2.  Interazione della radiazione con la materia 3.  Dosimetria

(1)

sica Generale Avanzata

Radioisotopi e dosimetria

1.  Radioisotopi naturali

2.  Interazione della radiazione con la materia 3.  Dosimetria

4.  Energia nucleare

(2)

ontin - Fisica Generale Avanzata

Radioattività naturale

La radioattività che troviamo in natura può avere tre sorgenti:

1.  Primordiale - esistente fin dalla formazione della Terra

2.  Cosmogenica - risultante dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera 3.  Umana - prodotta o concentrata come risultato delle attività dell’uomo

Radionuclide Simbolo Tempo di

dimezzamento

Attività naturale

Uranio 238

²³⁸

U 4.47x10

⁹

anni 25 Bq/kg di suolo

Uranio 235

²³⁵

U 7.04x10

⁸

anni 0.72% dell Uranio

238 Torio 232

²³²

Th 1.41x10

¹⁰

anni 40 Bq/kg di suolo

Potassio 40

⁴⁰

K 1.28x10

⁹

anni

40K -> ⁴⁰Ca + β ^- (1.3 MeV) + ν

400 Bq/kg di suolo

Radionuclidi primordiali

(3)

Le serie naturali

Poichè il capostipite delle serie naturali ha una vita media molto più lunga di tutti i nuclei figli, questi ultimi si dicono in

equilibrio secolare tra loro.

La conseguenza è che le attività di tutti i figli sono uguali e quindi che la quantità di ciscun figlio è proporzionale alla sua vita media:

N

_i

λ

_i

=N

_j

λ

_j

N

_i

/N

_j

= τ

_i

/ τ

_j

(4)

USA

(5)

Radionuclidi cosmogenici

Radionuclide Simbolo Tempo di dimezzamento

Sorgente Attività naturale

Carbonio 14

¹⁴

C 5730 anni

14C -> ¹⁴N + β ^- (0.2 MeV) + ν

Interazione di raggi cosmici su azoto

220 Bq/kg in materiale organico

Trizio

³

H 12.3 anni

3H -> ³He + β ^-(0.02 MeV) + ν

Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno

1.2x10

^-3

Bq/kg

Berillio 7

⁷

Be 53.3 giorni

7Be -> ⁷Li + ν + γ (0.5 MeV)

Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno

0.01 Bq/kg

Nota: il ¹⁴C costituisce 1.3 parti su 10¹² del carbonio naturale.

(6)

Radionuclidi di origine umana

Esempio:

Il minerale di carbone contiene una quantità di uranio variabile da circa 1 ppm a 5 ppm e una quantità di torio circa 3 volte superiore.

Considerando che una tipica centrale elettrica da 1000 MW consuma circa 4 milioni di tonnellate di carbone all’anno, e che circa l’1% dell’uranio e del torio originali vengono emessi in atmosfera, il rilascio totale per centrale per anno è compreso tra 160 g e 800 g.

Inoltre, durante la combustione, circa l’85% del carbone viene consumato, e, di conseguenza, il

contenuto in percentuale di uranio e torio nelle ceneri viene aumentato di circa un fattore 6 rispetto alla quantità naturale. Queste ceneri vengono poi utilizzate in superficie, aumentando così il

contenuto di questi elementi nel suolo.

In totale, tra 12 kg e 60 kg di uranio e torio vengono prodotti ogni anno da una centrale a carbone.

Da notare che il consumo di uranio in una centrale termonuceare equivalente è di circa 1500 kg per anno.

Oltre a vari radionuclidi prodotti in modo diretto dalle attività umane (combustibile nucleare, prodotti per diagnostica e terapia medica, ecc.) esiste la possibilità che attività umane non

direttamente correlate con radionuclidi producano una concentrazione di questi ultimi nell’ambiente che risulta più alta di quella naturale.

(7)

Interazione della radiazione con la materia

Ionizzazione

La particella cede energia ad un elettrone legato

liberandolo e ionizzando così l’atomo

Produzione di luce Molecole organiche o

cristalli inorganici assorbono energia dalla particella emettendo luce nel processo di diseccitazione

(8)

Linear energy transfer (LET)

Il tasso con cui una particella carica cede energia al materiale che attraversa dipende da numerosi parametri, i più importanti dei quali sono la densità del materiale (ρ), la carica della particella incidente (z) e la sua velocità (β=v/c):

Nota: E_cinetica=m₀c²(γ-1)

a E_c=1 MeV: α -> γ=1.0003, β=0.024 e -> γ=2.96, β=0.94

γ

dE/dx

γ=3

dE

dx ! "

dE

dx ! z

²

dE

dx ! 1

#

²

^per # < 0.95 ( $ ^{< 3)}

(9)

Penetrazione

La penetrazione di particelle diverse (α, β, γ) è molto diversa a causa della differenza nel tipo di interazione con la materia:

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Energia (MeV)

Penetrazione in aria (cm)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Penetrazione in acqua (cm)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Energia (MeV)

Penetrazione in aria (cm)

radiazione β in aria e acqua radiazione α in aria

Particelle da 1 MeV

Intensità residua dopo un certo spessore di assorbitore

(10)

Rivelatori di particelle

I rivelatori di particelle sfruttano gli effetti dovuti all’interazione delle particelle con la materia.

Ionizzazione

Gli elettroni prodotti per ionizzazione vengono raccolti per mezzo di

opportuni campi elettrici e concorrono a formare un segnale elettrico che viene poi misurato

Produzione di luce

La luce prodotta da molecole

organiche o cristalli inorganici che si diseccitano viene raccolta e

trasformata in un segnale elettrico che viene poi misurato

rivelatori a gas

rivelatori a semiconduttore contatori Geiger

rivelatori a scintillazione organici rivelatori a scintillazione inorganici

(11)

Rivelazione e misura dell’energia dei γ

137 Cs

sorgenti multiple

Solo gli elettroni (carichi) producono un segnale nel rivelatore.

Solo i γ che producono un effetto fotoelettrico cedono tutta la loro energia ad una particella carica (l’elettrone) che, a sua volta, la cede al rivelatore.

Se un γ produce un elettrone per effetto

Compton e poi esce dal rivelatore, solo una parte

(12)

Dosimetria

Misura dell’energia assorbita dalla materia a seguito dell’interazione con la radiazione nucleare:

Dose (Gy) = Energia (J) Massa (kg)

Gray

Gli effetti biologici delle radiazioni dipendono anche da quanta energia è rilasciata nell’unità di lunghezza (LET = linear energy transfer). Di questo viene tenuto conto tramite un parametro, il QF (quality factor):

Dose equivalente (Sv) = QF x Dose (Gy)

Sievert

α: QF = 20

β : QF = 1 ÷ 5

γ : QF = 1

(13)

Rischio da radiazioni

Dose (Sv)

Rischio di tumore

Problemi a basse dosi

Ad alte dosi:

~ 4 x 10^-5 mSv^-1

Il rischio da radiazioni è essenzialmente dovuto alla ionizzazione del DNA che ne provoca la rottura e la conseguente ricombinazione, con possibilità di sviluppo di cellule tumorali.

(14)

Raggi cosmici

Nelle stelle più grandi si formano per fusione nucleare tutti gli elementi fino al Ferro.

Quando l’energia prodotta dalla stella per fusione nucleare non bilancia più l’energia gravitazionale la stella esplode (supernova) espellendo i nuclei degli strati più esterni. Questi nuclei arrivano fino alla Terra e vengono chiamati raggi cosmici.

Interagendo con l’atmosfera, i raggi cosmici producono sciami di particelle che decadono in seguito in elettroni e muoni. Questi costituiscono praticamente tutta la radiazione che arriva alla superficie terrestre.

Il campo magnetico terrestre riflette la componente a bassa energia della radiazione cosmica --> ai poli c’è più radioattività dovuta a raggi cosmici che all’equatore.

Ai raggi cosmici è associata una dose di circa 0.3 mSv/anno per persona. Questa dose sale di un fattore circa 5 all’altitudine di 10000 m.

(15)

Rado

Radiazione naturale (radioisotopi, raggi cosmici): circa 4 mSv/anno

Rischio nella vita: 75x4x4x10^-5=1.2x10^-2di contrarre un tumore a causa delle radiazioni naturali.

durata

di vita mSV/anno rischio

56%

11%

8%

17%

Rado

Altri radionuclidi interni Radionuclidi esterni Raggi cosmici Sorgenti artificiali

Il Rado (²²²Rn) fa parte della catena radioattiva naturale dell’²³⁸U, ed è un gas nobile. Quando viene prodotto nel terreno può risalire alla superficie e decadere producendo ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi che sono emettitori α a breve vita media. Questi ultimi si attaccano al particellato che, se sufficientemente grosso (>10 µm) viene trattenuto in gola. Le particelle α qui emesse colpiscono una zona limitata dell’organismo depositando quindi una dose elevata.

Il Rado può concentrarsi negli ambienti chiusi per emissione dal suolo, dai materiali da costruzione o dall’acqua di falda e contribuire in modo significativo alla dose assorbita dalla popolazione.

Mediamente la dose assorbita da una persona è composta da:

(16)

Energia nucleare

fissione

fusione

190 MeV/ fissione = 0.8 MeV/nucleone

3.5 MeV/nucleone energia prodotta

(17)

2. Interazione della radiazione con la materia 3. Dosimetria

Radioisotopi e dosimetria

1. Radioisotopi naturali

2. Interazione della radiazione con la materia 3. Dosimetria

4. Energia nucleare

Radioattività naturale

La radioattività che troviamo in natura può avere tre sorgenti:

1. Primordiale - esistente fin dalla formazione della Terra

2. Cosmogenica - risultante dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera 3. Umana - prodotta o concentrata come risultato delle attività dell’uomo

Radionuclide Simbolo Tempo di

dimezzamento

Attività naturale

Uranio 238

U 4.47x10

anni 25 Bq/kg di suolo

Uranio 235

U 7.04x10

anni 0.72% dell Uranio

238

Torio 232

Th 1.41x10

anni 40 Bq/kg di suolo

Potassio 40

K 1.28x10

anni

400 Bq/kg di suolo

Radionuclidi primordiali

Le serie naturali

N

λ

=N

λ

N

/N

= τ

/ τ

USA

Radionuclidi cosmogenici

Radionuclide Simbolo Tempo di dimezzamento

Sorgente Attività naturale

Carbonio 14

C 5730 anni

Interazione di raggi cosmici su azoto

220 Bq/kg in materiale organico

Trizio

H 12.3 anni

Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno

1.2x10

Bq/kg

Berillio 7

Be 53.3 giorni

Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno

0.01 Bq/kg

Radionuclidi di origine umana

Interazione della radiazione con la materia

Linear energy transfer (LET)

dE

dx ! "

dE

dx ! z

dE

dx ! 1

#

per # < 0.95 ( $ < 3)

Penetrazione

Rivelatori di particelle

Rivelazione e misura dell’energia dei γ

137 Cs

sorgenti multiple

Dosimetria

Dose (Gy) = Energia (J) Massa (kg)

Dose equivalente (Sv) = QF x Dose (Gy)

α: QF = 20

β : QF = 1 ÷ 5

γ : QF = 1

Rischio da radiazioni

Raggi cosmici

Rado

Energia nucleare

fissione

2.  Interazione della radiazione con la materia 3.  Dosimetria

1.  Radioisotopi naturali

2.  Interazione della radiazione con la materia 3.  Dosimetria

4.  Energia nucleare

1.  Primordiale - esistente fin dalla formazione della Terra

2.  Cosmogenica - risultante dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera 3.  Umana - prodotta o concentrata come risultato delle attività dell’uomo

^per # < 0.95 ( $ ^{< 3)}