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..

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1E+10

1E+11

0 50 100 150 200 250

Mass Number

Ab

un

dan

ce r

elat

ive

to 1

06 S

i

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1.E+10

1.E+11

0 50 100 150 200 250

1H

2He

12C16O

20Ne

40Ca

56Fe

118Sn 138Ba195Pt

208Pb232Th

235U238U

CAGB stars

H,HeBig Bang

-elementsType I I SN

Fe-peakType I SN

N=82r-process peakType I I SN

N=126r-process peakType I I SN

N=82s-process peak

AGB stars N=126s-process peak

AGB stars

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1E+10

1E+11

0 50 100 150 200 250

Mass Number

Ab

un

dan

ce r

elat

ive

to 1

06 S

i

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1.E+10

1.E+11

0 50 100 150 200 250

1H

2He

12C16O

20Ne

40Ca

56Fe

118Sn 138Ba195Pt

208Pb232Th

235U238U

CAGB stars

H,HeBig Bang

-elementsType I I SN

Fe-peakType I SN

N=82r-process peakType I I SN

N=126r-process peakType I I SN

N=82s-process peak

AGB stars N=126s-process peak

AGB stars

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.

Abbondanza relativa degli elementi nel sistema Abbondanza relativa degli elementi nel sistema solaresolare

Spettroscopia gammaLa 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. 1

Fig. 2

Fig. 3 Fig. 4

HV

PA and SA

MCA

Computer

Catena elettronica

Esempio di spettro di fondo

40K 214Bi 232Th214Bi

208Tl214Pb

Conoscenze necessarieFisica• 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