Fisica delle Radiazioni

Fisica delle radiazioni

Lezione 1: Struttura atomica

Il modello atomico di Bohr si basava su un nucleo composto da protoni e neutroni, con attorno degli orbitali circolari su cui ruotavano gli elettroni.

Le cariche fondamentali dell’atomo sono nel protone e nell’elettrone, uguali ma opposte di segno, e corrispondono a 1,60 x 10^-19 C.

Gli elettroni di ciascun atomo si muovono intorno al nucleo in specifici orbitali (shell). Il numero degli orbitali di ciascun atomo dipende dal numero di protoni contenuti nel nucleo. Esiste un limite al numero di elettroni che possono occupare ognuno degli orbitali. L’orbitale più vicino al nucleo è chiamato orbitale K e può essere occupato solo da 2 elettroni. Se un atomo ha più di 2 protoni nel nucleo, gli ulteriori elettroni saranno posizionati su orbitali più distanti dal nucleo.

Gli elettroni tendono a disporsi nel livello più basso possibile, e per occupare quelli più alti un elettrone ha bisogno di energia.

Ogni elettrone è legato al nucleo atomico con una forza di attrazione a cui corrisponde una certa energia di legame che può essere superata solo spendendo un lavoro equivalente (lavoro di estrazione). Per semplificare si usa un’altra unità di misura che è l’elettronvolt. 1V 1,610 1,610^{-19 -19}1eV C J

Questa energia decresce passando dagli orbitali più interni a quelli più esterni.

Nell’orbitale K si necessita di un’energia pari a 13,6 eV per avere una ionizzazione.

Ionizzazione

La ionizzazione è la rimozione di un elettrone dal suo orbitale. Le radiazioni dotate di energia sufficiente a rimuovere un elettrone dal suo orbitale sono definite radiazioni ionizzanti. L’elettrone rimosso è chiamato ione negativo; l’atomo restante, dotato di carica positiva, è chiamato ione positivo.

L’energia necessaria alla produzione di una coppia di ioni deve essere tale da poter vincere l’energia di legame dell’elettrone: per rimuovere uno o più elettroni dall’atomo è necessario compiere un lavoro che è uguale e contrario all’energia di legame degli elettroni.

Isotopo

Atomi di uno stesso elemento con nuclei contenenti lo stesso numero di protoni ma non di neutroni.

Radiazione elettromagnetica

Le onde elettromagnetiche consistono nella vibrazione di un campo elettrico E(t) e di un campo magnetico B(t), sempre ortogonali tra loro, la quale origina un trasporto di energia a essi perpendicolare, con velocità nel vuoto pari a c (c = 3*10⁸ m/s).

Le radiazioni elettromagnetiche assumono una diversa denominazione a seconda della loro frequenza (n) ovvero della loro lunghezza d’onda (l).

L’energia di una radiazione è quantizzata dalla relazione con la costante di Plank^-34 (6.626 x 10 J). E=hv1

L’intensità di una radiazione è la quantità di energia che impatta su una superficie² ortogonale alla direzione di propagazione nell’unità di tempo e si misura in W/m.

La legge del quadrato della distanza spiega che l’intensità della radiazione diminuisce all’aumentare della distanza dalla sorgente di emissione. Ciò è dovuto al fatto che la stessa energia attraversa una area sempre più grande all’aumentare della distanza.

d 1d 2¿¿=I ¿I 2 1

L’assorbimento di un fotone fa passare l’atomo o la molecola da uno stato fondamentale a uno eccitato, cedendogli tutta la propria energia.

La diseccitazione dell’atomo può avvenire in un salto unico o con una successione di passaggi a livelli energetici sempre più bassi.

A causa della strutturazione dei livelli energetici, le emissioni atomiche o molecolari interessano la zona dello spettro che va dall’infrarosso ai raggi X.

Nel nucleo ci sono varie forze che lo tengono compatto, perché altrimenti per la forza di repulsione Coulombiana si disunirebbe. Queste forze sono quella gravitazionale (che è piccolissima) e l’interazione nucleare forte che è quella che tiene unito il nucleo.

Difetto di massa

Se per un determinato nucleo di numero di massa A e numero atomico Z si considera la somma delle masse dei singoli costituenti del nucleo (nucleoni) e si confronta con la massa del nucleo, si vede che le due grandezze non corrispondono.

La differenza si chiama difetto di massa e può essere interpretata come l’energia di legame del nucleo, cioè l’energia che deve essere fornita al nucleo per liberare i nucleoni componenti (protoni o neutroni).

Lezione 2: Radiazioni ionizzanti

La ionizzazione è la rimozione di un elettrone dal suo orbitale. Le radiazioni dotate di energia sufficiente a rimuovere un elettrone dal suo orbitale sono definite radiazioni ionizzanti. L’elettrone rimosso è chiamato ione negativo; l’atomo restante, dotato di carica positiva, è chiamato ione positivo.

L’energia necessaria alla produzione di una coppia di ioni deve essere tale da poter vincere l’energia di legame dell’elettrone: per rimuovere uno o più elettroni dall’atomo è necessario compiere un lavoro che è uguale e contrario all’energia di legame degli elettroni.

In un campo elettrico le particelle beta vengono fortemente deflesse verso il polo positivo, quelle alfa sono deflesse in misura minore verso il polo negativo, mentre la traiettoria dei raggi g non risente dell'effetto del campo. Da qui si capisce che le particelle alfa hanno carica positiva, mentre quelle beta di carica negativa.

• Particelle alfa: particelle di grandi dimensioni con carica positiva. Sono composte da un nucleo di elio.
• Particelle beta: le particelle beta hanno carica negativa e sono elettroni. 
• Radiazioni gamma: sono onde elettromagnetiche prive di carica. 

La produzione di queste può far cambiare la struttura del nucleo, diventando così un atomo diverso.

Lezione 3: Trasformazioni nucleari

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non stabili, si trasformano in altri emettendo radiazione che può essere corpuscolare, elettromagnetica o un insieme dei due tipi di radiazione.

Con l’aumentare del numero di protoni nel nucleo (elementi con Z elevato), cresce rapidamente la repulsione coulombiana e l’azione delle forze nucleari mantiene la propria efficacia soltanto grazie al numero preponderante dei neutroni, che aggiungono legami di forza nucleare senza effetti repulsivi coulombiani.

Per numeri atomici Z superiori a 92 nemmeno il contributo dei neutroni è più sufficiente: questo è il motivo per cui in Natura non esistono elementi stabili con Z >92. Sono instabili anche i nuclei con un numero eccessivo di neutroni.

La radioattività naturale comprende la radiazione che arriva dallo spazio, quella cosmica e quella della crosta terrestre.

Il processo di decadimento radioattivo è un fenomeno statistico: ogni sistema, istante per istante, ha una certa probabilità di subire il processo di decadimento, in modo completamente indipendente da ciò che accade agli altri sistemi.

In particolare ogni processo di decadimento è caratterizzato da una costante di decadimento ʎ, che rappresenta la probabilità che quel particolare processo di decadimento abbia luogo nell’unità di tempo (la costante ʎ è perciò caratterizzata da^-1 unità di misura s).

L’inverso della costante di decadimento prende il nome di vita media. ( = 1/N e  tN (t) 0

Si definisce attività il numero di decadimenti di una sostanza radioattiva nell’unità di tempo. A e  tA (t) 0

L’unità di misura dell’attività è il Bequerel, che è definito come l’attività al secondo.

Il tempo di dimezzamento è un metodo pratico per definire l’andamento del tempo dell’attività radioattiva. Infatti il tempo di dimezzamento è definito come il tempo in cui la metà degli atomi di un elemento radioattivo si trasformano in quello finale, che equivale anche al dimezzamento dell’attività. −0,693 ∙t1T 2( ) =AA t ∙ e03

Tutte le trasformazioni nucleari seguono delle serie che terminano tutte con isotopi del piombo stabili di 206, 207 e 208 uma.

Decadimento alfa

In nuclei molto pesanti. 

Il decadimento alfa è quel processo in cui il nucleo acquista una configurazione ad energia inferiore emettendo un nucleo di Elio, che è arbitrariamente chiamato particella alfa.

In questo caso un nucleo radioattivo perde 4 unità di massa e fa decrescere di 2 il suo Z.

Anche in questo caso il difetto di massa avviene perché della massa si è trasformata in energia cinetica per permettere alla particella di uscire dal nucleo e vincere la forza forte.

Spesso insieme all’emissione alfa c’è anche un’emissione di raggi gamma.

Decadimento beta

 np

Decadimento beta -

  pn

Decadimento beta +

 è un neutrino che viene prodotto durante la reazione nucleare per tenere in equilibrio il numero di particelle iniziali e finali.

Decadimento beta -

Nel – il nucleo acquista una configurazione ad energia inferiore emettendo un elettrone, facendo così aumentare il numero Z dell’atomo e lasciando invariata la massa.

I radionuclidi con numero di neutroni molto maggiore del numero di protoni tendono a raggiungere la stabilità mediante la trasformazione di un neutrone in protone, dando luogo al decadimento b-.

Anche in questo caso la differenza tra la somma delle masse del nucleo “figlio” con la particella b- e la massa del nucleo “padre si manifesta sotto forma di energia cinetica associata ai nuclei prodotti nel decadimento. La maggior parte dell’energia cinetica andrà all’elettrone che ha massa molto minore del nucleo “figlio”.

Decadimento beta +

Nel il nucleo acquista una configurazione a minore energia emettendo un positrone.

I radionuclidi con rapporto tra numero di neutroni e numero di protoni basso rispetto a quello dei nuclei atomici con stesso numero di massa, tendono a raggiungere la stabilità mediante la trasformazione di un protone in neutrone, dando luogo al decadimento b+.

Anche in questo caso la differenza tra la somma delle masse del nucleo “figlio” con la particella b+ e la massa del nucleo “padre” si manifesta sotto forma di energia cinetica associata ai nuclei prodotti nel decadimento.

Il positrone è una particella altamente instabile: combinandosi con un elettrone dà luogo al processo di annichilazione, con conseguente produzione di due fotoni (radiazione gamma) con stesso verso ma direzione opposta.

Cattura elettronica

Un processo di natura diversa che porta, dal punto di vista del nucleo, allo stesso residuo e che perciò compete normalmente con il processo b+ è il processo di cattura elettronica (EC). Il processo consiste nella cattura da parte di un nucleo di uno dei suoi elettroni orbitali, con l’emissione di un neutrino, e con il risultato netto di trasformare un protone in un neutrone. en p 4

Il decadimento per cattura elettronica produce una buca nell’orbitale atomico dell’elettrone “catturato”, che sarà riempita da un elettrone appartenente ad una shell più esterna con conseguente emissione di raggi X caratteristici.

Conversione interna

Dopo una trasformazione nucleare è probabile che il nucleo “figlio” prodotto dal decadimento si trovi in uno stato eccitato. Un nucleo eccitato può tornare nello stato fondamentale mediante emissione di radiazione gamma direttamente dal nucleo oppure con un processo chiamato “conversione interna”. In questo processo l’energia del nucleo in eccesso viene trasferita a uno degli elettroni orbitali che di conseguenza ha energia sufficiente per “liberarsi” dall’atomo. L’energia cinetica dell’elettrone emesso è pari all’energia emessa dal nucleo meno l’energia di legame (energia che teneva l’elettrone legato all’atomo). Come nel caso della cattura elettronica si produce una buca nell’orbitale atomico corrispondente elettrone “liberato”, che sarà riempita da un elettrone appartenente ad una shell più esterna con conseguente emissione di raggi X caratteristici.

Lezione 4: Interazione delle radiazioni con la materia

La caratteristica principale delle radiazioni è il trasporto di energia, che