Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia - Dip. Fisica nucleare e teorica
ottobre 2008
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 1
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAUNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAdip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica
via Bassi 6, 27100 Pavia, Italyvia Bassi 6, 27100 Pavia, Italytel. 038298.7905 tel. 038298.7905 -- [email protected] [email protected] -- www.unipv.it/webgirowww.unipv.it/webgiro
elio girolettielio giroletti
radioattivitàradioattivitàe radiazionie radiazioni
RISCHI FISICI RISCHI FISICI -- elio giroletti elio giroletti -- 20082008
Introduzione Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti
radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia
decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi
strumentazione considerazioni
Caratterizzazione del nuclide
Caratterizzazione del nuclide
Nucleoni, ANeutroni, A-Zprotoni = elettroni, Z XA
Zprotoni elettroni, ZSimbolo chimico, X
XZ219219Rn, Rn, 220220Rn, Rn, 222222RnRn
L’isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma L’isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa (A). (A). Gli isotopi possono o meno essere radioattivi Gli isotopi possono o meno essere radioattivi
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 2
STRUTTURA ATOMICA
atomi 92 elementi naturali
dimensioni ≈ 10–8 cm = Ånucleo (protoni, neutroni) + elettroni
Z = numero atomico A = numero di massa N = numero di neutroni
A = Z + NN = numero di neutroni
peso atomico :riferito all' isotopo 12 del carbonio (12C)
unità di misura S.I.unità di massa atomica (u.m.a.) = dalton
grammo-atomo
Enciclopedia Rizzoli Larousse, cd-rom, 1998
STRUTTURA ATOMICA
carica elettrica
dimensione
elettrone
– e
< 10–18cm(*)
protone
+ e
≈10–13cm
neutrone
0
≈10–13cm
massa
vita media
10 cm
9,07 10–28 g
stabile
(*) limite superiore
0 c
1,67 10–24 g
stabile
10 cm
1,67 10–24 g
≈ 17 min(**)
(**) neutrone libero
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 3
3STRUTTURA ATOMICA
elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi)
elemento isotopi Z A N=A–Zabbondanzarelativa (%)
pesoatomico
12C13C14C
666
121314
678
98.891.11
tracce12.011
carbonio
i 16O 8 16 8 99 759ossigeno 16O17O18O
888
161718
89
10
99.7590.0370.204
15.9994
potassio 39K40K41K
191919
394041
202122
93.1380.0126.800
39.0983
piombo 204Pb206Pb207Pb208Pb
82828282
204206207208
122124125126
1.326.020.752.0
207.19
Origine della radioattivitàOrigine della radioattività
Struttura dell’atomo270 nuclei instabili(radionuclidi) su 2700
isotopi prodotti artificialmente
Radioattività naturale ed artificiale
708090
100110120130140150
numero di numero di neutronineutroni A = 200
A = 100
A = 150
U
l i bilil i bili
N
N = Z
N = A–Z
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10203040506070
o Z
A = 20
A = 50
Pb
Fe
nuclei stabilinuclei stabilinuclei instabili nuclei instabili ⇒⇒emissione di radiazioniemissione di radiazioni
numero di protoninumero di protoni
RADIOATTIVITÀ
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 4
radioattivitàradioattivitàe radiazionie radiazioni
RISCHI FISICI RISCHI FISICI -- elio giroletti elio giroletti -- 20082008
Introduzione Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti
radiazioni alfa, beta e gamma interazione con la materia
decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi
strumentazione considerazioni
radiazione: radiazione: trasporto di energia nello spazio trasporto di energia nello spazio direttamente direttamente ionizzanti ionizzanti
particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) particelle cariche (protoni, ioni, ecc.) alfa: alfa: ααbeta:beta: ββ++ ββ--
LE RADIAZIONI LE RADIAZIONI IONIZZANTIIONIZZANTI
beta: beta: ββ++ -- ββindirettamenteindirettamente ionizzantiionizzanti
Elettromagnetiche: Elettromagnetiche: X X -- γγneutroni neutroni
Energia delle radiazioniEnergia delle radiazioni•• elettromagnetiche, elettromagnetiche, E=hE=hνν•• corpuscolari: corpuscolari: T=(T=(γγ--11)m)m00cc22
RADIAZIONE RADIAZIONE ALFA, ALFA, αα2 neutroni e 2 protoni 2 neutroni e 2 protoni (nucleo di (nucleo di 44HeHe++++))carica: +2 carica: +2 -- direttamente ionizzantedirettamente ionizzantemassa: 4,00278 uma massa: 4,00278 uma -- mm00cc22: 3727,3 MeV : 3727,3 MeV emessa da nuclei pesanti, A>145 emessa da nuclei pesanti, A>145 radiazione monoenergetica, tra 4 e 9 MeV radiazione monoenergetica, tra 4 e 9 MeV numero ionizzazioni in tessuto:numero ionizzazioni in tessuto: ~~2.102.1055 coppie ioni coppie ioni
e e ~~5.105.1066 molecole eccitate e radicali liberi molecole eccitate e radicali liberi
...42
42 ++→ ++−
− HeYX AZ
AZ
...: 22286
22688 ++→ αRnRaesempio
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 5
radiazione radiazione betabeta--, , ee--, , ββ--
elettrone: carica -1, massa 0,000549 umadirettamente ionizzantepenetra da qualche micron a decine di cm emessa da nuclei con eccesso neutroni accompagnata da neutrinoaccompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario
...1 +++→ −+ νeYX A
ZAZ
...: 21483
21482 +++→ − νβBiPbesempio
decadimento decadimento beta, beta, ββ-- (e gamma)(e gamma)
Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987
radiazione radiazione beta+, beta+, ee++, , ββ++
positrone: carica +1, massa 0,000549 umadirettamente ionizzante – annichila penetra in aria: qualche micron – qualche cm emessa da nuclei con difetto neutroni accompagnata da neutrinoaccompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento: estremamente vario
...1 +++→ +− νeYX A
ZAZ
...: 188
189 +++→ + νβOFesempio
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 6
positron emission positron emission tomography, PETtomography, PET
AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997
radiazione radiazione gamma, gamma, γγ--XXfotone: carica 0, E =hE =hν =ν =mcmc22
indirettamente ionizzantepenetra: qualche cm - decine (o centinaia) di m emessa da nuclei in stato eccitato può accompagnare altri decadimentipuò accompagnare altri decadimenti radiazione monoenergetica, molte righe tempo dimezzamento: estremamente vario
...* ++→ γXX AZ
AZ
γνβ 2: 6028
6027 +++→ −NiCoesempio
interazione e rivelazioni delle radiazioni
Le radiazioni ionizzanti sono rivelate dalle interazioni di ionizzazione che:
si manifestano attraversando la materiai d d l tivariano a seconda del tipo
• di sostanza• di radiazione –tipo e energia-
• indirettamente ionizzanti:fotoni e neutroni• dirett.ionizz: particelle cariche e elettroni
da: Brambilla, Pavia 2001
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 7
Interazione delle Interazione delle radiazioniradiazioni
Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987
interazione radiazioni e materiainterazione radiazioni e materiamattonimattoni
ferroferro acquaacqua
alfabetabeta
X X -- gammagamma
piombopiombo
datio
ns o
f IC
RPFo
nte:
ICRP
199
1, 1
990
Reco
mm
end
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 8
Io I(x)
x
collimatore
assorbitore
rivelatore
Xraggi
– ΔIΔx = μ I(x)
ASSORBIMENTO RAGGI X e γ (monocromatici)
I = Io e – μ xμ = coefficiente lineare di
attenuazione totale[μ] = [L]–1
iolg
, II
I ed
.
Produzione immagine radiologicaProduzione immagine radiologicaradiological image productionradiological image production
Font
e: J
ohns
, Cu
nnin
gham
, Ph
ys o
f Ra
di
radioattivitàradioattivitàe radiazionie radiazioni
RISCHI FISICI RISCHI FISICI -- elio giroletti elio giroletti -- 20082008
Introduzione Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti
radiazioni alfa, beta e gamma interazione delle alfa con la materia
decadimento radioattivo leggi del decadimento catene di radionuclidi
strumentazione considerazioni
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 9
decadimento radioattivo decadimento radioattivo
dndn
tnn Δ⋅⋅=Δ− λdtndn ⋅⋅=− λ
dtn
dn⋅−= λ
λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide
)(0
0)()( ttetntn −−⋅= λ
tempo, ttempo, t
1895 1895
nono2
n(t)
no0,50 no
legge del decadimento radioattivo legge del decadimento radioattivo
e
tempo, tT1/2
τo
0,37 no
ττ= = vita media, SI: s vita media, SI: s TT1/21/2=tempo dimezzamento, SI: s=tempo dimezzamento, SI: sλλ = costante di decadimento, SI: s= costante di decadimento, SI: s--11τ
λ 1)2ln(
2/1
==T
radioactive decayradioactive decay
6060
8080
100100 100100
TT1/21/2 =0.693/=0.693/λλ ττ ==1/1/λλ00
00
2020
4040
11
1010
ellapsed time (arbitrary units) ellapsed time (arbitrary units)
--λλ
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 10
n(t)n(t)
decadimento radioattivo decadimento radioattivo
λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide tempo, ttempo, t
λλ33 > λλ22 > λλ11
11
33 22
TT33 < TT22 < TT11
•• attività, attività, A: indica la velocità di A: indica la velocità di decadimento del materiale radioattivo, cioè decadimento del materiale radioattivo, cioè numero di atomi che decadono nell’unità di tempo; numero di atomi che decadono nell’unità di tempo;
attività attività
unità misura, SI: unità misura, SI: becquerelbecquerel (Bq): corrisponde ad una (Bq): corrisponde ad una trasformazione nucleare al secondo: 1 Bq =1 strasformazione nucleare al secondo: 1 Bq =1 s--11; ; precedentemente: precedentemente: 1 curie (Ci) =3,71 curie (Ci) =3,7··10101010 BqBq
•• tempo dimezzamento, tempo dimezzamento, TT1/2 1/2 (s): tempo necessario (s): tempo necessario affinché l’attività si dimezzi affinché l’attività si dimezzi
•• vita media,vita media, ττ (s): tempo medio (s): tempo medio di sopravvivenza del nuclide, di sopravvivenza del nuclide, corrisponde a n(corrisponde a n(ττ) =n) =noo/e/e
decadimento radioattivodecadimento radioattivo
ConsiderazioniConsiderazionitasso di decadimento (e la probabilità)
è costante indipendente dalla “storia” dei nuclei andamento esponenziale
si azzera all’infinito la vita media corrisponde a 1/esi dimezza in un tempo costante
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 11
famiglie radioattive famiglie radioattive →→→ CBA
dtNdN AAA ⋅⋅=− λ
dtNNdN BBAAB )( λλ −= integrandointegrando
[ ]ttA
AB
AB
BA eeNtN λλ
λλλ −− −⋅−
=)(
dtNNdN BBAAB )( λλ
dove: NA = numero di atomi del tipo A, inizialmente presenti NA atomi NB = numero di atomi del tipo B, inizialmente ipotizzati assenti, NB(t0)=0
ttiv
e tt
ive
are
are 600
800
1000
1200 Attività, Bq
60
80
100
120
attività, Aattività, BRapporto %, B/A
fam
iglie
rad
ioat
fam
iglie
rad
ioat
equi
libri
o se
cola
equi
libri
o se
cola
BA λλ << )()( 2/12/1 BTAT >> )()( tAtttAtt AB =
T1/2 di A = 20 T di B
0
200
400
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5Tempo, anni 0
20
40
famiglie radioattivefamiglie radioattiveequilibrio secolareequilibrio secolare
CBA →→ BA λλ <<
)()( tNtN AAB
AB ⋅
−=
λλλ
Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello Se il tempo di dimezzamento del padre è molto maggiore di quello del figlio, allora l’attività del discendente è uguale a quella del del figlio, allora l’attività del discendente è uguale a quella del
progenitore (l’attività e non il numero di atomi radioattivi!)progenitore (l’attività e non il numero di atomi radioattivi!)
)()( tAtttAtt AB =BAB λλλ ≅− )()( tAtttN =λ
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 12
famiglie radioattivefamiglie radioattiveradio, radio, 226226Ra, e radon, Ra, e radon, 222222RnRn
800
1000
1200 Attività, Bq
150
200
0
200
400
600
0,00 0,05 0,10 0,15
Tempo, anni0
50
100
226Ra222RnRapporto %, Rn/Ra
emivita del emivita del 226226Ra (1640 a) >> emivita Ra (1640 a) >> emivita 222222Rn (3,82 g)Rn (3,82 g)
famiglie radioattivefamiglie radioattiveequilibrio secolareequilibrio secolare
radio, radio, 226226Ra, e radon, Ra, e radon, 222222Rn, e figliRn, e figli
Esempi di equilibrio secolareEsempi di equilibrio secolarele attività dei seguenti radionuclidi all’equilibrio le attività dei seguenti radionuclidi all’equilibrio coincidono coincidono Attività(padre) = Attività(figlio):Attività(padre) = Attività(figlio):•• 238238U U →→ ….. ….. →→ 226226Ra Ra •• 226226Ra Ra →→ 222222RnRn•• 222222Rn Rn →→ 218218Po Po →→ ….. ….. →→ 214214Po (l’equilibrio si Po (l’equilibrio si interrompe al interrompe al 210210Pb, in quanto ha una emivita di 20 a)Pb, in quanto ha una emivita di 20 a)
famiglie radioattive famiglie radioattive naturalinaturali
• famiglia del torio, Th-232 (4n)• famiglia dell’uranio, U-238 (4n+2) • famiglia dell’attinio, U-235 (4n+3)• hanno in comune:
• capostipite: elemento a vita molto lunga• l’ultimo è sempre un isotopo del piombo • c’è un nuclide allo stato gassoso
• famiglia torio: Rn-220, toron• famiglia uranio: Rn-222, radon • famiglia attinio, Rn-219, attinon
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 13
famiglia radioattiva famiglia radioattiva -- TORIO TORIO
radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse Th-232 1,4E10 anni α Ra-228 5,8 anni β Ac-228 6,1 ore β,γ Th-228 1,9 anni α,γ Ra 224 3 6 g α γ
PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DEL TORIO
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993
Ra-224 3,6 g α,γ Rn-220 55 s α Po-216 0,15 s α Pb-212 11 ore β,γ Bi-212 61 min α,β,γ Po-212 3E-7 s α Tl-208 3,1 min β,γ
famiglia radioattiva famiglia radioattiva –– URANIO URANIO
radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-238 4,5E9 anni α Th-234 24 g β,γ
Pa-234m 1,2 min β,γ U-234 2,5E5 anni α Th-230 8E4 anni α
PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DELL’URANIO
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993
Ra-226 1,6E3 anni α,γ Rn-222 3,82 g α Po-218 3,1 min α Pb-214 27 min β,γ Bi-214 20 min α,β,γ Po-214 2E-4 s α Pb-210 21 anni α,β,γ Bi-210 5 g β Po-210 140 g α
famiglia radioattiva famiglia radioattiva -- ATTINIO ATTINIO
radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse U-235 7,13E8 anni α,γ Th-231 25,64 ore β,γ Pa-231 3,43E4 anni α,γ Ac-227 21,8 anni β Th 227 18 4
PRINCIPALI RADIONUCLIDI DELLA FAMIGLIA DELL’ATTINIO
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993
Th-227 18,4 g α,γ Fr-223 21 min β,γ Ra-223 11,68 g α,γ Rn-219 3,92 s α,γ Po-215 1,83E-3 s α Pb-211 36,1 min β,γ Bi-211 2,16 min β,γ Po-211 0,52 sec α,γ Tl-207 4,78 min β,γ
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Radioattività 14
altri altri radionuclidi naturaliradionuclidi naturali
rad ionuclide Tem po d im ezzam ento P rincipali rad iazion i em esse K-40 1 ,3E9 anni β ,γ
ALTRI RADIONUCLIDI NATURALIALTRI RADIONUCLIDI NATURALINON APPARTENENTI ALLE FAMIGLIE RADIAOTTIVENON APPARTENENTI ALLE FAMIGLIE RADIAOTTIVE
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993
, β ,γRb-87 5E10 anni β
La-138 1 ,1E11 anni β ,γ Sm -147 1 ,3E11 anni α , Lu-176 3E10 anni β ,γ Re-187 5E10 anni β
RadionuclidiRadionuclidiCOSMOGENICI COSMOGENICI
RADIONUCLIDI NATURALIRADIONUCLIDI NATURALIDI ORIGINE COSMOGENICADI ORIGINE COSMOGENICA
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, 1993
DI ORIGINE COSMOGENICADI ORIGINE COSMOGENICA
Radionuclide Tempo dimezzamento Principali radiazioni emesse H-3 12,3 anni β Be-7 53,6 g β C-14 5730 anni β
Na-22 2,61 anni β
radioattivitàradioattivitàe radiazionie radiazioni
RISCHI FISICI RISCHI FISICI -- elio giroletti elio giroletti -- 20082008
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