Le radiazioni e la loro misura

Le radiazioni e la loro misura
Le radiazioni e le radiazioni ionizzanti
Nuclei, radioattività, reazioni nucleari
Einstein, la legge
2
E = mc
l'energia nucleare
Uso degli strumenti di misura
e
Che cosa sono le radiazioni
Il termine RADIAZIONE viene usato, a volte, in alternativa a
ONDE ELETTROMAGNETICHE soprattutto quando ci si
riferisce a particolari frequenze dell'onda elettromagnetica.
Infatti a seconda delle frequenze coinvolte, si parla di :
onde radio, radiazioni infrarosse, luminose, ultraviolette,
... radiazioni ionizzanti
Per ogni tipo di radiazione c'è sempre:
Una sorgente
Un rivelatore
Qualche cosa che “viaggia” dalla sorgente al rivelatore
Ciò che viaggia è .... un flusso di energia!
L'energia della radiazione
●
L'energia della radiazione è portata da singoli “granelli”,
i “quanti di energia” (chiamati fotoni)
●
L'energia E del singolo quanto si calcola dalla
“ipotesi di Einstein”, E = h f
(f = frequenza della radiazione
h = 6,6 x 10 -34 J•s costante di Plank)
I quanti di energia
Alcuni esempi per capire gli ordini di grandezza
dell'energia coinvolta nelle diverse radiazioni:
Quanta energia ha un “fotone rosso” ?
Pochissima: circa 3 x 10 -19 joule (≈ 2 eV)
ottenuta dal calcolo 6,6 x 10 -34 (J•s) x 4,5 x 10 14 (s-1)
Un “fotone termico” ha un'energia 10 volte più piccola
e un “fotone del telefono cellulare” circa un miliardo di
volte di meno ( ≈ 10
-9
eV)
Per ogni tipo di quanto occorrono
sorgenti e rivelatori opportuni
La sorgente:
trasforma in energia radiante altre forme di energia
Il rivelatore:
trasforma l'energia radiante in altre forme di energia
Esempio
In una lampadina (sorgente di “fotoni visibili”)
Energia elettrica
Energia termica
Energia radiante
Esempio
Nella retina dell'occhio (rivelatore di “fotoni visibili”)
Energia radiante
Energia chimica
Energia elettrica
I rivelatori e la soglia di sensibilità
Qual è la minima energia
perchè il rivelatore “funzioni” ?
E quindi qual è il numero
minimo di quanti di energia ?
Non è un problema di energia
ma di potenza = E / Δt (J/s)
E quindi
di numero di quanti al secondo
Esempio
Quanti fotoni al secondo colpiscono la retina se siamo in grado
di vedere un LED rosso alla distanza di 500 m ?
Bisogna considerare:
La potenza del LED
e l'energia di un fotone
La distanza tra retina
e LED
Area sensibile della retina
La frazione F di potenza intercettata è circa proporzionale al quadrato
del rapporto tra il raggio dell'area sensibile della retina “r” e la distanza
tra retina e LED “R”.
Quindi per r ≈ 2 mm e R ≈ 500 m
F ≈ r2/R2 ≈ 10-11
Per un LED di 1 W di potenza che emetta fotoni da 10-19 J
il numero di fotoni al secondo risulta essere circa
10-11 • 1 W / 10-19 J = 100 milioni
Le radiazioni ionizzanti
I loro quanti hanno energie miliardi di volte
maggiori dell'energia delle radiazioni visibili
L'energia è così alta che un rivelatore
può facilmente rivelare il singolo quanto
Da dove proviene questa enorme energia ?
Da reazioni nucleari
Cominciando da ciò che sapete

Gli atomi di ciascun elemento della tavola
periodica sono distinti per
numero atomico Z
numero di massa A

Le reazioni chimiche conservano:
le specie atomiche
la massa
ovvero gli atomi si aggregano in modo diverso, ma mantengono la loro identità.
Le reazioni nucleari
Verso la fine del 1800, Bequerel, dimenticando dei sali di uranio a contatto
con delle emulsioni fotografiche, scopre che le emulsioni si erano annerite
senza che i sali fossero stati esposti al sole; non riesce però ad interpretare
il fenomeno
All'inizio del 1900 :
●
vengono scoperti dei fenomeni quantistici interpretati da Plank
●
Einstein enuncia la sua teoria della relatività ristretta introducendo
anche il concetto di equivalenza tra massa ed energia
●
Rutherford formula la sua teoria atomica
●
Negli anni successivi, continuando a studiare le reazioni nucleari,
si riesce a fornire anche un modello per il nucleo, introducendo
anche il concetto di isotopo
La struttura interna dei nuclei e le reazioni nucleari
Ogni nucleo è caratterizzato da un proprio
numero di carica Z
numero di massa A
Si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo stesso Z ma diverso A,
ovvero hanno stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni
Il numero Z è dato dal numero di protoni presenti nel nucleo, mentre il
numero A è dato dal numero totale di nucleoni (protoni + neutroni)
Nelle reazioni nucleari i nuclei possono trasformarsi gli uni negli altri
ma si conservano il numero totale di cariche elettriche e il numero totale di nucleoni
Nel conteggio delle cariche elettriche che intervengono nella reazione,
vanno inclusi anche gli eventuali β+ o β- , che portano carica elettrica
ma hanno numero di massa nullo, non essendo dei nucleoni
Esempi di reazioni nucleari
Massa ed energia nelle reazioni nucleari
Dall'uranio fermo vengono prodotti Torio e particella α in movimento per effetto
della conservazione della quantità di moto e quindi la massa dell'uranio deve essere
maggiore della somma delle singole masse dei prodotti di decadimento
Il difetto di massa
L'energia di legame
Dalla precedente diapositiva e dall'equivalenza tra massa ed energia
si vede che se il nucleone fosse libero, fuori dal nucleo e fermo,la sua
energia minima sarebbe quella dovuta alla sua massa.
Nel nucleo invece la sua energia è minore, ovvero gli serve energia per
diventare libero: questa energia mancante è
l'energia di legame
L'energia di legame e il numero di massa
ΔE(Th234 – U238) = 0,018 per nucleone
ΔE(α – U238) = -0,5 per nucleone
Quindi in totale l'energia che si libera nella reazione è data da
ΔE = 234 • 0,018 – 4 • 0,5 = 4 MeV
Un po' di conti
Per i contatori geiger che verranno usati si può stimare:
● Una massa di circa 1 grammo nella zona sensibile
●
Energia media depositata dalla singola particella circa 10-13
Joule (0,5 Mev)
● Fattore di qualità circa 1(i nuclei pesanti vengono bloccati
dalla finestra di protezione del tubo geiger)
Per passare da Bq (conteggio medio al secondo) a mSv/anno:
1 Bq ≈ 107 conteggi/anno (1 anno = 365 giorni * 24 h/giorno * 3600 s/h)
1 conteggio nel contatore → 10-13 J/10-3 kg = 10-10 Sv
107 conteggi/anno ≈ 10-3 Sv/anno ≈ 1 mSv/anno
1 conteggio/secondo è ben al di sotto del limite raccomandato