La misura della radioattivita’
Nicolo` Cartiglia
INFN
Istituto Nazionale Fisica Nucleare
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Atomi stabili ed instabili
L’atomo e` fatto da un nucleo ed elettroni
Il nucleo e` fatto da neutroni e protoni
Alcuni nuclei sono stabili, altri instabili perche` la
combinazione di protoni e neutroni non e`
“corretta”
Il numero di protoni (Z) determina l’elemento (H,
He,….U)
Il numero di protoni+neutroni determina l’isotopo
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Perche` alcuni nuclei sono stabili
La stabilita` di un nucleo dipende dal suo numero
di protoni e neutroni
Ci sono dei numeri magici, N o Z uguale ad 2, 8,
20, 28, 50, 82, ed 126 che corrispondono alla
chiusura delle orbite nucleari ed aumentano la
stabilita` del nucleo.
Isotopi che hanno un numero magico di protoni e
neutroni sono particolarmente stabili.
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Nuclei instabili e radioattivita` a e b
Un nucleo si puo’ trasformare spontaneamente in un’altra
specie (altro elemento chimico)
Posso avere le seguenti trasformazioni:
Decadimento b-: neutrone diventa protone, con emissione
di elettrone
Decadimento b+: protone diventa neutrone, con
emissione di positrone
Decadimento a: emissione di un nucleo di Elio
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Nuclei instabili e radioattivita’ g
Il nucleo figlio spesso rimane in uno stato
eccitato, dal quale esce emettendo
radiazione g (fotoni) e diventando stabile
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Decadimento a
 Avvengono negli elementi piu’ pesanti
 Le particelle a sono emesse con una energia
ben determinata
 I figli decadono poi g in 10-10s circa
 In genere anche il nucleo subisce un
movimento

 il nucleo scappa via
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Decadimenti b
Se il nucleo ha un eccesso di neutroni, fara’ un
decadimento b- con la reazione:
np+e-+n (antineutrino)
Se il nucleo ha un eccesso di protoni, fara’ un
decadimento b+ con la reazione:
pn+e++n (neutrino)
Cambia il numero atomico ma rimane uguale il
numero di massa
L’energia degli elettroni e` un continuo
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Emissione g
 I raggi g sono fotoni emessi da un nucleo in
stato eccitato
 In genere ho la diseccitazione in 10-10s
 Posso andare allo stato fondamentale in una
o piu’ emissioni di fotoni
 L’energia varia da 50 keV a 3 MeV, con
energia ben determinata in ogni processo
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Schemi di decadimento, 226Ra e 40K
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Mappa dei nucleidi
Numero di neutroni
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Origine dei nuclei radioattivi
Primordiali: creati nella sintesi degli elementi costituenti
della terra
Cosmogenici: creati in elementi terrestri ed extra-terrestri
dai raggi cosmici
Artificiali: creati in reattori nucleari, bombe e acceleratori
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Elementi primordiali
Hanno vita media paragonabile alla vita
della terra (Terra >4.5x109 anni, Universo
>15 x109)
Sono in equilibrio secolare con un genitore
appartenente ad una delle 3 famiglie
radioattive:
232Th
235U
238U
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Elementi cosmogenici
I piu’ importanti sono:
3H
14C
Entrambi sono prodotti nella stratosfera dai
raggi cosmici
Sono importanti in geofisica
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Legge del decadimento radioattivo (1)
La probabilita` che un atomo si disintegri e`
proporzionale a dt:
P = l dt
dove la costante di decadimento l e` caratteristica
del nuclide.
Notare: un’atomo ha sempre la stessa probabilita` di
decadere, non importa da quanto tempo esiste.
Come i numeri della lotteria: i “ritardatari” non
sono piu` probabili….
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Legge del decadimento radioattivo (2)
La vita media
 = 1/l
Indica dopo quanto tempo il numero di atomi rimasto
e` N0/2.7
Il tempo di dimezzamento indica dopo quanti
tempo ho la meta’ degli atomi iniziali
t1/2 =  ln2 = 0.693 
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Equilibrio secolare
Ho una reazione a catena in cui:



A e’ un nuclide radioattivo a lunghissima vita media
B, figlio di A, e’ radioattivo a breve vita media
C, figlio di B, e’ stabile
Se parto da un campione puro (NB=0), al tempo t
avro’:
lBNB= lANA(1-e-lBt)
Asintoticamente l’attivita’ di B e’ uguale
all’attivita’ di A
equilibrio secolare
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Equilibrio secolare (figura)
Dopo 6.6  il rate di B e’ il 99.9% del suo
rateo di disintegrazione finale
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Unita` di misura
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Becquerel (Bq), Gray (Gy), Sievert (Sv)
1) Unita' di attivita' Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s
oppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 disintegrazioni/s
2) Unita' di Dose assorbita: Gray (Gy) che misura l'energia E assorbita
da un corpo di massa M -> D = E/M
1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x 1015 keV/kg
3) Unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv)
Dose equivalente = Dose assorbita × w
1 Sv = 1 Gy × w = 100 REM
ove w dipende dal tipo di radiazione :
w=1 per b (elettroni), g (fotoni) e muoni;
w = 20 per a.
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Radioattivita` naturale
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Che isotopi trovo nell’ambiente ?
Isotopi primordiali:
232Th
235U ; ma questo e’ solo circa 0.7%
trascurabile
238U
Potassio (0.0118 del K), pero’ molto abbondante
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Famiglia radioattiva
238U
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Radioattivita’ dalle rocce
Rateo di dose
in aria, 1m
sopra la
superficie
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Righe a,b,g dei nuclidi primordiali
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Variabilita’ locali
Dose assorbita
annualmente causata da
radiazione naturale,
espressa in mrem
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Radioattivita` dovuta ad attivita` umana
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Sorgenti principali di radioattivita`
indotta
Radiografie;
TAC;
Trattamenti radioterapeutici;
Emissione di centrali nucleari (in prima
approssimazione, non in Italia),
 Armamenti nucleari (DU).
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Dose naturale (04.-4 mSv/anno) e dose
indotta
1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv
(equivalente a circa 2 anni di radioattivita'
naturale.)
2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a
circa 20 anni di radioattivita' naturale.)
3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i
tumori):
Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio
sono distrutte.)
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Sorgenti di radiazioni
Dati USA:
82% naturale
18% artificiale
360 mRem = 3,6 mSv
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Radiazione: quanto “poco” e` poco?
A basse dosi (10 mSv/anno):
Ipotesi lineare: il rischio di cancro e` direttamente
proporzionale alla dose: rischio 0.00005/mSv
Se 100,000 persone ricevono una dose aggiuntiva di 1mSv,
5 avranno il cancro
Ipotesi a soglia: il rischio di
cancro aumenta solo per dosi
superiori ad un certo limite.
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1986: Chernobyl
Il piu` tragico incidente nucleare avvenne in un reattore
dal disegno sbagliato e mai usato al di fuori della Russia
Circa 100 morti immediate ed una forte evidenza di
un aumento del cancro alla tiroide nella regione
Radiazione in Europa: 1.2 mSv in piu`nella vita di 500
ml di persone a30,000 cancri mortali in piu` secondo
L’ipotesi lineare
(in aggiunta agli ~88 ml che avverranno)
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Superficialita` e Allarmismo
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Ipotesi lineare?
- La rottura di un ramo del DNA in due punti e` due volte piu`
pericolosa della rottura in un punto. Molti studi provano che non e`
vero, e` molto piu` pericolosa la rottura in due punti.
- Le persone di 80kg devono ammalarsi di cancro il doppio delle
persone di 40 kg (piu` massa, piu` radiazioni).
- Ogni giorno un milione di cellule si danneggiano (ne abbiamo
miliardi) per motivi chimici e circa una non si ripara e puo` generare
un cancro, le radiazioni causano circa una cellula non riparata ogni
500 giorni, raddoppiando la dose non cambia quasi il rischio di cancro
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Dose e danno biologico
L’esposizione alle radiazioni ionizzanti non e’ l’unica causa di
alterazioni del codice genetico: il normale metabolismo
cellulare induce mutazioni in misura di gran lunga
superiore!
Come fa il DNA a auto-ripararsi? La parola chiave e` la
RIDONDANZA dell’informazione genetica.
A parita’di dose ricevuta, il danno e` maggiore se il tempo
dell’esposizione e` breve, da consentire mutazioni
genetiche multiple sul DNA delle singole cellule. Molte
stime catastrofiche sulle future vittime di Cernobil sono
basate sui dati raccolti a Hiroshima e Nagasaki… con
evidenti sovrastime degli effetti.
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Dose, rateo e rischio di cancro
sopravvissuti
Malati in cura
Rischio di cancro mortale tra pazienti canadesi curati con radiazione per
altre malattie e sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica.
Uranio depleto (1)
 L'Uranio naturale e' presente in modo uniforme su tutta
la Terra in una frazione pari a 4 ppm (parti per milione) in
peso. Circa 1014 tonnellate nei primi 20 km di crosta terrestre
 E' presente quindi in molti minerali ma anche nell'uomo
per una quantita' pari a circa 20 mg.
 Peso specifico ~ 19 g/cm3, fonde a 1132 °C e bolle a 3818
°C numero atomico: Z = 92, numero di massa: A = 238
(99.3%) Isotopi : A = 235 (0.7%) e 234 ( 0.006%)
 Tempo di dimezzamento: U238 : 4.5 × 109 anni, U235 : 7.0
×108 anni, U234 : 2.4 × 105 anni
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Uranio depleto (2)
Uranio arricchito:
l'Uranio con una frazione di U235 superiore
allo 0.7% (frazione normalmente presente nell'Uranio naturale).
Per esempio: combustibili nucleari (1-3%), bombe atomiche (> 80%).
U235 viene usato perche' da' "fissione nucleare".
Uranio impoverito (DU): la quantita' di U235 e' inferiore allo 0.7%.
- applicazioni civili: volani, contrappesi in aviazione, schermature
per radiazione, leghe con acciaio (mazze da golf)
- applicazioni militari: proiettili, corazze per carri armati e elicotteri.
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La misura dell’Uranio con g
T1/2(238U) = 4.5*109 anni
T1/2(235U) = 7.0*108 anni
Eg(keV)
235U
238U
143.8
Branching
ratio(%)
11
185.7
57
Eg(keV)
Branching
ratio(%)
49.6
0.07
quindi con il 238 ho problemi a causa della debolezza della
riga
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Righe g dei nuclidi delle serie 232Th e 238U
232Th
238U
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