Un po' di fisica nucleare:
La radioattività
L’atomo
La radioattività
La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si
trasformano in altri emettendo particelle.
La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è
un fenomeno naturale, presente ovunque: nelle Stelle,
nella Terra e nei nostri stessi corpi.
• Il nucleo dell’atomo è composto da protoni
(carica elettrica positiva,+) e da neutroni
(carica nulla).
• L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è
circondato da elettroni (carica -), uguali in
numero ai protoni presenti nel nucleo.
La radioattività: isotopi
• La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi
chimici che conosciamo. Quello che cambia da un
elemento all’altro è il numero dei protoni e dei
neutroni che l’atomo contiene.
• Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato
“numero atomico” e si indica con la lettera Z.
L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O),
quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro,
quello con 92 p è l'uranio...
• Poiché in un nucleo di una data specie
possono essere presenti anche N neutroni,
la somma A=N+Z viene chiamata numero di
massa.
• I nuclei con lo stesso valore di Z ma
diverso valore di A (ossia, con un numero
diverso di neutroni) vengono chiamati
isotopi.
La radioattività: i decadimenti
Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili.
Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi
artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di
protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la loro
trasformazione spontanea in altri isotopi
accompagnata dall'emissione di particelle. Questi
isotopi sono detti isotopi radioattivi.
La trasformazione di un nucleo radioattivo porta
alla produzione di un altro nucleo, che può essere
anch'esso radioattivo oppure stabile.
Questa trasformazione è chiamata decadimento
radioattivo.
Di una certa quantità di sostanza radioattiva è
praticamente impossibile stabilire in che istante
decadrà il singolo atomo ma si può prevedere
statisticamente il decadimento complessivo di di
tutti gli atomi che compongono la quantità di
sostanza
La radioattività: la vita media
• Il tempo medio che occorre aspettare perché un
singolo atomo di un elemento radioattivo decada
viene detto “vita media” del radioisotopo e può
variare da frazioni di secondo a miliardi di anni.
Radiazioni alfa, beta e gamma
• Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi,
che si differenziano dal tipo di particella emessa a
seguito del decadimento. Le particelle emesse
vengono indicate col nome generico di radiazioni.
• alfa
• beta
• gamma
La radioattività – Decadimento a
• In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo
(Z,A) emette una particella a (= un nucleo di elio
= 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un
nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e
numero di massa (A – 4).
Le radiazioni a sono poco penetranti e
possono essere completamente bloccate da un
semplice foglio di carta
La radioattività – Decadimento b
Decadimento b: Il nucleo emette un e- e un
antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica
(Z+1), ma stesso numero di massa A.
Le radiazioni beta sono più penetranti di
quelle a, ma sono bloccate da piccoli
spessori di materiali metallici
La radioattività – Decadimento g
Decadimento g: Il nucleo non si trasforma ma
passa in uno stato di energia inferiore ed emette
un fotone; la radiazione gamma accompagna
spesso quella a o b.
Al contrario delle radiazioni a e b, le radiazioni g
sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono
materiali ad elevata densità come il piombo.
Utilizzo: terapie oncologiche
La trasformazione di un nucleo radioattivo porta
alla produzione di un altro nucleo, che può essere
anch'esso radioattivo oppure stabile.
Questa trasformazione è chiamata decadimento
radioattivo.
Di una determinata quantità di un elemento
radioattivo è praticamente impossibile stabilire
in che istante decadrà il singolo atomo ma si può
prevedere statisticamente il decadimento
complessivo di tutti gli atomi radioattivi
Legge del decadimento radioattivo
Il decadimento radioattivo avviene con la legge
statistica:
dN /dt = -l N
N = numero di atomi presenti al tempo t;
l = costante di decadimento: probabilita’ che
ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di
tempo.
La legge del decadimento radioattivo:
N(t) = N0e-lt
N0 = numero di nuclidi presenti all’istante t = 0
Un parametro molto importante e’ il
tempo di dimezzamento:
il tempo dopo il quale il numero iniziale di nuclei
radioattivi e’ diventato la meta’:
T1/2= ln2/l
Come si ricava questo risultato?
L’ attivita’ di una sorgente radioattiva e’ definita
come il numero di decadimenti nell’unità di tempo.
Essa si misura in Bequerel (Bq)
che equivale ad un decadimento al secondo.
L(t) = lN(t)
Approssimazione utile
Se il tempo di misura e molto piccolo in rapporto
con T1/2, il numero di decadimenti è:
N dec.  N nucl.l t
L’AMERICIO 241
241
94
Pu
decad. b
T1/2=13 anni
decad. a
T1/2 = 433 anni
237
93
Np
Viene considerato stabile perché ha un
tempo di dimezzamento di 2,2 106 anni.
Come vediamo le particelle???
Esistono diversi tipi di rivelatori di particelle
che sfruttano diversi meccanismi: alcuni sono
elettronici (sfruttano un segnale elettrico indotto
dalla particella), altri “memorizzano” la sua traccia,
ecc.