Sorgenti Naturali di Sorgenti Naturali di Radiazioni Radiazioni

Sorgenti Naturali di Sorgenti Naturali di

Radiazioni Radiazioni

Dott. Filippo Russo

Dott. Filippo Russo

Concetto di Radiazione Concetto 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 Radiazione Concetto 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)

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 Radioattività La Radioattività

Si definisce Radioattività la proprietà che

hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni

La Radioattività La 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 Ionizzanti Radiazioni 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

= = A A

L’attività L’attività

A = -

A = -   N N

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 primo Henri Becquerel fu il primo

uomo a contrarre una uomo a contrarre una malattia da radiazioni malattia da radiazioni Marie Curie fu il primo Marie Curie fu il primo essere umano morto per essere umano morto per

una malattia (

una malattia ( diagnosticata diagnosticata

DECADIMENTO DECADIMENTO

RADIOATTIVO RADIOATTIVO

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 RADIOATTIVO

DECADIMENTO RADIOATTIVO

Tempo di vita medio Tempo di vita medio

 

“Tempo di dimezzamento”

Ln 2 Ln 2 T T

= =  

  = = 1 1  

Numero di massa – Numero Atomico Numero 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

ISOTOPI ISOTOPI

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 ¹₁H, ²₁H; oppure ¹²₆C,

136C) , che per noi chimici sono i più importanti isobari: (dal greco  = con lo stesso

peso), con Z diverso, (perciò chimicamente diversi) ed A uguale (⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₁₉K, ⁴⁰₂₀Ca)

isotoni: (con lo stesso numero di neutroni), cioè

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

 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:

XX_AA^ZZ  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-Nuttal

Geiger-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 beta Decadimento beta

 decadimento 

negativo: un neutrone si traforma in protone emettendo un fotone, un elettrone e un

neutrino (che contribuisce a

conservare la quantità

Decadimento gamma Decadimento 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

Decadimento per cattura Decadimento per cattura

elettronica elettronica

 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 interna conversione 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 Artificiali Artificiali

 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 234 Famiglia 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”.