radioattivita/radioattivita-naturale-e-artificiale La …meddif/LabMecMaterialeDid...3 RAGGI COSMICI - Particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposta

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http://www.isprambiente.gov.it/it/temi/radioattivita-e-radiazioni/radioattivita/radioattivita-naturale-e-artificiale

La radioattivitLa radioattivitàà può avere unpuò avere un’’origine origine sia artificiale che naturale.sia artificiale che naturale.

La radioattivitLa radioattivitàà artificiale artificiale èè quella che si genera a seguito di attivitquella che si genera a seguito di attivitàà umaneumane:

- produzione di energia nucleare, - apparecchiature mediche per diagnosi e cure,- apparecchiature industriali, - attività di ricerca, - …, - … attività legate alla produzione di materiale bellico.

Tutte le attivitTutte le attivitàà sono rigorosamente regolate da sono rigorosamente regolate da legislazioni nazionali.legislazioni nazionali.

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RadioattivitRadioattivitàà naturalenaturaleè dovuta alla presenza di radiazioni provenienti dal cosmo,alle interazioni tra queste e l’atmosfera e alla presenza di molti elementi radioattivi esistenti findalle origini della terra, che non si sono ancora trasformaticompletamente e ancora non hanno raggiunto lo stato di stabilità finale.

Questi elementielementi sono presenti ovunquepresenti ovunque nell’aria, nel suolo, nelle acque e perfino nel nostro corpo.

Alcune determinate attività produttive che utilizzano materialinaturali possono dar luogo, durante i processi di lavorazione, acondizioni di esposizioni non trascurabili dei lavoratori o della popolazione, ad esempio per effetto del contenuto iniziale di radioattività naturale o per la produzione di residui nei quali alcuni elementi si concentrano.

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RAGGI COSMICIRAGGI COSMICI

- Particelle energetiche provenienti dallo spazio esternospazio esterno, alle quali è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti.

-- OrigineOrigine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e supernovae, fino ad oggetti remoti come i quasar

In mediaIn media sulla superficie della terra:

≈≈ 1 particella 1 particella ““μμ”” / (cm/ (cm22 x minuto)x minuto)

http://http://it.wikipedia.orgit.wikipedia.org//wikiwiki//Raggi_cosmiciRaggi_cosmici

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La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terraraggi cosmici che arrivano sulla Terrasono prodotti secondari di sciami formati nell'atmosferasono prodotti secondari di sciami formati nell'atmosfera dai raggi cosmici primari, con interazioni che tipicamente produconouna cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica.Nei casi in cui manchi lo schermo dellaatmosfera, come nei satelliti artificialisatelliti artificiali, l'elettronica di bordo deve essere irrobustitae schermata pena malfunzionamenti, e nel caso di missioni con equipaggio umano gli astronauti stessi sono sottoposti al bombardamento di raggi cosmici che possonobombardamento di raggi cosmici che possonoavere effetti ionizzanti sui tessuti biologici.avere effetti ionizzanti sui tessuti biologici.

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Studi indipendenti e contemporanei del 1907Studi indipendenti e contemporanei del 1907--1012 poterono1012 poteronoescludere lescludere l’’origine terrestre della radiazione cosmicaorigine terrestre della radiazione cosmica: :

-- Domenico Domenico PaciniPacini, esperimenti fra il 1907 e il 1911,, esperimenti fra il 1907 e il 1911,

studiando nelle acque marine di Livorno e in quelle del studiando nelle acque marine di Livorno e in quelle del lago di Bracciano, registrò la diminuzione della lorolago di Bracciano, registrò la diminuzione della lorointensitintensitàà all'aumentare della profonditall'aumentare della profonditàà..

-- Victor Franz HessVictor Franz Hess, esperimenti fra il 1911 e il 1912, , esperimenti fra il 1911 e il 1912,

registrò l'aumento dell'intensitregistrò l'aumento dell'intensitàà delle radiazioni con delle radiazioni con l'altezza per mezzo di un pallone aerostatico.l'altezza per mezzo di un pallone aerostatico.

Victor Hess vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936 Victor Hess vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936 per le sue ricerche nel campo della radiazione per le sue ricerche nel campo della radiazione cosmicacosmica………… PaciniPacini era morto da due anni e dunque non era eleggibile.era morto da due anni e dunque non era eleggibile.

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Cenni di RadioattivitCenni di Radioattivitàà: : ““gergogergo””

Esistono particolari nuclei nuclei (numero di massa AA) denominatiinstabiliinstabili che hanno un rapporto tra numero di protoni (numeroatomico ZZ) e numero di neutroni (N N = A-Z)troppo alto o troppo basso rispetto a quello deitroppo alto o troppo basso rispetto a quello dei nuclei stabilinuclei stabili.

Questi nuclei instabili si trasformano tramite processi di decadimento radioattivodecadimento radioattivo, spesso anche con “più passaggisuccessivi”, fino a produrre nuovamente un nucleo stabile.Si distinguono tre categorie di decadimenti: αα, ββ, γγ.

Si parla di radiazioni radiazioni ionizzantiionizzanti, nel senso che sono abbastanzaenergetiche da ionizzare gli atomi del mezzo con cuiInteragiscono nell’attraversarlo…… se è materia viventemateria vivente potrebbero così anche danneggiarla…… anche i circuiti integraticircuiti integrati possono essere danneggiati!

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Energia di legame per nucleoneEnergia di legame per nucleone per tutti i nuclei, per tutti i nuclei, tranne i pitranne i piùù leggeri, leggeri, ≈≈ 8 8 MeVMeV / A/ A

“fusione” “fissione”

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Una visualizzazione dei decadimentiUna visualizzazione dei decadimenti

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Esempio di decadimento alfa (Esempio di decadimento alfa (αα):):

Z Z Z Z –– 22A A A A -- 44

Esempio di decadimento beta (Esempio di decadimento beta (ββ−−):):

Z Z Z + 1Z + 1A A AA

Esempio di decadimento beta inverso (Esempio di decadimento beta inverso (ββ++):):

Z Z Z Z -- 11A A AA

e

e

eNC

epn

ν

ν

++→

++→−

−

147

146

)(

HeThU 42

23090

23492 +→

e

e

eCN

enp

ν

ν

++→

++→+

+

126

127

)(

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Esempio di decadimento gamma (Esempio di decadimento gamma (γγ):):

Z Z ZZA A AA

Esempio di emissione di neutroni nelle reazioni di fissione:Esempio di emissione di neutroni nelle reazioni di fissione:

γ+→ CC 136

*136

)(2 10

9740

13652

23592 nZrTeU ++→

52400

__92

136972

____235

Z Z Z1 + Z2 + 0Z1 + Z2 + 0 A A A1 + A2 + 2A1 + A2 + 2

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Legge del decadimento radioattivo:Legge del decadimento radioattivo:

Il decadimento radioattivo è un processo statistico a probabilità costante (indipendente dal tempo).Il numero N(t)N(t) di nuclei radioattivi rimasti diminuisce nel tempo con legge esponenziale decrescente

Se all’istante t = 0 (che è l’istante iniziale della misurazione)un campione di materia contiene N(0)N(0) nuclei radioattivinuclei radioattivi, ad un istante di tempo t successivo, il numero N(t)N(t) di nuclei superstiti sarà dato da

N(t) = N(0) N(t) = N(0) expexp((--t/t/τ)τ)

ττ = vita media = vita media del nucleodel nucleo.

TT1/21/2 = periodo di dimezzamento= periodo di dimezzamento

693.0)2ln(21 ×≅×= ττT

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Esempio:

CsCs--137137 ττ = 43.6 anni ; TT1/21/2 = 30.2 anni= 30.2 anni

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Esempio:

SeSe una certa zonazona è inquinatainquinata dal CesioCesio--137137,

Dopo circa 30 anni, Dopo circa 30 anni, l’inquinamento si sarà ridotto a 1/21/2 del valore iniziale;

Dopo circa altri 30 anni, cioDopo circa altri 30 anni, cioèè dopo 60 anni,dopo 60 anni,la radioattività si ridurrà a 1/41/4 del valore iniziale;

… occorrono circa 200 anni200 anniperché la contaminazione scenda a 1/1001/100 del valore originale!

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AttivitAttivitàà del campione radioattivo:del campione radioattivo:

La grandezza fisica che descrive l’intensità con cui avvengono i decadimenti radioattivi, prende il nome di attività AA del campione.

L’attività misura il numero di decadimenti che avvengononumero di decadimenti che avvengononellnell’’unitunitàà di tempo.di tempo.

…… ll’’attivitattivitàà cresce cresce allall’’aumentare del numero di nuclei radioattivi presenti aumentare del numero di nuclei radioattivi presenti

…… ll’’attivitattivitàà diminuiscediminuisceallall’’aumentare della vita media aumentare della vita media ττ del nuclide stesso.del nuclide stesso.

τττ)(|)1()exp()0(||)(|)( tNtN

dttdNtA =−×−×==

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Nel sistema S.I. l’unitunitàà di misura delldi misura dell’’attivitattivitàà è il becquerel

(BqBq): 1 Bq è l’attività di un campione radioattivo che subisce 1 decadimento / secondo … (1 Hz)

Vecchia unitVecchia unitàà praticapratica per l’attività: “Curie” … (1Ci1Ci)

definita come l’attività di 1g di radio 226226Ra → 222Rn + 4He

1 1 CiCi = 3.70 x 10= 3.70 x 101010 decadimenti / secondo = 37 decadimenti / secondo = 37 GBqGBq

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Misura della quantitMisura della quantitàà di radiazione assorbita da un corpo:di radiazione assorbita da un corpo:

Ci sono due grandezze fondamentali che descrivono l’assorbimento di radiazione:

1) Dose assorbita D da un corpo di massa M: Dose assorbita D da un corpo di massa M: D = D = ΔΔE/ME/M

ΔΔEE : quantità di energia rilasciata nel corpoMM : massa del corpo ove viene rilasciata energia

Nel sistema S.I.sistema S.I. la dose assorbita si misura in gray (GyGy). 1 Gy = 1 J / 1 kg

… la dose assorbita in un dato intervallo di tempo si misura in Gy/s o spesso anche in Gy/year.

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Tuttavia, a parita paritàà di dose assorbita Ddi dose assorbita D, se questa dose èdovuta a tipi di radiazioni diverse, allora i danni biologicidanni biologicipotranno essere diversidiversi. Si parla pertanto di Dose Equivalente.

2) Dose equivalente Dose equivalente H = D x Fattore numericoH = D x Fattore numerico

Fattore numericoFattore numerico dipende dagli effetti che le diverse radiazioni hanno sugli organismi.

… Per definizione, Fattore numerico = 1 per la radiazione e. m. (raggi XX e raggi γγ) e risulta = 1 anche per gli elettroni; … Fattore numerico = 20 per particelle α

Nel sistema S.I.sistema S.I. l’unità di misura della dose equivalente è il sievert (SvSv).… La dose equivalente in un dato intervallo di tempo si misura in

Sv / sSv / s o anche in Sv / Sv / yearyear.

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Valori tipiciValori tipici delle grandezze fisiche DD e HH

La dose equivalente Hdose equivalente H, è la grandezza rilevante dal punto di vista degli effetti biologici.

Il fondo naturale di radioattivitfondo naturale di radioattivitàà varia da luogo a luogo ma ha come ordine di grandezza ordine di grandezza ≈≈ 1 1 -- 2 2 mSvmSv/y/y.

Esso è dovuto a diversi fattoridovuto a diversi fattori:

radioattivitradioattivitàà naturalenaturale- del suolo; - dei materiali da costruzione;- eventuale presenza di gas radongas radon;- presenza di Nuclidi radioattivi nel corpo umanonel corpo umano;

(essenzialmente: 14C e 40K)-- raggi cosmiciraggi cosmici.

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Assorbimento di radiazioni nella diagnostica medica Assorbimento di radiazioni nella diagnostica medica

ordini di grandezza:ordini di grandezza:

Altre dosi equivalenti per attivitdosi equivalenti per attivitàà quotidianequotidianeche implicano un aumento di esposizione ai raggi cosmici:

Viaggio aereo … 0,05 mSv / h

Permanenza ad alte quote … 1-1,5 mSv / y.

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Il radon e’ l’unico gas radioattivo a temperatura ambiente

Isotopi del radon: 223Rn 223Rn 219Rn

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26Metodo efficace fino a 10 x T1/2 ≈ 60000 anni