O+ reagisce con l’acqua in 10-14 s, formando un radicale .OH e H3O+.
L’elettrone se ha sufficiente Ek puo’ ionizzare altre molecole prima di scendere sotto soglia
( <12.61 eV) per ionizzare l’acque e poi cede energia causando eccitazioni vibrazionali e rotazionali.
Il tutto in 10-14 s.
Le eccitazioni vibrazionali e rotazionali danno luogo a processi di dissociazione con formazione di radicali e molecolari liberi O., H., .OH,H2. in equilibrio con l’acqua.
In acqua pura irradiata da gamma X-ray le reazioni tra radicali e molecolari portano a riformare la molecola H2O e non si osserva nessuna decomposizione.
Nei reattori nucleari l’acqua usata come moderatore o refrigerante deve essere piu’ pura possibile per ridurre la dissociazione durante il tempo di attivita’ del reattore. Infatti la formazione di molecole H2 e O2 puo’ portare alla formazione di una miscela di gas esplosiva da evitare.
Inoltre i prodotti di decomposizione dell’acqua possono aumentare la corrosione degli elementi di fuel e dei materiali strutturali.
Nel caso di soluzioni acquase, se la concentrazione del soluto e’ piccola (<1mol/l) praticamente tutta la radiazione viene assorbita dall’acqua, mentre per concentrazioni maggiori il soluto puo’ essere dissociato e i prodotti della radiolisi del soluto possono reagire con i prodotti di radiolisi dell’acqua, dando luogo a modificazione della composizione.
