Misura della radioattività di
fondo naturale
L’ambiente in cui viviamo è continuamente attraversato da una grande varietà di particelle
subatomiche e radiazioni elettromagnetiche di energia variabile in un ampio spettro. Queste
radiazioni possono avere origine naturale o artificiale. Alla prima categoria appartiene, oltre alla
radiazione cosmica, la radioattività primordiale contenuta principalmente nelle rocce.
La terra è formata dal materiale prodotto nella nucleosintesi stellare, che grazie ai processi di
cattura protonica, alpha e neutronica è riuscita a produrre tutti gli elementi chimici presenti
sulla terra. In questo modo si producono anche molti isotopi radioattivi, che poi, con tempi di
dimezzamento più o meno lunghi, decadono in nuclidi, stabili o radioattivi anch’essi,
principalmente attraverso emissioni di particelle alpha (ioni di elio carichi 2+), beta+ oppure beta(elettroni o positroni) seguite da radiazione X (fotoni che vengono emessi a seguito del
riarrangiamento della configurazione elettronica dell’atomo) o gamma (fotoni energetici che
vengono emessi dalla diseccitazione verso lo stato fondamentale degli stati eccitati del nucleo
“figlio”). Alcuni di questi isotopi radioattivi, come 238U, 235U, 232Th e 40K, hanno vita media molto
lunga, paragonabile all’età del sistema solare (circa 4.5 miliardi di anni), per cui nelle matrici
delle rocce terrestri è presente un’abbondanza di questi elementi diversa da zero. Tutti questi
radionuclidi producono una radiazione di fondo g le cui componenti possono essere riconosciute
utilizzando un rivelatore di fotoni ad alta risoluzione.
Sottoponendo alla stessa tecnica un campione di roccia si può eseguire su di esso un’analisi
quantitativa, previa misura dell’efficienza di rivelazione per la data tipologia di campioni..
Abbondanza relativa degli elementi nel sistema solare
0
1E+11
1
H
1E+10
50
H,He
Big Bang
100
150
200
250
1.E+11
1.E+10
C
He
AGB stars
2
Abundance relative to 10 6 Si
1E+09
1E+08
C
20
Ne
1E+06
56
Fe
40
1E+05
1.E+08
-elements
Type II SN
12 16O
1E+07
1.E+09
Ca
1E+04
1.E+07
Fe-peak
Type I SN
1.E+06
N=82
r-process peak
Type II SN
1E+03
1E+02
1E+01
118
Sn
N=82
s-process peak
AGB stars
1.E+05
N=126
s-process peak
AGB stars
N=126
r-process peak
Type II SN
Ba
208
195
1.E+03
1.E+02
1.E+01
138
1E+00
1.E+04
Pt
1E-01
Pb
232
1.E+00
Th 238
U
235
U
1.E-01
1E-02
1.E-02
1E-03
1.E-03
0
50
100
150
200
250
Mass Number
In figura sono mostrate le abbondanze relative di tutti gli elementi chimici al momento
della formazione della terra.
Inoltre, sono indicati i siti astrofici dove i gruppi di elementi considerati sono
maggiormente prodotti.
Spettroscopia gamma
La spettroscopia gamma è lo strumento più adatto a studiare le proprietà dei nuclei radioattivitvi e più, in
generale, dei nuclei eccitati, per determinarne lo schema di decadimento e guadagnare informazioni sulle
proprietà dei nuclei.
Nella prova di laboratorio utilizzeremo un rivelatore al germanio iperpuro (HP-Ge) fig. 1, accoppiato ad una
catena elettronica standard per spettrometria gamma: alimentatore, pre-amplificatore, amplificartore
spettroscopico e multicanale per acquisire gi spettri (HV, PA, SA, MCA) fig 2 e 3. Ci proponiamo di misurare la
radizione di fondo rivelabile per mezzo del HpGe e quella emessa da diversi campioni di roccia, per
caratterizzarne le caratteristiche peculiari. Per misurare la debole radiazione emessa dai nostri campioni di
roccia utilizzeremo uno schermo passivo di piombo fig. 4.
Fig. 2
Fig. 1
Fig. 3
Fig. 4
Catena elettronica
HV
PA and SA
MCA
Computer
Esempio di spettro di fondo
214Pb
208Tl
40K
214Bi
214Bi
232Th
Conoscenze necessarie
Fisica
• metodi di rivelazione di radiazione di bassa intensità;
• schemi di livelli nucleari.
Tecniche di misura
• tecniche spetroscopiche;
• risoluzione ed efficienza di un rivelatore;
• proprietà di un rivelatore al germanio;
• calibrazione energetica di spettri gamma.
Tecniche di analisi
• Metodo dei minimi quadrati;
• Fit di picchi;
• Determinazione e sottrazione del fondo.
Referenze bibliografiche
• Knoll H.G. : Radiation Detection and Measurements, John Wiley & Sons, New York
1989;
• Lilley J. : Nucear Physics, principles and applications, John Wiley & Sons, 2001