Percorso sperimentale sulla
radioattività
Isidoro Sciarratta
Corso di Laurea in NeuroFisioPatologia - UNIUD 2002/03
Esperimento 1 : Rivelazione di particelle 
mediante lo schermo al solfuro di zinco
• Interponendo uno schermo al solfuro di zinco
lungo il percorso della radiazione emessa da
una sorgente radioattiva (ad esempio 30 µg di
radio), si osserva, purchè al buio, una macchia
di luminescenza il cui contorno è identico a
quello della sorgente.
L’esperimento comprova l’emanazione di
particelle dotate di energia. Il contenuto di energia
di ciascuna particella è tale da provocare l’effetto
della fluorescenza. In assenza di cause esterne
quali ad esempio un campo elettrico o magnetico,
queste particelle si propagano in linea retta.
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2
lastre fotografiche
• Se in sostituzione dello schermo al
solfuro di zinco si adoperano delle
lastre fotografiche si ottiene
l’impressione di queste ultime.
esposizione
Le fotografie quì presentate sono state
prodotte tutte allo stesso modo e cioé
ponendo, sempre alla stessa distanza,
davanti ad una pellicola fotografica,
opportunamente avvolta in carta nera
per proteggerla dalla luce, una
boccettina cilindrica ripiena di polvere
di sali radioattivi (nitrato di uranile).
150 ore
100 ore
200 ore
250 ore
300 ore
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lastre fotografiche
• Le diverse fotografie
differiscono l’una dall’altra
solo per il tempo di
esposizione che risulta
indicato accanto a ciascuna
di esse. L’intensità della
zona impressionata dà
ragione di un numero
crescente di particelle
registrate proporzionale al
tempo di esposizione.
48 ore
72 ore
100 ore
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lo spintariscopio
• L’osservazione è possibile solo dopo
che l’occhio si è abituato all’oscurità,
e quindi dopo qualche minuto. E’
bene sottolineare che con lo
spintariscopio si osservano lampi di
luce prodotti solo dalle particelle di
tipo .
• Il metodo delle scintillazioni è alla
base del più moderno sistema di
rivelazione, che lavora con grande
precisione: il contatore a
scintillazione.
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rivelatore a scarica
• Questo contatore è molto adatto per
eseguire esperienze preliminari sulle
proprietà delle particelle . In effetti
si ottengono i seguenti risultati:
– produzione di scintille isolate
mediante raggi 
– valutazione della lunghezza del
percorso delle particelle 
nell’aria variando la distanza tra
preparato radioattivo e rivelatore
– studio del potere penetrante e
dell’assobimento della radiazione
 ricorrendo alla interposizione di
un foglietto di carta (spessore 0,1
mm circa).
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6
Esperimento 4
Rivelazione di particelle  mediante la
camera a nebbia
• Si sa che gli ioni agiscono
come nuclei di condensazione
del vapore. Gli ioni prodotti
dalle particelle  lungo il loro
cammino portano alla
formazione di nebbia in una
atmosfera di vapore
soprassaturo, purchè l’ambiente
sia privo di altri nuclei di
condensazione.
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camera a nebbia o di Wilson
• La camera di Wilson o camera a nebbia ad
espansione, è un apparecchio ideato da Wilson
(1899) e successivamente perfezionato (1912): esso
consiste essenzialmente in un cilindro chiuso
ermeticamente. La base superiore e la parete laterale
sono di vetro acrilico.
• Il fondo è metallico e presenta un foro circolare
mediante il quale la camera comunica con una pera
di gomma atta a comprimere e ad espandere il
vapore presente all’interno.
• Sul fondo del cilindro è sistemato uno strato di
gomma piuma che svolge una doppia funzione:
– riceve la miscela liquida di acqua-alcool e
– frena il flusso d’aria durante la compressione e
successiva espansione in modo da evitare la
formazione di vortici.
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contatore di Geiger-Muller
• Ve ne sono di vari tipi. Sono tubi ad autoestinzione che presentano
superfici sensibili più o meno estese. Per ridurre la ionizzazione a
valanga sono riempiti con vapori di alogeni.
• Un primo tipo (tipo A) presenta il rivestimento esterno di ferrocromo ed è caratterizzato da una piccola finestra sensibile di mica.
E’ adatto per rivelare ogni tipo di particella: , , .
• Un secondo tipo (C) presenta una grande superficie esterna di vetro
sottile e risulta particolarmente adatto per rivelare le particelle .
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azione del campo magnetico
• In linea di principio si dovrebbe osservare la presenza di tre macchie luminose di
cui una coincidente con quella dell’esperimento eseguito in assenza di campo.
Ciò a conferma di tre tipi di particelle di cui due cariche di segno opposto che in
presenza del campo piegano da parte opposta, e la terza che risultando una
radiazione prosegue ignorando la presenza del campo magnetico.
Poiché nell’esperimento 1 la “macchia” sullo schermo si vede solo se questo è posto
a brevissima distanza dalla sorgente, in presenza di campo non è possibile ottenere
risultati granché evidenti per il necessario accrescimento della distanza sorgenteschermo. A meno di non ricorrere a tecniche più idonee …
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azione del campo magnetico
• Per rimuovere questa difficoltà conviene rifarsi all’esperimento
sostituendo lo schermo al solfuro di zinco con un tubo GM che
mantenuto a distanza costante da una identica sorgente viene
collocato, ad esempio, sotto le direzioni che vanno da circa -40° a
+40°, procedendo ad esempio, di 10° in 10° e fermandolo in ogni
posizione per un identico intervallo di tempo.
L’esperimento, nelle stesse identiche
condizioni, va ripetuto tre volte:
in assenza di campo magnetico
in presenza di campo magnetico con il
N verso l’alto
in presenza di campo magnetico con il
N verso il basso.
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azione del campo
magnetico
Distribuzione delle particelle
60 0
50 0
R (1/s)
40 0
30 0
20 0
10 0
0
0
30
60
90
12 0
15 0
18 0
21 0
24 0
27 0
-40 ° -30° -20° -1 0° 0° 10° 20° 30° 40°
Distribuzione in presenza di campo magnetico
verso il basso
500
450
R (1/s )
400
350
300
250
200
150
• Ricorrendo ad un computer in
collegamento on-line si ottengono
risultati del tipo illustrato nelle tre
figure da cui risulta evidente lo
spostamento della carica rispetto al
centro e rispetto all’orientamento del
campo. Ciò comprova l’esistenza
delle tre particelle.
100
50
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
-40° -30° -2 0° -10 ° 0° 1 0° 20 ° 30° 40° 5 0°
distribuzione in presenza di campo diretto
verso l'alto
45 0
40 0
35 0
R (1/s)
30 0
25 0
20 0
15 0
10 0
50
0
0
30
60
90
12 0
15 0
18 0
21 0
24 0
Da notare che nel complesso le
disintegrazioni verificatesi nei tre
esperimenti, in media, sono uguali. Sono
ancora statisticamente uguali gli eventi
che vengono deviati a sinistra, a destra e
viceversa nella seconda e nella terza
prova.
27 0
-40 ° -30° -20° -1 0° 0° 10° 20° 30° 40°
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Esperimento 7 : Radiazione di fondo, attività
della materia ed “effetto zero”
• L’esperimento consiste nel misurare la radioattività di un dato ambiente per
tramite di un tubo GM in ognuno dei segenti casi:
– 1) in assenza di sorgenti particolari e di schermi di ogni genere;
– 2) circondando il tubo, ad esempio, con mattoni;
– 3) con il tubo schermato da una camicia di piombo.
NFP uniud 02
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confro nto fra l e tre attività
attività di fondo
confronto fra attività
140 0
120 0
fondo mattoni
100 0
attiv ità totale
• Il confronto dei tre conteggi risulta
alquanto significativo. Viene messa in
luce la radioattività tipica di ogni
ambiente ed in particolare quella
provocata dalle particelle cosmiche.
• Da osservare come, indirettamente,
l’elaborazione dei dati conferma anche
che mentre i singoli eventi di
disintegrazione sono casuali, al
contrario, gli eventi che si riferiscono
ad eguali intervalli di tempo
sufficientemente lunghi rispetto alla
durata di ogni singolo impulso, sono
uguali. Per questo le linee che indicano
i conteggi totali sono praticamente
delle rette.
fondo
naturale
800
600
effetto "zero"
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
t (min)
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Esperimento 8 : Assorbimento e potere
di penetrazione
• I raggi ,  e  si possono
distinguere anche secondo il potere
di separazione, riconoscibile
misurando gli spessori di lamine di
alluminio da esse attraversate, o le
lunghezze di percorsi compiuti
nell’aria producendo ionizzazione.
• Se si interpongono fra una sorgente
radioattiva e un tubo GM fogli di
varie sostanze classificate per natura
chimica e spessore, si determina il
cammino che ogni particella fa
all’interno di ogni tipo di sostanza.
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Assorbimento e potere di penetrazione
•
•
•
Risultati tipici di questo esperimento ottenuti per
interfacciamento con un computer on-line, sono
riportati nelle figure a fianco.
Questo tipo di indagine consente di calcolare anche
il contenuto di energia di ciascuna particella. Infatti,
qualora la sostanza radioattiva viene racchiusa in un
recipiente con grosse pareti di piombo, in modo da
impedire l’uscita delle radiazioni, l’energia cinetica
di queste si converte in energia termica. Misurando
questa energia con speciali calorimetri, si trova che
ogni grammo di radio sviluppa in ogni ora (3600 s)
circa 565 J di calore: ovvero 135 calorie all’ora.
Considerata la modesta quantità di materia che
produce ininterrottamente tale energia per anni e
anni, si deve riconoscere che si tratta della
liberazione di quantità di energia enormi, sia pure
diluite nel tempo, come uno stillicidio lento e
continuo: “è questa la prima manifestazione
dell’energia atomica”.
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50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 plas tica
allu mini o
s tagn o piom bo
300
60
50
40
30
20
10
0
0
Al
Mo
Ag
Tc
250
16
potere di penetrazione
mezzo
aria
carta
8 cm
1 foglio
alluminio piombo
particella
alfa
beta
gamma
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2m
1 mm
>> km
22 cm
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potere di ionizzazione
particella
potere in unità
arbitrarie
alfa
104
beta
102
gamma
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1
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Esper. 9 : Studio della natura dell’impulso
• Si raggiunge lo scopo inserendo un oscilloscopio
nel circuito di alimentazione del tubo GM.
• L’esperimento consente di studiare la durata (circa
2·10-4 s), l’altezza massima, la carica per impulso, la
distribuzione casuale degli impulsi, la regolarità
statistica.
• Inoltre con l’aggiunta di un condensatore posto in
parallelo alla resistenza di lavoro è possibile
misurare la carica di ionizzazione prodotta da ogni
impulso ed il conseguente numero di coppie di ioni.
• Infatti, collegando un condensatore di capacità nota
(=1nF) in parallelo alla resistenza di carico, parte
della carica dell’impulso passa al condensatore.
Poiché ora si misura una tensione di circa 1 V, si ha:
9
q  C V  1nF 1V  10 C
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da cui
q
10 9
9
n

19  310 coppie
2e 3,2 10
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Legge di decadimento radioattivo
Il grafico a fianco mostra due curve di tipo
esponenziale ricavate sperimentalmente: si tratta del
decadimento della sostanza radioattiva Ba 137 m.
Con esse è possibile determinare il periodo di
semitrasformazione: allo scopo è sufficiente
individuare gli intevalli di tempo richiesti perchè metà
popolazione di molecole e quindi metà della
rimanente metà, ecc., decada. Questi intervalli sono
tutti uguali tra di loro.
Curva di decadimento del Ba 137 m
240
220
y = 226,21e
-0,0041x
2
R = 0,9 877
200
180
160
attività (dis./s)
140
120
100
y = 75,4 04e
-0,0041x
2
R = 0,9 877
80
60
40
20
0
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
t (s )
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Età della Terra
• Elementi radioattivi naturali più abbondanti sulla
crosta terrestre sono:
• Uranio 10parti/milione
T1/2 = 4,5 miliardi di anni
(ce ne ancora una quantità apprezzabile)
• Torio
2 parti/milione
• Il potassio scarseggia T1/2 = 1 miliardo di anni
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