Radioattivitàper il corso di Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare

martedì 22 novembre 11

Perché la radioattività?• La radioattività rappresenta una delle maggiori

sorgenti di fondo per i rivelatori di particelle

• La radioattività da origine a particelle di diverso tipo (!,",#,n) e di diverse energie (0-10 MeV)

• Conoscerla è necessario per evitarla, schermarla o comunque ridurla a un livello accettabile

Ogni cosa è radioattivamartedì 22 novembre 11

Outline

• Definizioni

• Decadimenti radioattivi

• Cenni di radioprotezione

• Background shielding

martedì 22 novembre 11

DefinizioniLa radioattività, o decadimento radioattivo, è un processo per cui alcuni nuclei atomici instabili (radionuclidi) decadono (si trasformano) in nuclei di energia inferiore raggiungendo uno stato di maggiore stabilità con emissione di particelle (radiazioni ionizzanti), in un certo tempo aleatorio detto tempo di decadimento.

La ionizzazione è la rimozione di elettroni da atomi o molecole con la conseguente creazione di ioni. Perché la radiazione sia ionizzante deve avere energia a sufficienza per strappare un elettrone dall’atomo con il quale interagisce.Energie dell’ordine di qualche decina di eV (1 eV = 1.6·10-19 J) sono sufficienti per produrre ionizzazione.

Se il nucleo che si è formato in seguito al decadimento è a sua volta instabile, il processo continua più o meno velocemente nel tempo finché gli elementi via via prodotti, che possono essere a loro volta radioattivi, non raggiungono una condizione di stabilità (catena di decadimento).

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Stabilità nucleare• La stabilità nucleare è data dalla forza forte che bilancia la repulsione Coulombiana.

Se però queste forze non sono bilanciate il nucleo tende spontaneamente a trasformarsi in un nucleo più stabile.

• Ogni elemento è caratterizzato da un valore di Z ma per lo stesso valore di Z abbiamo diversi valori di A (p+n). Nuclei con stesso Z ma diverso A si dicono isotopi

Naturally occurring

Radioisotopes 52Fe, 53Fe, 55Fe, 59Fe, 60Fe, 61Fe, 62Fe

54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe

Alcuni degli isotopi naturali e buona parte di quelli artificiali sono instabili. Per Z > 82 non ci sono isotopi stabili.

Valle di stabilità

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Decadimento radioattivo

• 1 Curie = 3.7 ⋅1010 decay/s (attività di 1 g di 226Ra)

• 1 Bq = 1 decay/s (si usano di solito kBq o MBq)

• attività specifica [Bq/kg]:

dN

dt= ��N

costante di decadimentoattività (rate di decadimento)

�A

M

numero di Avogadro

peso molecolare

Tempo necessario per ridurre del 50% l’attività della sorgente

N(t) = N0e�t/�

⇥ =1�

T1/2 =ln2�

Legge fondamentale del decadimento radioattivo

Vita MediaEmivita o tempo di

dimezzamento

Numero di nuclei iniziali

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Decadimento α

Q-value: energia rilasciata, si divide tra la particella ! e il nucleo figlio

AZX �A�4

Z�2 Y +42 �

nucleo padre

nucleo figlio

E� = Q(A� 4)/APer poter essere emessa dal nucleo la particella ! deve superare la barriera coulombiana del nucleo (effetto tunnel).

L’energia dell’ ! è direttamente correlata alla probabilità di decadimento e quindi inversamente correlata alla vita media del decadimento

(~ 4 - 9 MeV)

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Decadimento β• Viene emesso un elettrone (β-) oppure un positrone (β+) con spettro

continuo

• Tranne pochi casi (emettitori beta puri) è accompagnato da emissione di gamma (monocromatici) dovuti alla diseccitazione del nucleo figlio

• Il decadimento beta+ è accompagnato dalla radiazione di annichilazione del positrone (due gamma da 511 keV)

beta purobeta + gamma

Q valore

spettro beta

n� p + e� + �̄e

p� n + e+ + �e

AZX �A

Z+1 Y + e� + �̄eAZX �A

Z�1 Y + e+ + �e

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Electron Capture• In questo processo un elettrone atomico viene assorbito dal nucleo, che

trasforma un protone in un neutrone, con emissione di un neutrino

• Compete con il decadimento β+ in nuclei con p > n oppure avviene nei casi in cui il decadimento β+ non è permesso energeticamente

• È accompagnato da emissione di raggi gamma (livelli nucleari) dovuti alla diseccitazione del nucleo figlio

e� + p� n + �e

• Inoltre, poiché l’elettrone catturato proviene da una delle shell più interne (K, L, etc...), è seguito da emissione di Raggi X (livelli atomici) o alternativamente elettroni monocromatici (Auger)

e� +AZ X �A

Z�1 Y + �e

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Nuclear Data Sheets

• Esistono diversi siti che forniscono tutte le informazioni relative ai nuclei (livelli nucleari, tipi di decadimento, radiazioni emesse, etc...)

• http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/

• http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/

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Fissione spontaneaLa fissione spontanea è una forma di decadimento radioattivo caratteristica di isotopi molto pesanti, in cui il nucleo padre si divide in due nuclei più piccoli (frammenti) con emissione di neutroni e gamma.

È teoricamente possibile per qualsiasi nucleo atomico con A>100. In pratica, tuttavia, la fissione spontanea è energeticamente fattibile soltanto per A>230 (gli elementi vicini al torio). La fissione spontanea è il meccanismo più probabile solo per nuclei con A>250, altrimenti il decadimento ! è più favorito.

Per l'uranio e il torio, la modalità di decadimento per fissione spontanea si presenta, ma la probabilità è bassa ed è solitamente trascurata.

Il criterio per stabilire se possa presentarsi la fissione spontanea è approssimativamente:

Z2

A� 47

Esiste anche la fissione indotta (da n o γ)

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DosimetriaDose assorbitaEnergia media depositata dalla radiazione in un elemento di volume di massa unitaria.D= dE/dmSi misura in Gray (Gy)

Dose equivalenteOltre a considerare l’energia depositata tiene conto anche del diverso grado di danno provocato dalle radiazioni.Si ottiene moltiplicando la dose assorbita per un fattore di ponderazione che dipende dal tipo di radiazione:

H= Q·DQ = 1 per fotoni ed elettroniQ = 20 per particelle alfaSi misura in Sievert (Sv)

Dose efficaceTiene conto della diversa radiosensibilità dei tessutiSi ottiene moltiplicando la dose equivalente per un fattore di ponderazione che dipende dall’organo o tessuto.Si misura in Sievert (Sv)

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RadioprotezioneLa radioprotezione è una disciplina autonoma che ha come oggetto la protezione dell'uomo e dell'ambiente dagli effetti nocivi delle radiazioni. Si fonda su concetti di fisica e di biologia.

La radioprotezione trova attuazione nella pratica in un insieme di leggi, norme e procedure tese alla protezione da effetti nocivi sui lavoratori e sulla popolazione.

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RadioprotezioneLe particelle ! non rappresentano un pericolo per irraggiamento esterno, infatti per la maggior parte non riescono nemmeno ad attraversare lo strato di cellule morte della pelle.Rappresentano invece un pericolo se vengono introdotte nel corpo,infatti avendo dei range molto piccoli ed un potere ionizzante elevato l’energia rilasciata sarà fortemente localizzata intorno alla zona in cui si trova la particella

Le particelle " con energia superiore ai 70 keV sono in grado di superare lo strato di cellule morte e quindi possono depositare la loro energia nei tessuti.La maggior parte delle radiazioni " ha un range inferiore ai 50 mm e poiché gli organi vitali si trovano ad una profondità pari o superiore a questa distanza, questi organi non saranno interessati dall’esposizione. L’irraggiamento esterno si può avere dai raggi X prodotti per frenamento su materiali con elevato numero atomico.Se introdotte nell’organismo, l’energia rilasciata è meno localizzata rispetto al caso delle particelle !, ma rappresentano comunque una fonte di contaminazione interna

Raggi X e Gamma avendo un potere penetrante elevato sono pericolosi per irraggiamento esterno. E’ importante quindi l’utilizzo di schermature che tengano conto anche della radiazione diffusa (in particolare per i raggi X)L’esposizione riguarderà l’intero corpo, e bisognerà porre particolare attenzione ai tessuti ed agli organi più radiosensibili.

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Radioattività naturale

• La radioattività è una normale componente dell’ambiente in cui viviamo

• L’uomo è stato esposto alle radiazioni di origine naturale fin dal suo apparire sulla Terra

• Fino a circa un secolo fa questa è stata l’unica fonte di irraggiamento e ancora adesso, nonostante il largo uso di sostanze radioattive artificiali e impianti radiogeni, è il maggior contributo alla dose ricevuta dalla popolazione mondiale

• La radioattività naturale si divide in due componenti: terrestre e extra-terrestre

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Terrestre vs extra-terrestre• La prima è dovuta ai radionuclidi

primordiali presenti in varie concentrazioni nei materiali inorganici (rocce, minerali) fin dalla formazione della Terra: 40K, 87Rb, 238U, 235U, 232Th

• La seconda è dovuta ai raggi cosmici e ai radionuclidi cosmogenici (prodotti da interazione dei raggi cosmici): 14C, 7Be, etc...

• Insieme formano il fondo naturale di radiazioni

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Radioattività artificiale

Sorgenti radioattive per applicazioni industriali (rivelatori di incendio, rivelatori di livello, rivelatori di umidità e contenuto d'acqua, quadranti di orologio, sistemi antistatici, insegne luminose, etc.).Dispositivi a raggi X e gamma (grandi irradiatori, acceleratori di particelle) per la determinazione di difetti nelle saldature e nelle strutture di fusione, per la sterilizzazione di derrate alimentari e di prodotti medicali, etc.Reattori nucleari.

Sorgenti di radiazioni sia in diagnostica che in terapia medica (seconda causa di esposizione della popolazione alle radiazioni ionizzanti e la maggior fonte di esposizione alle radiazioni artificiali) Radioisotopi per la medicina nucleare (radionuclidi iniettati nell'uomo per lo studio di numerosi processi e per la localizzazione di tumori). Acceleratori di particelle e radionuclidi nella radioterapia tumorale. Tomografia (PET: tomografia ad emissione di positroni; TAC: tomografia assiale computerizzata a raggi X)

Ricerca, nelle più diverse discipline (praticamente impossibile elencare tutti i campi di applicazione scientifica). Un cenno particolare merita però, per le enormi ricadute anche extra- scientifiche che ne sono conseguite, la ricerca nel campo della fisica nucleare che si svolge principalmente presso gli acceleratori di particelle.

Comprende la radioattività derivante dai radioisotopi di origine antropogenica (attività umane)

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Legislazione

Lavoratori esposti - 20 mSv/anno per la dose efficace;- 150 mSv/anno per la dose equivalente al cristallino;- 500 mSv/anno per la dose equivalente alla pelle;- 500 mSv/anno per la dose equivalente a mani, avambracci, piedi, caviglie.

Lavoratori non esposti e persone del pubblico - 1 mSv/anno per la dose efficace;- 15 mSv/anno per la dose equivalente al cristallino;- 50 mSv/anno per la dose equivalente alla pelle.

1. Nuovi tipi o nuove categorie di pratiche che comportano un'esposizione alle radiazioni ionizzanti debbono essere giustificati, anteriormente alla loro prima adozione o approvazione, dai loro vantaggi economici, sociali o di altro tipo rispetto al detrimento sanitario che ne può derivare.2. I tipi o le categorie di pratiche esistenti sono sottoposti a verifica per quanto concerne gli aspetti di giustificazione ogniqualvolta emergano nuove ed importanti prove della loro efficacia e delle loro conseguenze.3. Qualsiasi pratica deve essere svolta in modo da mantenere l’esposizione al livello più basso ragionevolmente ottenibile, tenuto conto dei fattori economici e sociali.4. La somma delle dosi derivanti non deve superare i limiti di dose stabiliti per i lavoratori esposti, gli apprendisti, gli studenti e gli individui della popolazione.

ALARA (As Low As Reasonably Achievable): procedura per tenere le dosi ricevute dai lavoratori edal pubblico le più basse possibili, tenendo conto dei fattori economici e sociali.

Rif. NormativiDLgs 230/95 e s.m.i.DLgs 241/00 e s.m.i.DLgs 187/00 e s.m.i.

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Detector ShieldingIl livello di fondo indotto dalla radioattività detemina il Livello Critico di rivelazione

Fondo interno: dovuto ai materiali che costituiscono il rivelatore stesso (anche ! e " sono rilevanti)

Fondo esterno: ambiente + raggi cosmici (gamma, neutroni e muoni)

In più dobbiamo considerare che anche i materiali che usiamo per schermare possono produrre fondo.

si riduce scegliendo materiali il più possibile radiopuri (material screening) o con tecniche di discriminazione (anticoincidenza, pulse shape analysis, etc...)

si usano schermi diversi a seconda del tipo di particella

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Gamma shielding

• Si usano materiali ad alto Z

• Schermo interno di rame (~ decine di cm): alto Z, molto radiopuro ma molto costoso

• Schermo esterno di Pb (~ 10 cm): di più si rischia di produrre maggiore fondo per interazioni di cosmici e neutroni (buildup). Spesso contiene 210Pb, si usa low-activity lead.

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Neutron shieldingSi fa in due step:

• Moderazione: materiali a basso Z, ricchi di idrogeno (acqua, polietilene, cemento). Servono diverse decine di cm

• Cattura: materiali con alta sezione d’urto per cattura neutronica (boro, cadmio, gadolinio)

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Raggi cosmici• Si riduce effettivamente solo andando sottoterra

• In generale si usa un veto attivo (muon veto)

• La maggior parte degli esperimenti che ambiscono a un livello di fondo estremamente basso (neutrini, materia oscura, decadimento doppio beta) lo possiedono

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