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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Schemi di decadimento, 226Ra e 40K
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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/e
Il tempo di dimezzamento indica dopo quanti
tempo ho la meta’ degli atomi iniziali
t1/2 =  ln2 = 0.693 
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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), 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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La Radiazione Cosmica
Sorgenti
Interazione con l’Atmosfera
Distribuzione Energetica
Una Finestra sull’Universo
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Sorgenti e natura dei raggi cosmici
I raggi cosmici primari sono neutrini, fotoni, elettroni, protoni,
nuclei, di energia variabile su un grandissimo numero di ordini di
grandezza, provenienti dalle reazioni che avvengono all’interno e/o
sulla superficie delle stelle, delle pulsar, dei buchi neri, dei nuclei
galattici attivi, etc…
I raggi cosmici di energia più bassa provengono dal Sole (vento
solare) o in generale dall’interno della Via Lattea. Il campo magnetico
intergalattico trattiene all’interno di ogni galassia tali raggi.
I raggi cosmici di energia più elevata provengono da galassie
lontane nel tempo e nello spazio, e la loro origine è ancora incerta.
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Interazione dei cosmici con l’atmosfera
Interagendo con gli strati più alti dell’atmosfera, i raggi cosmici
danno origine a sciami di particelle ionizzanti secondarie: oltre ad
elettroni, positroni, protoni, fotoni ci sono mesoni p (pioni), i quali
successivamente decadono in muoni e neutrini. Al livello del mare,
solo 3% dei cosmici carichi sono protoni e 0.3% sono pioni.
L’intensità di radiazione cosmica dipende fortemente da latitudine
(per effetto del campo magnetico terrestre) ed altitudine (evoluzione
dello sciame) . Mediamente a terra si hanno circa 100 m/m2s-1,
corrispondenti ad una dose di 0.1mSv/anno.
Radiazione cosmica ad alta quota: 63mSv per volo Londra-Chicago.
Sullo Skylab: 0.5 mSv/giorno !
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Lo spettro dei raggi cosmici
Lo spettro energetico dei raggi
cosmici si estende dalle decine
fino a 100 mila miliardi di MeV.
Il flusso di questi raggi è
inversamente proporzionale al
cubo della loro Energia.
La spiegazione di questo
spettro è ancora ignota!
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Rivelazione di raggi cosmici (1)
Bassa Energia (vento solare): le
Aurore Boreali sono prodotte
dall’interazione del vento solare con
atomi di Ossigeno
Energia Intermedia (1015-16 eV):
Rivelatore di sciami estesi
atmosferici in Namibia (HESS)
Altissima Energia (1019-21 eV):
Rivelatore ibrido di muoni e di
fluorescenza atmosferica, in
Argentina (AUGER)
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Rivelazione di raggi cosmici (2)
Bassa Energia (vento solare): le
Aurore Boreali sono prodotte
dall’interazione del vento solare
con atomi di Ossigeno
Energia Intermedia (1015-16 eV):
Rivelatore di sciami estesi
atmosferici in Namibia (HESS)
Altissima Energia (1019-21 eV):
Rivelatore ibrido di muoni e di
fluorescenza atmosferica, in
Argentina (AUGER)
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Rivelazione di raggi cosmici (3)
Bassa Energia (vento solare): le
Aurore Boreali sono prodotte
dall’interazione del vento solare
con atomi di Ossigeno
Energia Intermedia (1015-16 eV):
Rivelatore di sciami estesi
atmosferici in Namibia (HESS)
Altissima Energia (1019-21 eV):
Rivelatore ibrido di muoni e di
fluorescenza atmosferica, in
Argentina (AUGER)
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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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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.
5 aprile 2011
Che cosa è successo
a Fukushima ?
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Terremoto e Tsunami
11 marzo 2011
magnitudine 9.0
Onde di 38 m, penetrate 10 km
12000 morti, 15000 dispersi,
125000 edifici danneggiati
Uno dei 5 terremoti
conosciuti più forti
Difficile capire cosa capita
General Electric
Evoluzione
Earthquake 8.9: si spegne tutto, le barre di controllo scendono, la reazione si ferma
Il raffreddamento adesso deve rimuovere il 3% del calore normale
Il reattore non produce più energia, quindi si deve usare la rete elettrica, che non
funzionava più
Generatori diesel sono entrati in funzione, tutto procede nel verso giusto: arriva lo
tsunami, e porta via tutti i generatori diesel
Si passa alle batterie, che tengono il sistema in funzione per 8 ore
Si portano dei generatori diesel su camion, ma la presa(!!!) non era compatibile
A questo punto le cose si fanno serie, le batterie finiscono ed il calore cresce: se non si
raffredda, l’uranio si fonde…
Priorita’ prima e’ di mantenere intatto l’edificio interno, quello capace di contenere
l’uranio fuso: l’acqua bolle, la pressione sale (pentola a pressione). Si usano valvole di
emergenza per far uscire il vapore dalla parte. Probabilmente circa 550 gradi all’interno
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Evoluzione
Possibilmente questa e’ la cause delle prime notizie di radiazione, sono azoto ed altri
gas, non pericolosi
Probabilmente l’operatore decide di mandare il vapore non all’esterno, ma all’interno
dell’edificio esterno: il calore era cosi’ alto che l’acqua si e’ dissociata in idrogeno,
appena arriva all’esterno esplode (oppure rilascio accidentale di idrogeno) Peccato per
gli uffici…
OK, adesso non abbiamo più l’edificio esterno, ma non e’ un problema, e’ inutile. Pero’
la temperatura aumenta, e l’acqua evapora. Dopo un po’ le barre di combustibile sono
esposte, ed si rompono (2200 gradi)
Alcune parti del rivestimento, che contengono Cesio e Iodio, si mischiano con l’aria e
vengono rilasciate all’esterno ogni volta che si aprono le valvole di sicurezza (non
ancora l’uranio, che fonde a 3000)
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Evoluzione
Cesio e Iodio dicono ai tecnici che si sta per fondere l’uranio
Si decide di usare acqua di mare (!!) al posto di acqua demineralizzata (che diventa
leggermente radioattiva a causa del sale che contiene
Questo previene la fusione ulteriore del nocciolo (si è anche aggiunto boro all’acqua per
assorbire neutroni)
Probabilmente adesso la situazione è stabile
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Rilascio di radiazione
- Attraverso il “venting” del vapore
- Attraverso l’acqua di mare usata per il raffreddamento
di emergenza e poi dispersa in mare (sia intenzionalemente, sia non)
- Esposizione del “spent fuel” all’atmosfera ?
Iodio 131
Cesio 137
Dose e contaminazione
4 Aprile (IAEA)
0.7-> 12.5 μSv/ora
fondo 0.2 μSv/ora
On 2nd April, deposition of iodine-131 was detected in 7 prefectures ranging from 4 to 95 becquerel per
square metre. Deposition of cesium-137 in 6 prefectures was reported on 2nd April ranging from 15 to 47
becquerel per square metre. Reported gamma dose rates in the 45 prefectures showed no significant changes
compared to yesterday.
Fukushima prefecture results of beta-gamma contamination measurements ranged from 0.09 to 0.46 Mbq per
square metre
una banana da 150g è una sorgente di K40 da 20 Bq
Cernobil: 400,000 persone esposte a 0.55 MBq m-2 of 137Cs
In mare
Alte concentrazioni nei pressi della centrale
Diluizione .... ?
44 μg/kg of cesium-137 lethal
(140 MBq)
Cosa ci possiamo aspettare nei prossimi anni ?
Si stima che la popolazione sarà esposta a una dose
circa 10 volte minore rispetto a Cernobil
Effetti inconfutabilmente accelerati dopo Cernobil:
- 6000 tumori alla tiroide
- I “liquidatori” hanno subito dosi equivalenti a
10 anni di fumo (500,000) esposti a 30mSv e
subiscono quindi aumentato rischio di tumore
_Stimato_ aumento di 4000 tumori sui 100000
“normali”