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 a 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 una un’altra unità di misura che
è l’elettronvolt. 1V 1,610 1,610
-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=hv
1
L’intensità di una radiazione è la quantità di energia che impatta su una superficie
2
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 1
d 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.
2
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 t
N (t) 0
Si definisce attività il numero di decadimenti di una sostanza radioattiva nell’unità di
tempo. A e t
A (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 ∙t
1
T 2
( ) =A
A t ∙ e
0
3
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
np
Decadimento beta -
pn
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.
en
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
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