numero di massa
annuncio pubblicitario
ORGANIZZAZIONE DI VOLONTARIATO PROTEZIONE CIVILE SETTIMO SAN PIETRO CAGLIARI ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE Corso Interno Rivelatori Chimico Biologici Settimo San Pietro 27 marzo – 1° luglio 2012 Presentazione in power point Relatore Lgt. G.FARCI OdV Protezione Civile SSP Un po' di fisica nucleare: La radioattività Struttura dell’atomo Atomi al microscopio Atomi al microscopio Numero Atomico Il numero atomico (indicato solitamente con Z , dal tedesco Zahl, e detto anche numero protonico) corrisponde al numero di protoni contenuti in un nucleo atomico. In un atomo neutro il numero atomico è pari anche al numero di elettroni; in caso contrario l'atomo è detto ione. Si usa scrivere questo numero come pedice sinistro del simbolo dell'elemento chimico in questione: per esempio 6C, poiché il carbonio ha sei protoni. Ad ogni numero atomico corrisponde un diverso elemento chimico. Atomi aventi stesso numero atomico ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi. In fisica il numero atomico è indicato con la sigla N.A. ed indica il numero di protoni presenti in un atomo cioè se il numero atomico di un atomo è 5 vuol dire che essendo l'atomo neutro avrà 5 protoni e 5 elettroni Numero di Massa Il numero di massa (solitamente indicato con A) è pari alla somma delle masse di tutti i protoni e i neutroni presenti in un atomo, siccome le masse di neutroni e protoni sono circa pari a 1 si può dire che il numero di massa sia pari al numero di nucleoni (ovvero protoni e neutroni) contenuti in un nucleo atomico. Quando di un elemento si vuole specificare il numero di massa, lo si scrive in alto, a sinistra del simbolo chimico. Per esempio, per l'isotopo del carbonio con numero di massa 12 si rappresenta con: 12C. Tavola Periodica La tavola periodica degli elementi è lo schema col quale vengono ordinati gli atomi sulla base del loro numero atomico Z. Ideata dal chimico russo Dimitrij Mendeleev nel 1869, contemporaneamente ed indipendentemente dal chimico tedesco Julius Lothar Meyer (1830 - 1895), inizialmente contava numerosi spazi vuoti, previsti per gli elementi che sarebbero stati scoperti in futuro, taluni nella seconda metà del 1900. La tavola periodica si articola in gruppi e periodi: · Ogni gruppo (colonne verticali della tavola) comprende gli elementi che hanno la stessa configurazione elettronica esterna (modo in cui gli elettroni si dispongono attorno al nucleo). All'interno di ogni gruppo si trovano elementi con caratteristiche simili. Ogni periodo (linee orizzontali delle tabella) inizia con un elemento il cui atomo ha come configurazione elettronica esterna un elettrone di tipo s, o ns dove n è il numero quantico principale, e procedendo verso gli atomi successivi del periodo, il numero atomico Z aumenta di una unità ad ogni passaggio. Tavola Periodica Legame Ionico Quando due o più atomi si uniscono per formare una molecola, può esserci competizione per gli elettroni disponibili tale da avere il quasi completo trasferimento d'uno o più elettroni da un atomo all'altro. In tal modo gli atomi risultano carichi e sono legati fortemente dalle forze elettrostatiche esistenti tra gli anioni negativi e i cationi positivi. La formazione di un legame ionico comporta l'asportazione di un elettrone da un atomo, un processo chiamato ionizzazione, e l'energia necessaria è il potenziale di ionizzazione di quell'atomo (v. ioni; ionizzazione). L'altro atomo acquista un elettrone e la misura della sua capacità di farlo è detta affinità elettronica dell'atomo. Quando un atomo di sodio e uno di cloro interagiscono, per esempio, si forma il sale da cucina. Legame Covalente Quando la competizione per gli elettroni di legame non è tanta quanta nel legame ionico, gli elettroni esterni vengono condivisi e si forma una legame covalente. Gli elettroni esterni che partecipano al legame si chiamano elettroni di valenza. Per esempio, due atomi di idrogeno, ognuno con valenza uno, possono combinarsi per formare la molecola biatomica di idrogeno, mettendo in compartecipazione due elettroni. Mentre i due atomi si avvicinano la nuvola elettronica di un atomo risente della forza attrattiva del nucleo dell'altro. Questa attrazione viene bilanciata, ad una piccola distanza interatomica, dalla repulsione dei due nuclei positivi e delle due nuvole elettroniche. La distanza favorita è quella alla quale vi è la massima stabilizzazione e questa è la distanza internucleare di equilibrio, o distanza di legame. Protone Particella nucleare dotata di carica positiva uguale e opposta a quella dell’elettrone. Insieme al neutrone, è un costituente fondamentale dei nuclei atomici e per questo motivo ci si riferisce alle due particelle con il termine comune nucleone. Il protone ha massa approssimativamente 1836 volte la massa dell’elettrone; la massa di un atomo è quasi interamente concentrata nel nucleo. Attualmente sono in corso numerosi esperimenti volti a dimostrare l’instabilità del protone, ma finora non è stata ottenuta nessuna prova definitiva. L’antiprotone, cioè l’antiparticella del protone, è stabile nel vuoto e non decade spontaneamente. Quando un antiprotone collide con un protone o un neutrone, le due particelle coinvolte nel processo si trasformano in mesoni, hanno vita media estremamente breve. La particella venne identificata per la prima volta nel 1955 presso Radiation Laboratory dell’universita della California. Neutrone In fisica, il neutrone è una particella subatomica senza carica elettrica e con massa a riposo di 939,57 MeV (leggermente superiore a quella del protone, pari a 938,27 MeV). Al di fuori del nucleo, i neutroni sono instabili ed hanno una emivita di circa 15 minuti. Decadono in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino. La caratteristica dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle subatomiche, è l'assenza di carica elettrica. Questa proprietà dei neutroni ritardò la loro scoperta, li rende molto penetranti, e impossibili da osservare direttamente. Anche se gli atomi, nel loro stato normale, sono privi di carica, sono migliaia di volte più grandi di un neutrone e consistono di un complesso sistema di elettroni con carica negativa, spaziati attorno a un nucleo con carica positiva. Elettrone Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un solo grammo di materia! Sappiamo inoltre che l’elettrone è privo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole. Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo "e-" e la sua carica elettrica per convenzione è negativa. La carica dell'elettrone Qe viene identificata come carica elementare. In questo modo, la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare Qe. La scoperta degli elettroni, nel 1897, da parte di J.J. Thompson, ha messo in evidenza per la prima volta l'esistenza delle particelle elementari, o meglio la natura non continua della materia. John Dalton Nel corso dei suoi studi Dalton si avvalse delle conoscenze chimiche che possedeva (la legge della conservazione della massa e la legge delle proporzioni definite) e formulò la sua teoria atomica, che si fondava su cinque punti: •la materia è formata da particelle elementari chiamate atomi che sono indivisibili e indistruttibili; •gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro; •gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporti di numeri interi e generalmente piccoli dando così origine a composti; •gli atomi non possono essere né creati né distrutti. •gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi. Questa viene considerata la prima teoria atomica della materia perché per primo Dalton ricavò le sue ipotesi per via empirica. Cosa pensate vedendo.. = Cosa pensate vedendo.. = Il sincrotrone del Centro Nazionale di Adroterapia La radioattività La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è un fenomeno naturale, presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi. Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla). L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo. La radioattività: isotopi La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici che conosciamo. Quello che cambia da un elemento all’altro è il numero dei protoni e dei neutroni che l’atomo contiene. Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato “numero atomico” e si indica con la lettera Z. L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio... Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata numero di massa. I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A (ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono chiamati isotopi. La radioattività: i decadimenti Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi. La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata decadimento radioattivo. La radioattività: la vita media Il tempo medio che occorre aspettare (che può essere estremamente breve o estremamente lungo) viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni. Radiazioni alfa, beta e gamma Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni. alfa beta gamma La radioattività – Decadimento a In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella a (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Le radiazioni a sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta La radioattività – Decadimento b Decadimento b: Il nucleo emette un e- e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle a, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici La radioattività – Decadimento g Decadimento g: Il nucleo non si trasforma ma passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella a o b. Al contrario delle radiazioni a e b, le radiazioni g sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. • Utilizzo: terapie oncologiche L’AMERICIO 241 241 94 Pu decad. b T1/2=13 anni decad. a 237 T1/2=433 anni 93 Np Viene considerato stabile Perche ha un tempo di dimezzamento di 2,2 106 anni. Come vediamo le particelle??? Esistono diversi tipi di rivelatori di particelle che sfruttano diversi meccanismi: alcuni sono elettronici (sfruttano un segnale elettrico indotto dalla particella), altri “memorizzano” la sua traccia, ecc. Oggi qui useremo un particolare tipo di rivelatore: il CR39, un rivelatore nucleare “a tracce”. Come funziona? S16+200 GeV/nucleone Tantissime applicazioni Raggi cosmici Monopoli magnetici, nucleariti… Studio delle reazioni nucleari Dosimetria delle radiazioni Misure ambientali (radon) … Composizione dei raggi cosmici: in pallone o satelliti Un esempio: l’esperimento CAKE Esperimento CAKE : ~ 2 m2sr per nuclei di Fe Esperimento in alta quota per: • Monopoli magnetici •Matteria strana di quark •Q-balls… Laboratorio di Chacaltaya, Bolivia 5230 m a.s.l L’esperimento Nuclear track detectors Absorber Area totale ~ 440 m2 Un modulo (2424 cm2) MACRO: Esperimento sotto terra (LNGS) -50% -20% CR39 Efficienza della misura = 30% Il RISCHIO NUCLEARE è dovuto ad eventi incidentali o volutamente provocati che determinano un danno sostanzialmente dovuto alla RADIOATTIVITA’ ed alle RADIAZIONI IONIZZANTI La Radioattività Argomenti Principali •Struttura dell’atomo e significato di “numero atomico”e “numero di massa” •Definizione di Isotopo e relativa simbologia •Definizione di radioattività •Reazione nucleari di decadimento radioattivo IL NUMERO ATOMICO: è il numero di PROTONI contenuti nel NUCLEO dell’Atomo Determina le PROPRIETÀ CHIMICHE dell’Atomo e quindi il tipo di ELEMENTO a cui l’Atomo appartiene IL NUMERO DI MASSA: è la somma del numero dei PROTONI e NEUTRONI contenuti nel NUCLEO dell’Atomo Determina PROPRIETÀ FISICHE dell’Atomo, tra cui: IL PESO LA STABILITA’ DEL NUCLEO Due o più Atomi si dicono ISOTOPI di un certo elemento chimico quando: Hanno UGUALE NUMERO ATOMICO (Quello dell’Elemento) e quindi STESSE PROPRIETA’ CHIMICHE Hanno DIVERSO NUMERO DI MASSA e quindi DIFFERENTI PROPRIETA’ FISICHE ESEMPIO DI ISOTOPI DI UN ELEMENTO IDROGENO isotopi: H 1 H 2 H 3 1 1 1 IDROGENO 1 (Anche detto PROTIO) non è radioattivo IDROGENO 2 (Anche detto DEUTERIO) non è radioattivo IDROGENO 3 (Anche detto TRIZIO) è radioattivo !!!!!!!!!! LA TABELLA DEGLI ISOTOPI LA “TABELLA DEGLI ISOTOPI” RIPORTA PER CIASCUN ELEMENTO CHIMICO GLI ISOTOPI CONOSCIUTI NONCHE’ LA LORO ABBONDANZA IN NATURA. INOLTRE PER CIASCUN ISOTOPO VIENE INDICATO L’EVENTUALE TIPO DI RADIAZIONE EMESSA ED ALTRI PARAMETRI IMPORTANTI QUALI IL “TEMPO DI DIMEZZAMENTO” E L’ENERGIA DELLA RADIAZIONE. ESEMPIO DI TABELLA DEGLI ISOTOPI Z ELEMENTO NUMERO ATOMICO A NUMERO DI MASSA ABBOND. RADIAZIONE T½ TEMPO DI DIMEZZAMENTO % ENERGIA (MeV) ab 1 2 IDROGENO ELIO 1 2 3 3 4 6 99,98 0,0156 1,3*10-6 100 - BETABETA- 12,5 ANNI 0,8 SEC. g 0,018 3,5 13 ALLUMINIO 26 27 28 29 100 - BETA+ BETA-,GAMMA BETA- 6,3 SEC. 2,3 MIN. 6,5 MIN. 4 4,6 3,7 1,25 - 92 URANIO 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 0,0051 0,71 99,28 ALFA ALFA ALFA KAPPA ALFA ALFA-GAMMA ALFA ALFA-GAMMA BETA-GAMMA ALFA ALFA 9,3 MIN. 58 MIN. 20,8 GIORN. 4,2 GIORN. 70 ANNI 1,62*105 ANNI 2,67*105 ANNI 7*108 ANNI 6,7 GIORN. 2,3*107 ANNI 4,49*109 ANNI 6,72 6,42 5,85 5,29 4,82 4,76 4,39 0,23 4,6 4,18 0,04 0,162 0,032 - LA RADIOATTIVITA’ La RADIOATTIVITA’ è l’effetto della trasformazione spontanea (decadimento radioattivo) del nucleo di alcuni isotopi che come tali si chiamano RADIOISOTOPI LE FORME DI DECADIMENTO RADIOATTIVO (TRASFORMAZIONI SPONTANEE ) PIU’ FREQUENTI SONO IL: DECADIMENTO ALFA DECADIMENTO BETA DECADIMENTO ALFA - GAMMA DECADIMENTO BETA - GAMMA DEFINIZIONE DI RADIAZIONE Emissione di energia associata al moto di particelle o alla propagazione di onde elettromagnetiche (fotoni) RADIAZIONI NUCLEARI LE RADIAZIONI DENOMINATE “NUCLEARI” SONO QUELLE ALFA, BETA E GAMMA EMESSE SPONTANEAMENTE DA ISOTOPI RADIOATTIVI MEDIANTE IL DECADIMENTO. OCCORRE TUTTAVIA PRECISARE CHE ALLE SUDDETTE OCCORRE AGGIUNGERE LE RADIAZIONI NUCLEARI DI TIPO GAMMA E NEUTRONICHE CHE POSSONO ESSERE EMESSE DA REAZIONI NUCLEARI ARTIFICIALI QUALI LA FISSIONE E LA FUSIONE CHE VEDREMO IN SEGUITO. LA FISSIONE PRODOTTI RADIOATTIVI RESIDUI RADIAZIONI INIZIALI GAMMA E NEUTRONICHE RIEPILOGO RADIAZIONI NUCLEARI DECADIMENTO RADIOATTTIVO NEUTRONICA RADIAZIONE INIZIALE FISSIONE-FUSIONE Poteri delle radiazioni nucleari Argomenti Principali •Origine delle radiazioni nucleari •Irradiazione e contaminazione radioattiva •Poteri delle radiazioni Origine delle radiazioni nucleari Le radiazioni nucleari possono essere originate: •da reazioni nucleari spontanee (decadimento radioattivo) di radioisotopi naturali o artificiali •da reazioni nucleari artificiali (fissione e fusione) Le reazioni nucleari spontanee (decadimento radioattivo) dei radioisotopi naturali o artificiali possono provocare l’emissione di radiazioni Alfa (corpuscolare) Beta (corpuscolare) Gamma (elettromagnetica) Le reazioni nucleari artificiali (fissione e fusione) possono provocare l’emissione di radiazioni: Gamma (elettromagnetica) Neutronica (corpuscolare) Inoltre la reazione nucleare di fissione provoca formazione di radioisotopi (prodotti di fissione) che quindi possono emettere radiazioni: Alfa - Beta e Gamma La presenza di radiazioni nucleari non configura necessariamente una situazione di pericolo o di emergenza ALLO SCOPO DI CONFIGURARE IL RISCHIO CAUSATO DALL’ESPOSIZIONE DELL’UOMO ALLA RADIOATTIVITA’ ARTIFICIALE OCCORRE ESAMINARE: LE MODALITA’ DI ESPOSIZIONE I POTERI DELLE RADIAZIONI (DANNO) Irradiazione e Contaminazione Un corpo e’ irradiato quando e’ investito da radiazioni nucleari. Un corpo si dice contaminato radiologicamente quando e’ a diretto contatto con sostanze radioattive costituite da radioisotopi. IRRADIAZIONE Sorgente Radiazione CONTAMINAZIONE ESTERNA INTERNA CON RIFERIMENTO ALL’UOMO si definisce: Contaminazione esterna: caso in cui la sostanza radioattiva e’ a contatto con le mucose esterne; Contaminazione interna: caso in cui la sostanza e’ incorporata all’interno dell’organismo. Poteri delle radiazioni: potere ionizzante potere penetrante potere di attivazione POTERE IONIZZANTE E’ il potere che hanno le radiazioni (Alfa, Beta, Gamma e neutroniche) di produrre ionizzazioni (alterazioni chimiche) nella materia con cui interagiscono. Per tale motivo le suddette radiazioni vengono denominate “radiazioni ionizzanti” POTERE IONIZZANTE DIRETTO (RADIAZIONE ALFA E BETA CON CARICA ELETTRICA POTERE IONIZZANTE DIRETTO POTERE IONIZZANTE DIRETTO POTERE IONIZZANTE INDIRETTO (RADIAZIONE GAMMA E NEUTRONICA SENZA CARICA ELETTRICA) IL POTERE IONIZZANTE SI QUANTIFICA VALUTANDO IL NUMERO DI IONIZZAZIONI PER UNITA’ DI PERCORSO CHE LA PARTICELLA O LA RADIAZIONE PROVOCA INTERAGENDO CON LA MATERIA (Densita’ lineare di ionizzazioni) ++++++++ Alto potere ionizzante + + + + + + + + Basso potere ionizzante IL POTERE IONIZZANTE DELLE RADIAZIONI E’: ALTISSIMO PER LE ALFA ALTO PER LE BETA, GAMMA ED X ALTO O ALTISSIMO (a seconda dell’Energia) PER I NEUTRONI POTERE PENETRANTE: E’ il potere che hanno le radiazioni (Alfa, Beta, Gamma e neutroniche) di attraversare la materia che irradiano. Maggiore e’ il potere ionizzante, minore e’ il potere penetrante, ovvero le radiazioni che fanno piu’ male sono anche quelle meno penetranti. POTERE PENETRANTE DELLE RADIAZIONI NUCLEARI IN ARIA: NEUTRONICA 1 Kilometro 3 Kilometri POTERE PENETRANTE DELLE RADIAZIONI NUCLEARI NELL’UOMO EFFETTO DELLA CONTAMINAZIONE Tem o solo le radiazioni g ESTERNA Le radiazioni a mi fanno male più della g e della b INTERNA IL POTERE DI ATTIVAZIONE E’ : LA CAPACITA’ CHE HA LA SOLA RADIAZIONE NEUTRONICA DI INDURRE RADIOATTIVITA’ NELLA MATERIA CHE IRRADIA.
