Simbologia: Il generico Nuclide relativo all’elemento chimico il cui simbolo sia X, che sia formato da A nucleoni (A numero di massa) di cui Z protoni (Z numero atomico) ed N (numero di neutroni) viene generalmente indicato con (vedi figura). Ovviamente dalla definizione A = Z + N. Spesso quindi N è omesso.
La Lezione è del Prof. G. Miele
Radioattività = trasformazione spontanea o indotta (→ radioattività naturale o artificiale) dei nuclei con emissione di radiazione
corpuscolare → particelle
elettromagnetica → energia
Quando si osserva un fenomeno radiattivo? Nei nuclei non compresi nella “valle di stabilità“:
Come si spiega intuitivamente l’eventuale instabilità? I nucleoni sono in continuo movimento e si scambiano continuamente energia. A seguito di questi casuali scambi di energia, può accadere che qualche nucleone acquisti energia cinetica sufficiente a sfuggire dal nucleo. Per far questo, bisogna che l’energia acquistata sia sufficiente a vincere la barriera di potenziale nucleare generata dall’interazione nucleare forte.
Nei nuclei stabili, a causa dell’energia di legame molto alta (barriera di potenziale negativo molto profonda) questo processo non può avvenire.
Nei nuclei instabili invece questo processo può avvenire casualmente con una certa probabilità.
La legge di equivalenza tra massa ed energia di Albert Einstein (E=m c2) asserisce che la massa di una particella è una forma di accumulo di energia. Ricordando inoltre che nei processi elementari l’energia nel suo complesso deve essere conservata ciò implica che non sono impedite le trasformazioni nelle quali via sia un passaggio di massa in energia e viceversa purchè quantitativamente non si vari l’energia totale in gioco.
Cosideriamo il generico nuclide (vedi figura) tale isotopo esiste se la sua massa è minore della somma delle masse dei suoi costituenti, ovvero M(X) < Z m(p) + N m(n) dove p e n indicano il protone ed il neutrone rispettivamente. Responsabile di tale difetto di massa è l’energia di legame che, essendo negativa, rende energeticamente conveniente l’unione tra i nucleoni a formare il nuclide dato. Tale identica considerazione, ma usata al contrario, si può applicare ai decadimenti di nuclidi.
I decadimenti sono impossibili se non sono energeticamente convenienti.
1 uma c2 = M(12C )/12 c2 = (1.66054 × 10-27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2
= 1.49242 × 10-10 kg (m/s)2 = 1.49242 × 10-10 J
× (1 MeV / 1.60218 × 10-13 J) = 931.49 MeV,
Trasformare in energia 1 uma → un rilascio di 931.49 MeV a disposizione degli elementi figli.
Per un protone significherebbe portarlo ad una velocità ~ 0.87 c
Attività di una sostanza radioattiva = n. decadimenti/s
→ rate – tasso (“velocità”, “frequenza”) di decadimento
Unità di misura SI: becquerel → 1 Bq = 1/s (dimensionalmente uguale all’hertz)
1 Bq = 1 decadimento al secondo → unità troppo piccola
Unità pratica: curie: attività di 1 g di radio
(decadimento α : 234 Ra → 230 Rn, … = 1620 anni) 1 Cu = 3.7 · 1010 Bq
Radioisotopo (decadimento) T1/2
3H (β) 12.33 anni
14C (β) 5730 anni
40K (β) 1.28•109 anni
60Co (β) 5.7 anni
137Cs (β) 30 anni
131I (β)? 8 giorni
222Rn (α) 3.82 giorni
235U (α) 7.04•108 anni
238U (α) 4.47•109 anni
In un organo o tessuto, la quantità di radioisotopo presente (es. inalato/ingerito) viene influenzata, oltre che dal decadimento radioattivo della sostanza, anche dal metabolismo dell’organo (escrezione, scambi liquidi/gassosi,…)
Tempo di dimezzamento biologico = Tb
Tempo di dimezzamento fisico = Tf
Tempo di dimezzamento effettivo = Te
1/Te = 1/Tf + 1/Tb → Te = (Tf•Tb)/(Tf+Tb)
Esempi: 131I: Tf = 8 gg, Tb = 8 gg → Te = 7.3 gg
3H: Tf = 12 anni, Tb = 10 gg → Te= 10 gg
Un rivelatore di particelle è un dispositivo che rivela la presenza di particelle, ed eventualmente altre grandezze, come l’energia cinetica. Nei rivelatori a gas se una particella che passa attraverso il gas ha un’energia sufficiente per ionizzarlo produce delle coppie elettrone-ione lungo la sua traccia. Queste coppie possono essere raccolte usando un campo elettrico, che fa migrare gli elettroni verso l’anodo, e gli ioni verso il catodo. La carica misurata in alcuni casi è proporzionale all’energia della particella. Il rivelatore di Geiger-Muller è un esempio di rivelatore a gas.
Quando una radiazione attraversa il tubo e colpisce una delle molecole del gas, la ionizza, creando una coppia ione-elettrone. Ma in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria. Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l’eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga. L’impulso elettrico risultante sarà testimone dell’avvenuto contatto con una radiazione ionizzante, e sarà contato da un circuito elettronico (i famosi “click” che si sentono). A seconda del numero di conteggi fatti in un’unità di tempo, riusciamo a capire se siamo in presenza di una sorgente radioattiva, e la sua pericolosità.
Misura di attività (contatore Geiger)
Scintillatore: Es: Ioduro di sodio attivato al Tallio. I raggi γ entrano nel cristallo, seguono una serie di interazioni attraverso le quali l’energia viene trasmessa ad elettroni che eccitano il Tallio che produce luce di scintillazione. Un tubo fotomoltiplicatore è un rivelatore elettronico di luce estremamente sensibile nell’ultravioletto, in luce visibile e nel vicino infrarosso. Il dispositivo è talmente sensibile da potere rilevare un singolo fotone. Il funzionamento del fotomoltiplicatore si basa principalmente su due effetti: l’effetto fotoelettrico e l’emissione secondaria (cioè l’elettromoltiplicazione). Il fotomoltiplicatore è costituito da un tubo in vetro al cui interno è stato praticato il vuoto, in cui è presente un anodo e diversi elettrodi che costituiscono i dinodi. I fotoni colpiscono attraverso una finestra di ingresso una superficie chiamata fotocatodo, ricoperta di uno strato di materiale che favorisce l’effetto fotoelettrico. A causa di questo effetto vengono emessi degli elettroni, chiamati fotoelettroni che sono focalizzati da un elettrodo verso lo stadio di moltiplicazione.
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