Radioattività naturale - Pavia Fisica Home Page

RADIOATTIVITA’ NATURALE
Radiazione cosmica
Radionuclidi primordiali e cosmogenici
Equilibri radioattivi
F i li radioattive
Famiglie
di
i naturali
li
Radioattività nel corpo umano
Radon
Datazione archeologica
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apr 2011
Radioattività naturale
Radioattività per Tecnici di Radiologia Medica
pag.1
Raggi
gg cosmici
Primari: colpiscono lo strato esterno
d ll'
dell'atmosfera
f
ÆTutte le particelle stabili:
fotoni, neutrini (grande quantità),
elettroni,
l tt
i positroni,
it
i protoni
t i
ÆNuclei a lunga vita media (>106 anni)
ÆProtoni (79 %), α (15 %), ossigeno, ferro,…
Æparticelle provenienti da interazioni con gas
interstellare (neutroni, nuclei leggeri)
Secondari: sciami di nuove p
particelle e
antiparticelle create nella collisione dei cosmici
primari con gli atomi dell’atmosfera
Æ Pioggia cosmica:
dalla sua analisi (anni '30) scoperti
il positrone, la prima particella di antimateria, e
le prime particelle elementari (pione e muone)
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Radioattività naturale
Radioattività per Tecnici di Radiologia Medica
pag.2
Radioattività naturale
Elementi radioattivi naturalmente presenti
Sorgenti extraterrestri
Æ Raggi cosmici
Sorgenti terrestri
Æ Radionuclidi naturali
nell’atmosfera
ll’ t
f
nel sottosuolo
nelle acque
nei vegetali e negli animali
nel corpo umano
circa 75
1000
nuclidi
nuclidi
Radionuclidi naturali primordiali
Æ famiglie radioattive naturali
Nucleosintesi delle stelle
(23892U, 23592U, 23290Th)
40 K,87 Rb
(nascita Sistema Solare, 4·109 anni fa)
19
37
Radionuclidi naturali cosmogenici
Reazioni nucleari tra radiazione cosmica
e atmosfera o terra
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Æ
1H,
3
14
6C
es. n +
n +
Radioattività naturale
3
1H Æ 1H
14 N Æ 14 C
7
6
2
Radioattività per Tecnici di Radiologia Medica
+ p
pag.3
Equilibri
q
radioattivi
Caso generale:
radionuclide
formando un
X2, che a
formando un
X3, etc…
X1 che decade
altro radionuclide
sua volta decade
terzo radionuclide
Decadimento a cascata:
X1 → X2 → X3 → ……→ XN
Caso più semplice:
X1 → X2 con X2 stabile
N1 (t ) = N10e
− t / τ1
(
N2 (t ) = N20 + N10 1 − e − t / τ1
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pag.4
)
Equilibrio
q
transitorio
Se il nuclide padre ha una vita media più lunga del nuclide figlio
(τ1>τ2),
) si raggiunge uno stato di equilibrio transitorio:
dopo un certo tempo il rapporto tra le attività diventa costante.
il decadimento
d
di
d l figlio
del
fi li
è governato dal T1/2 del
padre)
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EQUILIBRIO TRANSITORIO
(T1/2 padre=1; T1/2 figlio=0,1)
180
160
Att(padre)
p
140
ATT
TIVITA' (%)
All equilibrio ll’attività
All’equilibrio
attività del
figlio sarà maggiore o
uguale di quella del padre
e, da quel momento, le
attività di entrambe le
specie diminuiranno col
tempo di dimezzamento
del padre (apparentemente,
Att(figlio)
120
Att(tot)
100
80
60
40
20
0
0
1
2
TEM PO (frazioni
di T1/2 padre)
•T1/2-padre/T
1/2-figlio = 10
•Tempo espresso in unità T1/2-padre
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3
pag.5
Equilibrio
q
secolare
CASO PARTICOLARE: nel caso-limite
caso limite in cui il radionuclide padre
ha una vita media molto più lunga del radionuclide figlio (λ1 << λ2),
dopo un certo tempo si raggiunge uno stato di equilibrio secolare:
le attività di padre e figlio diventano uguali: A2=A1
In generale, se in una serie radioattiva del tipo
X1 → X2 → X3 → ……→ XN
risulta ad un certo punto della catena:
τi >> τi+1 , τi+2 , …τN-1
allora per tutti i nuclei che seguono l’i-esimo decadimento
vale la relazione: Ai(t) = Ai+1(t ) = … = AN-1(t )
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pag.6
Decadimenti a catena
decadimenti dell'isotopo
N
232Th
232Th
228Ra
140
224Ra
135
228Ac
228Th
125
212Pb
208Pb
80
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γ
212Bi
208Tl
212Po
(stabile)
85
α : (Z, N, A) → (Z–2, N–2, A–4)
β–: (Z, N, A) → (Z+1, N–1, A)
(con emissione di neutrini)
β+: (Z, N, A) → (Z–1, N+1, A)
(con emissione di neutrini)
220Rn
216Po
130
decadimento α
decadimento β–
90
Z
: (Z, N, A) → (Z, N, A)
Z
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pag.7
Famiglie
g
radioattive naturali
Tre famiglie radioattive
presenti
ti in
i natura,
t
in equilibrio secolare,
con capostipiti a vita media
≈ a quella della Terra (109 anni)
e » di quella dei discendenti
Serie dell’Uranio (famiglia 4n+2)
capostipite: 238U
T1/2=4.47 109 anni
Serie dell’Attinio (famiglia 4n+3)
capostipite: 235U
T1/2=7.04
7.04 108 anni
Serie del Torio (famiglia 4n)
capostipite: 232Th
T1/2=1.40
=1 40 1010 anni
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pag.8
Radioattività nel corpo
p umano
Il corpo umano è una “sorgente radioattiva”
di attività pari a circa 8000 Bq
così suddivisi:
4000 Bq (14C) + 4000 Bq (40K)
+ 238U e 232Th (trascurabili)
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pag.9
La q
questione del radon
C’è una radioattività naturale che sale dal terreno
… inodore,
inodore incolore,
incolore insapore…
insapore così impalpabile che
non ne parla nessuno!
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pag.10
Il radon: caratteristiche chimiche
Per il contributo
sul radon
grazie a
Alberto Panzarasa
9
E’ il gas nobile
più
iù pesante
t
(Z = 86,
A = 219-222)
9
9
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E’ 8 volte
lt più
iù
denso dell’aria
E’ un gas
incolore,
inodore e
insapore
p
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Il radon: caratteristiche fisiche
Si trova un po’ ovunque
nell sottosuolo,
tt
l
in particolare in alcune rocce:
tufi, granito, porfido e fillade
Tsolid = -71
71 oC
A temperatura
mp
ambiente
m
si presenta come un gas incolore
Unico gas radioattivo
a temperatura ambiente
Teboll = -61
61 oC
gas
Concentrazione:
all’ aria aperta in media 5
all
5-10
10 Bq/m3
in ambienti chiusi in media 50 Bq/m3
nel sottosuolo fino a 10000 Bq/m3
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pag.12
Isotopi
p del radon
222Rn
220Rn
219Rn
Generati dalle 3 famiglie radioattive:
• 238U Æ … Æ
• 232Th Æ … Æ
• 235U Æ … Æ
226Ra
Æ 222Rn (T1/2= 3.82
3 82 g)
224Ra Æ 220Rn (T
1/2= 54.5 sec)
223Ra Æ 219Rn (
(T1/2= 3.92 sec))
Il radon è pericoloso perché:
•è un g
gas nobile Æ diffonde facilmente senza interagire
g
con altre sostanze
•viene respirato e decade α Æ può provocare il cancro ai polmoni
Il 220Rn e 219Rn hanno tempo di dimezzamento troppo breve
e decadono prima di poter essere inspirati
L’isotopo
p veramente pericoloso
p
è il
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222Rn
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pag.13
I discendenti del radon
α
α
βγ
βγ
α
Rn⎯
⎯→ Po⎯
⎯→ Pb⎯⎯→ Bi⎯⎯→ Po⎯
⎯→210Pb
222
218
T1/2=3.82 g
214
Æ… Æ
214
T1/2=3.05 min T1/2=26.8 min T1/2=17.9 min
Nella famiglia radioattiva del
238U
214
226Ra
Æ 222Rn Æ
238U
218Po
Æ … Æ
T1/2=0.1 msec
206Pb
i prodotti di decadimento del radon hanno tutti
vita media breve fino al 210Pb
T1/2 ((Po,Pb,Bi)
, , ) << T1/2 ((Rn))
T1/2 (210Pb) = 22 anni
I “figli” del Rn sono in equilibrio secolare
con il Rn fino al 210Pb
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pag.14
Storia del radon
Indizi:
•
Una sconosciuta malattia polmonare nei minatori europei del 1400
•
Identificata nel 1879 in autopsie di minatori europei come
cancro dei polmoni (lymphosarcoma)
•
Osservazione di morti eccessive per cancro ai polmoni
tra i minatori di moltissime nazioni
tra i minatori di miniere di uranio
(USA Cecoslovacchia
(USA,
Cecoslovacchia, Francia,
Francia Canada…)
Canada )
Oggi
gg
il radon è di gran lunga
la maggior causa di esposizione
alle radiazioni
z n ionizzanti.
n zz n .
Negli USA è la seconda causa di morte
per tumore al polmone dopo il fumo.
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pag.15
Il radon negli
g edifici
Il radon entra in casa attraverso
p
, acqua,…
q ,
fessure,, intercapedini,
e viene “aspirato”
per gli scambi d’aria interno-esterno,
regolati dai venti e dai moti convettivi
dovuti a differenze di temperatura.
Δp=10-4 atm consente
un ricambio
i mbi totale
t t l di aria
i iin 1 ora iin una casa media!
m di !
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pag.16
Proteggersi
gg
dal radon
L’inquinamento da radon dipende da:
Produzione di radon nel terreno circostante
Flusso di gas che entra nell’edificio
(dipende dalla permeabilità del suolo
e dalle fondamenta della casa)
Ventilazione della casa
Cosa non fare:
¾ Pulire l’aria tramite filtri
Cosa fare:
(diminuisce il p
pulviscolo e rimangono
g
più
p
nuclei radioattivi “nudi”)
¾ Isolare meglio la casa
(non diminuisce il flusso in ingresso
m il flusso
ma
fluss in uscita)
uscit )
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¾ Aspirare dal suolo e disperdere
all’esterno
¾ Indurre differenza di pressione
tra suolo e casa usando aspiratori e
riducendo il flusso di radon entrante
¾ Ventilare sotto il pavimento
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pag.17
Misura di concentrazione del radon
Tecniche di misura “attiva”:
il campionamento del Rn è forzato
Misura quasi istantanea (minuti, ore)
Strumenti più costosi
Tecniche di m
misura “passiva”:
p
il Rn entra nel rivelatore per diffusione
Misura più laboriosa (6 mesi, 1 anno)
Strumenti meno costosi
Monitoraggio della
concentrazione di radon
in una stanza
Forte variabilità
nello spazio e nel tempo
dipendente da svariati fattori:
•Terreno
•Clima
•Temperatura
•Pressione
•Grado di umidità e polverosità
•Variazioni giornaliere e stagionali
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pag.18
Il radon nel mondo e in Italia
Stato
Concentrazione
media di Rn (Bq/m3)
Italia
77
Svezia
108
USA
46
Germania Est
49
Gran Bretagna
g
21
Studio in Italia:
Campione di
5000 case
in 200 comuni
Misure in 1 anno,
divise in 2 semestri
MEDIA MONDIALE: 40 Bq/m3
Forte variabilità
da regione
g
a regione!
Nelle abitazioni italiane:
77 Bq/m3 valore medio
200 Bq/m3 il 5% delle case
400 Bq/m3 l'1% delle case
1000 Bq/m3 valori massimi
Casi limite in USA e UK: 10000 Bq/m3
Livello limite per radioprotezione: 500 Bq/m3
(per
p 2000 ore l'anno in tali condizioni la
probabilità di tumore è del 0.25 %)
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pag.19
Un orologio
g naturale: il radiocarbonio
Ogni 1012 atomi di carbonio,
uno è radioattivo
Isotopi del carbonio:
12C
13C
14C
98.92 % stabile
1.08 % stabile
1.2•10-10 %
(= 1011 atomi/mole)
con periodo di dimezzamento
T1/2 = 5730 anni
Produzione
Decadimento
Per approfondimenti:
G.Bendiscioli, A.Panzarasa:
La datazione con il radiocarbonio,
Ed La Goliardica Pavese,
Ed.
Pavese 2002 (in ristampa)
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pag.20
Perché è possibile
l datazione
la
d t i
con il 14C?
Gli organismi viventi nei loro processi
vitali (sintesi clorofilliana, respirazione,
cicli alimentari) “scambiano carbonio”
con l’ambiente.
Q
Quando
d muoiono,
i
llo scambio
bi sii iinterrompe.
t
Rimane il carbonio “interno” che continua
a decadere.
Dalla
D
ll curva di decadimento
d
di
t
si può risalire al momento
della morte dell’organismo
N(t) = N0e-t/τ
e-t/τ = N(t)/N0
-t/τ = ln(N(t)/N0)
t = -τ/[ln(N(t)/N
/[ln(N(t)/N0)]
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1945 W
W.F.
F Libb
Libby (Nobel
(N b l Chimica
Chi i 1960)
Entro un intervallo temporale di 200-60000 anni
possibile datazione di:
(fino a ≈ 10 T1/2)
ossa
Æ morte animale
tela lino Æ morte pianta lino
lana
Æ tosatura pecora
p
pergamena
m
Æ morte
m t animale
im l
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pag.21
Metodo di misura e limiti di validità
Due metodi di misura:
• metodo di Libby
misura di attività radioattiva -Δn/Δt ∝ n
necessaria “abbondante” quantità di carbonio estratto dal reperto
problema del fondo radioattivo naturale
• metodo AMS
separazione tra
14C
e
12C
tramite spettrometro di massa
Sono vere???
Il metodo del 14C è basato sulle ipotesi
14
12
che il rapporto C/ C sia costante
Misure su reperti datati storicamente,
• nello spazio
• nell tempo
t
o comunque in modo indipendente
• nell’aria e nell’acqua (CO2 disciolta)
Dendrocronologia: dalla misurazione
• negli organismi viventi
calibrazioni
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della età radiometrica degli anelli di
accrescimento di tronchi di alberi
si può avere una curva di calibrazione
accurata fino a circa 104 anni fa
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pag.22
Età radiometrica e età vera
Esempio di curva di correzione
Non c’è esatta corrispondenza
tra età radiometrica e età vera:
la curva non è esattamente una retta
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Es. in questo caso l’età
E
l’ à radiometrica
d
(120±20) anni potrebbe corrispondere
a tre differenti periodi:
1686-1736 1807-1886 1911-1930
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pag.23
Casi celebri: l’uomo dei ghiacci
g
Ötzi, la Mummia ritrovata
congelata
g
il 19 settembre
1991 a circa 3200 metri di
altitudine e conservatasi
per circa 5300 anni sotto il
ghiacciaio del Similaun,, nei
g
pressi della Val Senales
Età stimata: 3350 a.C.
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pag.24
Casi celebri: la Sindone
3 analisi indipendenti (Oxford, Zurigo, Tucson-USA)
compiute nel 1988 da un campione prelevato nella
stessa zona del lenzuolo
… ma rimangono molti dubbi sulle procedure di
analisi,
l
e finora non è stato concesso di ripeterle…
l
Età stimata: 1260-1390 d.C.
P.Montagna
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pag.25