La radioattività - ZyXEL NSA210
La radioattività - ZyXEL NSA210
La radioattività - ZyXEL NSA210
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<strong>La</strong> Tabella dei nuclidi<br />
(da Wikipedia)<br />
Vedi anche tabella degli isotopi: http://it.wikipedia.org/wiki/Tabella_degli_isotopi<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 1
<strong>La</strong> radioattività<br />
A.H. Becquerel (1896) scopre l’emissione di<br />
radiazioni da parte dell’uranio e osserva la<br />
differenza tra questo fenomeno e altri già<br />
conosciuti come l’emissione di raggi X e la<br />
fosforescenza.<br />
Il fenomeno viene poi osservato dai suoi allievi<br />
Pierre e Marie Curie con gli elementi attinio,<br />
polonio, radio e torio (1898) e fu da essi<br />
denominato radioattività.<br />
E.Rutherford (1897) riesce e descrivere la<br />
radioattività in forma di radiazioni α (+), β - , β + , e γ,<br />
osservando pure la capacità ionizzante di queste<br />
radiazioni con possibili effetti fisiologici sul corpo<br />
umano.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 2
Stabilità nucleare e radioattività<br />
Determinate combinazioni di protoni e neutroni portano a<br />
nuclei stabili (non radioattivi); la presenza di un numero<br />
diverso di neutroni rispetto ad un determinato numero di<br />
protoni può portare a nuclei instabili che si stabilizzeranno<br />
mediante l’emissione di radiazioni (radioattività) fino a<br />
raggiungere una combinazione stabile.<br />
Nuclei stabili possono divenire instabili, quindi radioattivi,<br />
se colpiti da neutroni veloci che riescono ad entrare nel<br />
nucleo generando instabilità ed emissione α o β.<br />
Se i neutroni veloci vengono adeguatamente moderati il<br />
loro ingresso in nuclei relativamente pesanti (massa<br />
nuclidica > 60) può dar luogo alla divisione del nucleo<br />
(fissione nucleare).<br />
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<strong>La</strong> stabilità dei nuclei<br />
Curv a di stabilità de i nuclidi<br />
130<br />
120<br />
110<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
num e ro a t o m ic o Z<br />
Z=N<br />
Nst<br />
Con il crescere del numero atomico (Z) aumenta il numero di neutroni (N) necessari<br />
alla stabilità. Con più di 83 protoni non è più possibile avere stabilità.<br />
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Stabilità nucleare e radioattività<br />
Determinate combinazioni di protoni e neutroni portano a<br />
nuclei stabili; la presenza di un numero diverso di neutroni<br />
può portare a nuclei instabili che si stabilizzeranno<br />
mediante l’emissione di radiazioni fino a raggiungere una<br />
combinazione stabile.<br />
L’analisi accurata delle radiazioni α e β permette di<br />
misurarne carica e massa:<br />
• le radiazioni α sono costituite da particelle con carica e<br />
4<br />
massa equivalente a nuclei di elio ( 2<br />
He ).<br />
• le radiazioni β - sono costituite da particelle con carica e<br />
massa equivalente all’elettrone (elettroni ad alta energia),<br />
• le radiazioni β + sono costituite da particelle con carica<br />
equivalente al protone e massa equivalente all’elettrone.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 5
Stabilità nucleare e radioattività<br />
Dopo la scoperta del protone e del neutrone (1932) viene<br />
chiarito che durante i processi di decadimento il nucleo può dar<br />
luogo ai seguenti fenomeni:<br />
• perdere un gruppo di due protoni e due neutroni (emiss. α )<br />
• trasformare un neutrone in un protone (emissione β - )<br />
• trasformare un protone in un neutrone (emissione β + )<br />
In tutti i casi cambia il numero atomico, quindi si producono<br />
elementi diversi da quelli di partenza.<br />
<strong>La</strong> prima trasformazione di un elemento in un altro era riuscita<br />
già a Rutherford (1919) che ottenne O-17 bombardando N-14<br />
con particelle α.<br />
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I decadimenti radioattivi<br />
Decadimento α : viene espulsa dal nucleo una<br />
particella di carica positiva composta da due protoni<br />
4<br />
e due neutroni (un nucleo He ).<br />
Si forma un nucleo di un nuclide di un altro elemento<br />
con un numero atomico inferiore di 2 unità e con<br />
numero di massa inferiore di 4 unità.<br />
2<br />
Il decadimento α è frequente con numeri di massa > 200<br />
(confronta la Tavola periodica LiLu2 sotto “Table of Selected Radioactive Isotopes”)<br />
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n p + e - +<br />
−<br />
ν e<br />
I decadimenti radioattivi<br />
Decadimento β - : viene espulso dal nucleo<br />
un elettrone ad alta energia più un neutrino.<br />
Un neutrone legato del nucleo si trasforma in un protone.<br />
Si forma un nucleo di un nuclide di un altro elemento<br />
avente un numero atomico superiore di un’unità.<br />
Il numero di massa del −nucleo rimane invariato.<br />
60 60<br />
Es: Co→<br />
Ni + e<br />
− + ν e<br />
27<br />
28<br />
p<br />
p + e -<br />
n + e + + ν<br />
n + ν<br />
Decadimento β + ; viene espulso dal nucleo un positrone<br />
(antiparticella dell’elettrone) e un neutrino.<br />
Un protone legato si trasforma in un neutrone.<br />
Si forma un nucleo di un nuclide di un altro elemento<br />
avente un numero atomico inferiore di un’unità.<br />
Il numero di massa del nucleo rimane invariato.<br />
56 56 +<br />
Es: Co→<br />
Fe + e +ν<br />
27<br />
26<br />
Cattura elettronica (EC) : viene catturato un elettrone<br />
da parte di un protone legato che si trasforma in neutrone<br />
emettendo un neutrino.<br />
57 57<br />
Es: Co→ Fe +ν<br />
27<br />
26<br />
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Radioattività naturale<br />
I decadimenti nucleari sono processi naturali che<br />
avvengono nei materiali minerali per la presenza di<br />
elementi con isotopi radioattivi naturali come uranio (U-<br />
238), radio (Ra-226), polonio (Po-210), torio (Th-232) e<br />
nell’aria per la presenza di radon (Rn-222) che danno<br />
decadimenti α .<br />
Anche nel nostro corpo, in quello di tutti gli animali e nei<br />
vegetali vi è radioattività per la presenza naturale di<br />
nuclidi radioattivi del potassio (K-40) e del carbonio (C-<br />
14) che danno decadimento β.<br />
Alcuni nuclidi radioattivi presenti in natura derivano dal<br />
decadimento di altri, come Rn-222 prodotto dal<br />
decadimento del nuclide Ra-226 a sua volta dal<br />
decadimento di Th-230, ecc.<br />
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Radioattività naturale<br />
L’energia liberata nel sottosuolo da questi<br />
processi origina l’energia geotermica che noi<br />
possiamo sfruttare per il riscaldamento o che<br />
deve essere smaltita come nel caso del tunnel<br />
di Alptransit.<br />
I nuclidi radioattivi naturali conosciuti sono circa<br />
60.<br />
Nuclidi non naturali stabili o radioattivi possono<br />
inoltre essere prodotti per collisione in<br />
esperimenti condotti con acceleratori di<br />
particelle.<br />
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Diffusione di nuclidi radioattivi naturali<br />
e artificiali<br />
Accidentalmente possono inoltre finire nell’ambiente<br />
nuclidi radioattivi non naturali prodotti per via tecnica<br />
attraverso processi nucleari come Cs-137 e I-131 al<br />
tempo dell’incidente nella centrale di Tschernobyl<br />
(1986). Gli stessi isotopi oltre a Pu-239, Sr-90 e altri<br />
possono essere prodotti in grande quantità da<br />
esplosioni nucleari come quelle prodotte a Nagasaki e<br />
Hiroshima (seconda guerra mondiale, 1945), e in vari<br />
luoghi del mondo nei test eseguiti dai paesi in possesso<br />
di armi nucleari (Russia, USA, GB, F, Cina, Pakistan,<br />
India, Israele e Corea del Nord).<br />
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<strong>La</strong> radiazione γ<br />
I decadimenti α e β possono essere accompagnati<br />
dall’emissione di radiazione elettromagnetica senza carica<br />
elettrica: radiazione γ.<br />
<strong>La</strong> radiazione γ trasporta la porzione di energia (quanto)<br />
derivante dal processo di decadimento che non è presente<br />
nella particella emessa.<br />
<strong>La</strong> natura della radiazione γ è la stessa di quella della luce,<br />
delle radiazioni UV, X, ecc.: l’energia trasportata dalla<br />
radiazione è però superiore (lunghezza d’onda inferiore e<br />
frequenza maggiore)<br />
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Decadimenti: la serie naturale dell’uranio 238<br />
Spesso il decadimento di un nucleo porta ad un nucleo ancora instabile;<br />
si ha un serie di decadimenti a cascata fino alla formazione di un nucleo stabile<br />
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Decadimenti : la serie naturale dell’uranio 235<br />
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Decadimenti : la serie naturale del torio 232<br />
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L’attività di un nuclide<br />
L’attività di un campione di materiale radioattivo si esprime con il numero<br />
di decadimenti per unità di tempo e si esprime in Becquerel:<br />
1 Becquerel = 1 decadimento/secondo : [A] = 1 Bq<br />
Il decadimento radioattivo ha un carattere puramente statistico.<br />
Solo per un numero molto grande di nuclei di un determinato nuclide<br />
è possibile predire quando avviene un decadimento.<br />
Non si può predire invece per un singolo nucleo.<br />
Si definisce pertanto la probabilità λ che un determinato nucleo decada<br />
in un’unità di tempo;<br />
λ ha la dimensione s -1 . Essa è tipica per ogni singolo nuclide radioattivo<br />
Il numero di decadimenti per unità di tempo di un campione contenente<br />
N nuclei di un nuclide radioattivo sarà:<br />
A = N* λ<br />
λ non dipende dal numero di nuclei presenti, è pertanto una costante<br />
tipica di ogni nuclide.<br />
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Attività, probabilità e dimezzamento<br />
Per spiegare la probabilità di decadimento si può prendere l’esempio<br />
di un albero che perde le foglie: ogni giorno che passa dimezza il<br />
numero delle foglie che porta. Non si sa quale foglia cadrà domani.<br />
Possiamo contare quante foglie cadono in un minuto (A) e quanto foglie<br />
stanno sull’albero (N).<br />
<strong>La</strong> probabilità λ che una particolare foglia cada nel prossimo minuto sarà<br />
λ = A/N<br />
Questa probabilità sarà uguale anche quando sull’albero saranno<br />
rimaste poche foglie (A diminuisce proporzionalmente a N).<br />
Il numero di foglie A che cadono in un minuto diminuisce nel tempo<br />
(diminuisce N).<br />
Se le foglie sono inizialmente 1000 dopo un giorno ne saranno rimaste<br />
500: 1 giorno è il tempo di dimezzamento.<br />
Il secondo giorno cadranno la metà delle foglie, quindi 250, il terzo 125.<br />
Il tempo di dimezzamento non dipende dal numero delle foglie.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 17
Attività, probabilità e dimezzamento<br />
caduta delle foglie<br />
1200<br />
1000<br />
foglie<br />
800<br />
600<br />
400<br />
foglie che cadono<br />
foglie rimaste<br />
foglie cadute<br />
200<br />
0<br />
0 2 4 6 8<br />
giorni<br />
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<strong>La</strong> legge del decadimento radioattivo<br />
Si dispone al tempo t 0<br />
di un definito numero N 0<br />
di nuclei di un nuclide radioattivo .;<br />
la probabilità di decadimento λ è costante per cui il numero di nuclei radioattivi<br />
diminuisce nel tempo; l’attività (numero di decadimenti/s) diminuisce costantemente<br />
in quanto A = λ*N.<br />
Il calcolo dei nuclei radioattivi rimasti dopo un tempo t richiede la risoluzione di<br />
un’equazione differenziale.<br />
Il risultato è la legge del decadimento secondo la quale:<br />
N(t) = N 0<br />
*e -λt<br />
N(t): nuclei radioattivi ancora presenti al tempo t<br />
λ: probabilità di decadimento del nuclide<br />
N 0 : nuclei radioattivi presenti al tempo t = 0<br />
Ne consegue che l’attività A al tempo t sarà:<br />
A(t) = A 0<br />
*e - λt<br />
A 0 = attività del campione al tempo t = 0<br />
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Velocità di decadimento dei nuclidi<br />
radioattivi<br />
Ad ogni emissione di una particella corrisponde il<br />
decadimento di un nucleo.<br />
<strong>La</strong> frequenza con la quale vengono emesse particelle<br />
radioattive a partire da un certo numero di nuclei è un<br />
fenomeno statistico.<br />
Essa dipende dall’instabilità dei nuclei: maggiore è la loro<br />
instabilità e più frequente sarà l’emissione.<br />
<strong>La</strong> velocità con la quale i nuclei di un isotopo decadono<br />
viene espressa con il semiperiodo o emivita: esso è il<br />
tempo dopo il quale la metà dei nuclei presenti inizialmente<br />
nel campione si sono trasformati attraverso il decadimento.<br />
Esso non dipende dal numero di nuclei inizialmente<br />
presenti.<br />
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Il semiperiodo di un nuclide radioattivo<br />
Il semiperiodo o emivita (<br />
t 1 ) di un nuclide radioattivo corrisponde<br />
2<br />
al tempo dopo il quale il numero di nuclei radioattivi ancora presenti<br />
è la metà di quello iniziale (N 0<br />
).<br />
Dalla legge del decadimento radioattivo si ricava dunque:<br />
N<br />
2<br />
0<br />
= N0<br />
*<br />
e<br />
−λ*<br />
t<br />
1<br />
2<br />
Da cui ne consegue:<br />
t 1 =<br />
2<br />
ln 2<br />
λ<br />
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<strong>La</strong> misura dell’attività: il contatore Geiger (1928)<br />
Le particelle emesse dalla sorgente radioattiva penetrano nella camera<br />
attraverso il setto e ionizzano molecole di argon: gli ioni Ar + sono accelerati e<br />
catturati dal catodo (parete della camera) e gli elettroni emessi sono catturati<br />
dal filo metallo (anodo): si genera corrente nel circuito elettrico in forma di<br />
impulsi corrispondenti ai singoli elettroni, quindi alle singole particelle emesse<br />
dalla sorgente.<br />
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<strong>La</strong> schermatura delle particelle α e β<br />
Il contatore Geiger evidenzia che l’aria, un foglio di carta, il vetro o una lamina<br />
metallica possono bloccare le particelle emesse da una sorgente radioattiva:<br />
hanno effetto schermante il potere schermante di un materiale viene espresso<br />
mediante la profondità che le particelle riescono a raggiungere in esso o<br />
attraverso lo spessore dopo il quale l’attività viene dimezzata.<br />
Si possono quindi realizzare delle barriere protettive efficaci, importanti per la<br />
Radioprotezione.<br />
Nella tabella alcuni valori di spessore di schermatura (totale) e di spessore<br />
di dimezzamento<br />
radiazione<br />
effetto schermante<br />
aria<br />
acqua<br />
materia solida<br />
α<br />
totale<br />
< 0.1<br />
m<br />
< 0.01 mm<br />
~ 0 cm<br />
β<br />
totale<br />
< 10 m<br />
< 2 cm<br />
< 10 mm<br />
γ<br />
dimezzamento<br />
100m<br />
10 cm<br />
3 cm<br />
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Calcoli per la radioprotezione<br />
<strong>La</strong> relazione tra attività ad una determinata profondità nel materiale e profondità<br />
è simile a quella tra attività e tempo in quanto la diminuzione del numero di<br />
impulsi/secondo è proporzionale allo spazio percorso nel materiale:<br />
∆Z(<br />
x)<br />
∆x<br />
= −c*<br />
Z(<br />
x)<br />
Per valori di ∆x infinitamente<br />
piccoli<br />
Ne consegue che l’attività ad una profondità x nel materiale sarà:<br />
Z( x)<br />
= Z0<br />
* e<br />
E lo spessore di dimezzamento sarà:<br />
−cx<br />
d<br />
= 1<br />
2<br />
ln 2<br />
c<br />
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Radiazione e energia: la dose assorbita<br />
L’effetto biologico delle radiazioni è da riferire al loro potere ionizzante su<br />
molecole biologiche: l’effetto di una radiazione dipende quindi dalla qualità e<br />
dalla quantità di energia effettivamente assorbita.<br />
Viene dapprima definita la dose di energia assorbita come rapporto<br />
tra l’energia assorbita e la massa corporea irradiata:<br />
Dose di energia<br />
D<br />
=<br />
Energia<br />
Massa tessuto<br />
_ assorbita<br />
_ irradiato<br />
L’unità di energia assorbita è 1 Gray = 1 Gy= 1 J/kg<br />
Vengono inoltre definite:<br />
•<strong>La</strong> dosisleistung quale rapporto tra dose assorbita D e tempo di irraggiamento<br />
•L’intensità di irraggiamento quale rapporto tra dosisleistung e superficie irraggiata<br />
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<strong>La</strong> dose equivalente<br />
L’attività di un materiale radioattivo non è una misura della sua pericolosità biologica.<br />
Questa dipende dall’energia trasportata dalla radiazione al momento in cui<br />
Interagisce con le molecole sensibili, ionizzandole.<br />
Quindi determinanti diventano l’energia legata all’emissione, la distanza percorsa<br />
dalla radiazione e il materiale attraversato.<br />
Inoltre si ha un effetto ionizzante solo se c’è corrispondenza tra l’energia necessaria<br />
alla ionizzazione e il quanto di energia liberato con l’emissione.<br />
Ad esempio le particelle β attraversando una cellula producono da 10 a 100 ioni<br />
mentre una particella α (meno energetica) ne produce da 10’000 a 70’000.<br />
Viene quindi definito un fattore di qualità Q che permette di esprimere la<br />
dose equivalente assorbita H:<br />
H = D * Q<br />
L’unità di misura per H è il il Sievert (Sv): 1 Sv = 1 J/kg<br />
Dose naturale assorbita in Ticino: 1 mSv/anno (Leibstadt: 0.7 mSv/anno)<br />
Dose massima ammessa (CH): 5 mSv/anno<br />
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Il fattore di equivalenza Q<br />
Radiazione<br />
Fattore Q<br />
Röntgen (X)<br />
1<br />
γ<br />
1<br />
β<br />
1<br />
neutroni<br />
10<br />
α<br />
20<br />
Dalla tabella ne consegue che le emissioni più pericolose sono le α.<br />
Queste si spengono però con grande facilità e quindi non danno assorbimenti<br />
Rilevabili a breve distanza. Sono invece estremamente pericolose se<br />
vengono emesse direttamente nelle cellule, quindi se i materiali radioattivi<br />
Attraverso dispersione ambientale vengono accumulati dall’organismo<br />
(vedi caso storico dell’acqua al radio)!<br />
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<strong>La</strong> dose equivalente effettiva<br />
I vari organi del corpo umano sono diversamente sensibili alle radiazione,<br />
in funzione della struttura delle cellule dei loro tessuti. Questo viene considerato<br />
Mediante un fattore di sensibilità per il calcolo della dose equivalente effettiva<br />
assorbita dal corpo:<br />
effettiva<br />
∑<br />
H *<br />
= wi<br />
Hi<br />
Organo<br />
Fattore di sensibilità<br />
W i<br />
= fattore di sensibilità per l’organo i<br />
H i<br />
= dose equivalente assorbita dall’organo i<br />
gonadi<br />
seno<br />
midollo osseo<br />
polmone<br />
0.2<br />
0.05<br />
0.12<br />
0.12<br />
pelle<br />
0.01<br />
fegato<br />
0.05<br />
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Radiazioni: propagazione e schermatura<br />
Le radiazioni α sono particelle con carica positiva (2 neutroni e 2 protoni)<br />
e si spengono dopo circa 1 cm nell’aria; possono pure essere bloccate<br />
con un semplice foglio di carta.<br />
Le radiazioni β - hanno carica negativa (elettroni ad alta energia emessi<br />
dal nucleo), sono più energetiche e si propagano nell’aria per circa 1 m;<br />
possono pure essere bloccate con schermi di materiali opportuni per<br />
esempio piombo o acciaio con spessori di alcuni mm.<br />
Le emissioni α e β possono essere accompagnate da radiazioni γ (onde<br />
elettromagnetiche più energetiche dei raggi X) che si propagano nell’aria<br />
statisticamente per circa 100 m.<br />
Raggi γ e X possono anche essere prodotti dalla collisione di particelle α<br />
e β con nuclei di atomi eccitabili (radiazione secondaria).<br />
Queste radiazioni vengono bloccate per urto diretto con nuclei stabili;<br />
molto adatto è il piombo, materiale ad alta densità atomica con nuclei<br />
molto stabili.<br />
L’assorbimento delle radiazioni γ e X è esponenziale rispetto allo<br />
spessore del materiale schermante e questo spessore può essere<br />
facilmente calcolato per avere una schermatura efficace.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 29
Radiazioni: esposizione diretta<br />
Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti<br />
dipendono dall’energia trasportata dalla<br />
radiazione e dalla sua natura (α,β,γ,X, UV,<br />
neutroni, ecc.):<br />
I diversi tipi di radiazione possono dare a<br />
parità di energia trasportata effetti biologici<br />
diversi che vanno da quelli benefici della<br />
medicina nucleare a quelli negativi o<br />
addirittura letali delle sovraesposizioni.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 30
Radiazioni: esposizione diretta<br />
Viene definita un valore limite (dose<br />
massima) sotto il quale la salute umana non<br />
è a rischio di danni: si tratta di un valore<br />
equivalente calcolato in base all’energia<br />
assorbita per kg di massa corporea<br />
moltiplicata per un fattore che dipende dal<br />
tipo di radiazione.<br />
<strong>La</strong> dose equivalente massima viene definita<br />
sia per tutto il corpo come valore medio, sia<br />
per parti di esso particolarmente sensibili<br />
(organi genitali, fegato, ecc.).<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 31
Radioattività e radiazioni: unità di misura<br />
L’attività di una massa di materiale radioattivo è<br />
espressa in Becquerel:<br />
1 Bq = 1 decadimento/s<br />
(ev. Bq/m 3 )<br />
L’energia assorbita attraverso l’esposizione viene<br />
espressa in Gray:<br />
1 Gy = 1 J/kg<br />
<strong>La</strong> dose equivalente viene espressa in Sievert (Sv<br />
o mSv) e calcolata in Gy x Q dove Q è il fattore di<br />
qualità che dipende da tipo di radiazione.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 32
Radioattività e radiazioni: rischio da<br />
esposizione<br />
Il rischio da esposizione non dipende dall’attività di un<br />
materiale radioattivo presente nell’ambiente (cioè dal<br />
numero di decadimenti nel tempo) ma dalla dose assorbita<br />
dal corpo, quindi dall’energia e dalla qualità delle radiazioni<br />
alle quali si può essere esposti.<br />
<strong>La</strong> dose equivalente limite alla quale può essere esposta<br />
una persona professionalmente è di 50 mSv per anno.<br />
Questo tasso corrisponde ad un rischio teorico di insorgenza<br />
di gravi malattie (cancro o danni genetici) equivalente ai<br />
normali rischi quotidiani.<br />
I valori realmente misurati nel personale addetto a impianti<br />
nucleari è inferiore a 10 mSv per anno.<br />
Per persone non addette il valore limite è di 5 mSv/anno<br />
mentre qualsiasi impianto anche nucleare non deve dare<br />
incrementi nella popolazione oltre 0.3 mSv/anno per singole<br />
persone.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 33
Radioattività e radiazioni: misura<br />
dell’attività e dell’esposizione<br />
L’attività di un materiale o di un singolo nuclide,<br />
l’energia delle radiazioni e la dose dell’esposizione<br />
vengono misurate con rivelatori basati sul principio<br />
dei contatori Geiger:<br />
Le radiazioni ionizzanti producono la ionizzazione di<br />
un gas presente in un tubo attraverso una finestra.<br />
<strong>La</strong> conducibilità elettrica che ne deriva e la corrente<br />
elettrica generata permettono la misura. Utilizzando<br />
specifici materiali per pareti, finestre e gas possono<br />
essere rivelate tutte le diverse radiazioni (α,β,γ,X,<br />
neutroni).<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 34
Radioattività e radiazioni: esempi di<br />
valori di esposizione<br />
L’esposizione misurata su addetti ad impianti nucleari è dell’ordine dei 10<br />
mSv (valore massimo misurato per una singola persona).<br />
L’esposizione della popolazione ticinese nei mesi seguenti l’incidente di<br />
Tschernobyl (1986) causata principalmente dai nuclidi di cesio e iodio è<br />
stata di 0.2 mSv/anno (oggi scesa a 0.01).<br />
L’esposizione media della popolazione svizzera è di 4 mSv/anno<br />
(esposizione naturale a Caslano 1 mSv/anno, a Leibstadt di 0.700<br />
(incremento da parte della centrale nucleare: 0.003 mSv/anno) 1,2 .<br />
L’esposizione alla quale sono stati esposti gli operai inviati nell’area<br />
dell’impianto del reattore aperto di Tschernobyl nei giorni seguenti<br />
l’incidente fu > 500 mSv.<br />
L’esposizione durante un’esplosione nucleare (Hiroshima, Nagasaki) è ><br />
500 µSv/h (4000 mSv/anno) nel raggio di alcuni km dal luogo<br />
dell’esplosione<br />
1<br />
http://www.bag.admin.ch/themen/strahlung/00045/02411/index.html?lang=de<br />
2 http://info.casaccia.enea.it/gsp3/Dosi/RadAmbDosIrradSvizz.pdf<br />
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Radioattività e radiazioni: fonti di esposizione<br />
<strong>La</strong> principale fonte di esposizione in Svizzera è data dal radon, un gas<br />
chimicamente inerte che si forma nel sottosuolo a partire dal decadimento naturale di<br />
uranio; esso diffonde nell’atmosfera e dà luogo a prodotti di decadimento<br />
a loro volta radioattivi. Occorre evitare che si possa accumulare nei locali abitativi.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 36
Radioattività e radiazioni: valori di<br />
esposizione in Svizzera<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 37
Materiali radioattivi: diffusione e assorbimento<br />
I materiali che emettono particelle α e β e radiazioni γ non<br />
rappresentano un pericolo se custoditi stabilmente sotto<br />
schermatura.<br />
L’emissione di particelle α è invece particolarmente<br />
pericolosa se avviene direttamente nelle nostre cellule;<br />
questo può avvenire se i nuclei responsabili vengono<br />
assimilati dall’organismo tramite l’inalazione,<br />
l’alimentazione o il passaggio diretto nel sangue.<br />
L’energia associata alla particella α nel punto e al momento<br />
dell’emissione è in grado di produrre la ionizzazione in atomi<br />
di molecole che si trovano a diretto contatto.<br />
Questa ionizzazione può tradursi in un danno fisiologico,<br />
particolarmente grave se riguarda molecole di sistemi<br />
produttivi o riproduttivi quali proteine e acidi nucleici (DNA).<br />
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<strong>La</strong> pericolosità dei materiali radioattivi<br />
Materiali radioattivi prodotti da processi tecnici controllati<br />
(centrali nucleari, medicina, ricerca,..) custoditi in sistemi<br />
schermanti appropriati non danno effetti sull’ambiente<br />
purché il loro confinamento sia ragionevolmente assicurato.<br />
Materiali radioattivi naturali presenti e confinati in rocce o<br />
giacimenti (come l’uranio nel granito della nostra regione o in<br />
giacimenti carboniferi) non rappresentano un pericolo in<br />
quanto naturalmente schermati dagli altri materiali. Essi<br />
generano la cosiddetta radioattività ambientale che può<br />
variare da luogo a luogo. Ad esempio nella zona di Verscio<br />
si misura la radioattività ambientale maggiore di tutta la<br />
Svizzera per la presenza relativamente elevata di uranio<br />
nelle rocce.<br />
http://www.zwilag.ch/security/containersurvey.asp<br />
http://www.bfe.admin.ch/radioaktiveabfaelle/01274/index.html?lang=it<br />
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<strong>La</strong> pericolosità di materiali radioattivi<br />
<strong>La</strong> presenza naturale o accidentale di nuclidi radioattivi in terreni, nelle<br />
acque o nell’aria può invece portare all’assimilazione e all’accumulo<br />
nell’organismo di nuclei radioattivi con conseguenti gravi pericoli.<br />
Alcune cause possono essere:<br />
• processi di lavorazione di rocce uranifere (polveri inalabili),<br />
• combustioni di carboni uraniferi (fumi inalabili e ricadute sulle colture)<br />
• combustione di tabacchi contenenti polonio (inalazione),<br />
• deponia o smaltimento incontrollati di scorie contenenti nuclidi<br />
radioattivi provenienti da medicina, ricerca e industria con conseguente<br />
infiltrazione nelle acque o diffusione nel terreno,<br />
• fughe di materiale radioattivo da centrali nucleari o centri di ricerca,<br />
• esplosioni nucleari (bombe a fissione o a fusione nucleare)<br />
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<strong>La</strong> pericolosità di materiali radioattivi<br />
Vi può essere un pericolo per la salute dovuto alla diffusione<br />
nell’ambiente di nuclidi assimilabili senza che si registri un<br />
apprezzabile aumento della radioattività ambientale globale.<br />
Un forte aumento della radioattività ambientale produce<br />
invece un pericolo sia per esposizione diretta e immediata<br />
alle radiazioni sia per assimilazione a medio- lungo termine<br />
di nuclidi radioattivi.<br />
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<strong>La</strong> pericolosità di materiali radioattivi<br />
nel corpo umano<br />
L’assimilazione nell’organismo di nuclidi radioattivi avviene per affinità<br />
chimica:<br />
Il radio (Ra) appartiene alla stessa famiglia chimica del calcio (Ca) è<br />
può essere assimilato nelle ossa; il suo nuclide Ra-226 dà emissione α<br />
direttamente nelle cellule del tessuto osseo;<br />
L’uranio (U) può comportarsi come cromo e molibdeno e legarsi a<br />
proteine finendo nelle ossa o nel fegato dove il suo nuclide più comune<br />
U-238 emette particelle α.<br />
Il radon (Rn) è un gas inerte e pesante: viene inalato e circola nelle vie<br />
respiratorie e staziona nei polmoni; può pure diffondere nel sangue e<br />
circolare a contatto con i suoi costituenti; il nuclide Rn-222 emette<br />
particelle α può danneggiare sangue e tessuti delle vie respiratorie.<br />
Isotopi radioattivi non naturali (prodotti tecnicamente) di elementi<br />
comunemente utilizzati dall’organismo (come il nuclide I-129 dello iodio<br />
utilizzato dalla tiroide) vengono utilizzati dall’organismo come i normali<br />
isotopi stabili in quanto hanno uguale comportamento chimico.<br />
Liceo Lugano 2. Corso di scienze sperimentali. Radioattività 42
Il Carbonio-14<br />
Non si tratta di un vero e proprio isotopo naturale del carbonio.<br />
Esso viene prodotto nell’atmosfera dall’irraggiamento cosmico che produce<br />
neutroni liberi negli strati più alti dell’atmosfera.<br />
I neutroni prodotti penetrano negli strati inferiori dell’atmosfera e colpendo<br />
atomi di azoto producono atomi di C-14 liberando protoni (che si perdono<br />
senza ulteriori effetti)<br />
14<br />
7<br />
14<br />
N + n→<br />
C +<br />
Nell’atmosfera si genera di conseguenza una concentrazione di 1 nucleo C-14<br />
su 10 12 atomi C praticamente costante anche in ogni campione che scambia<br />
carbonio con l’ambiente.<br />
Il nucleo C-14 è instabile ed emette radiazione β- trasformando nuovamente<br />
in un atomo di azoto stabile:<br />
14<br />
6<br />
C→<br />
14 N 7<br />
6<br />
+<br />
β<br />
−<br />
p<br />
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<strong>La</strong> datazione con C-14<br />
Il nuclide C-14 si combina chimicamente con l’ossigeno come qualsiasi<br />
atomo di carbonio formando CO2: viene assorbito dai vegetali e si ritrova<br />
quindi in vegetali e animali dove la sua concentrazione è di 1.2E-12 fintanto<br />
che l’organismo vivente scambia carbonio con l’ambiente.<br />
Finito lo scambio con l’ambiente il contenuto di C-14 diminuirà in base alla<br />
sua probabilità di decadimento tipica λ.<br />
Il semiperiodo del C-14 è di 5730 anni. Quindi esso si adatta alla datazione di<br />
reperti archeologici in quanto con gli odierni strumenti è possibile registrare<br />
differenze di attività dovute alla diminuzione dei nuclei in periodi fino<br />
a circa 50’000 anni (circa 10 semiperiodi).<br />
<strong>La</strong> misra del C-14 avviene dopo che il campione viene trattato in modo da<br />
isolare tutto il carbonio contento. Questo carbonio puro viene bruciato a CO 2<br />
.<br />
<strong>La</strong> CO 2<br />
prodotta viene inviata nella camera di ionizzazione un contatore Geiger<br />
che rileva le emissioni. L’emissione viene confrontata con quella di un campione<br />
recente. E’ possibile utilizzare anche uno spettrometro di massa.<br />
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