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Fisica statistica ed informatica - Radiazioni Ionizzanti

Appunti di Fisica statistica ed informatica - Radiazioni Ionizzanti. Nello specifico gli argomenti trattati sono i seguenti: Particelle, Fotoni, Il nucleo atomico, Difetto di massa ed energia di legame, Fissione Fusione Decadimento radioattivo,... Vedi di più

Esame di Fisica statistica ed informatica docente Prof. G. Vermiglio

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ESTRATTO DOCUMENTO

ENERGIA DI LEGAME

Problema delle forze tra nucleoni

M massa di un nuclide

M < Z m + N m

P N

2

E = m c ENERGIA DI LEGAME -

 M = DIFETTO DI MASSA = Z m + N m M

P N

ENERGIA DI LEGAME

  2

 

Zm Nm M c

P N  Energia di legame per nucleone

A

1 u.m.a 1.66 x 10-27 kg 931 MeV

12

C

1 u.m.a = 1/12 massa 6

Energia di legame per nucleone, fatta eccezione per i nuclei

più leggeri: 8 MeV

ENERGIA DI LEGAME

M Zm +Nm +Zm En.leg./nucl.

P N e

(u.m.a.) (MeV)

(u.m.a.)

2 2.0141 2.0165 1.1

H

1

4 He 4.0026 4.0330 7.1

2

12 12.0000 12.0989 7.7

C

6

13 13.0034 13.1078 7.5

C

6

56 55.9349 56.4633 8.8

Fe

26

238

U 238.0508 239.9845 7.6

92 ENERGIA DI LEGAME

STABILITA’/INSTABILITA’ DEI NUCLEI

L’andamento dell’energia di legame/nucleone deve spiegare

• FISSIONE

• FUSIONE

• Instabilità dei nuclei : RADIOATTIVITA’

Z elevato: diventa molto importante l’effetto delle forze

Coulombiane

Sempre più diffiocile aggiungere protoni (energeticamente è

vantaggioso aggiungere neutroni) cresce N/Z

 la forza nucleone-nucleone favorisce la condizione Z=N

NUCLEI

STABILI E

RADIOATTIVI

DECADIMENTO

 

A A 4 

X Y 238 234

U Th

esempio:

Z Z 2 92 90

m (Z,A) > m (Z-2,A-4) + m  238

U

4.15 MeV

: fotone di 4.20 MeV

E 0

.

05 MeV

diseccitazione

nucleare 234

Th

2 ,

E=mc : energia cinetica della particella energia cinetica del

nucleo che rincula, energia di eccitazione del nucleo

-

DECADIMENTO

-

 -

A A

X Y 60 60

esempio: Co Ni

Z 1

Z 27 28

m (Z,A) > m (Z+1,A) + m e 60

Co

E 1

.

17 MeV

 

E 1

.

33

MeV

 60 Ni

2

E=mc : energia cinetica del nucleo che rincula, energia di

,

eccitazione del nucleo, energia cinetica della particella

energia del neutrino -

DECADIMENTO

n -

+

P + e 10.8

Neutrone libero non stabile, T minuti

1/2

In realtà: n - +

+ 

p + e 

  particella con carica nulla, con cui l’elettrone si

 

ripartisce l’energia disponibile nel decadimento; m ( ) 0

+

DECADIMENTO

+

 +

A 

A X 15 15

Y O N

esempio:

Z 1

Z 8 7 15

O

15

Come si può ottenere O ?

16 158

 

O , n O

8 15 N

+ + 

n + e

Ipotesi: +

P  +

ANNICHILAZIONE

+ = elettrone positivo, a fine percorso si annichila con

un elettrone negativo 

sparisce massa si libera energia +

e -

e

2

2m c = 2 x 511 keV : 2 da 511 keV 

o CREAZIONE DI COPPIE

Il fenomeno opposto:

Un fotone di energia > 1022 keV interagisce con il campo

+ -

elettrico del nucleo, sparisce e si formano e ed e

+

e

hv h = 1022 keV + E + E

-

+

-

e

CATTURA ELETTRONICA

C.E

A A

X Y

Z 

Z 1

Ipotesi: p + e = n

 

Isotopi radioattivi naturali: 

 C.E.

Isotopi radioattivi artificiali: anche

DECADIMENTO RADIOATTIVO

• Fenomeno di tipo probabilistico

• Costante di radioattività = probabilità di decadimento per

-1

(s )

unità di tempo: 

 t

N (

t ) N e

o

T = ln2/

Tempo di dimezzamento: 1/2

 1/

Vita media: ATTIVITA’ N

Attività = numero di decadimenti per unità di tempo =

Unità di misura: Bq (1 decadimento al secondo)

10

Vecchia unità: 1 Ci = 3.7 x 10 Bq

( attività di un grammo di Radio)

 t

A

(

t ) A e

o

ORDINI DI GRANDEZZA

• CONTAMINAZIONI ALIMENTARI

137

(es: Cs) 100Bq/l 2nCi/l

• MEDICINA NUCLEARE

99 m

(es: scintigrafia ossea con Tc )

800 MBq 20mCi

• BRACHITERAPIA

•(es. 137

sferette di Cs per applicatore utero-vaginale)

12 GBq 300 mCi

• TELETERAPIA

60

(es. sorgente di Co per trattamenti dall’esterno)

5

10 GBq 3000 Ci

FAMIGLIE RADIOATTIVE

232 10

1. del Torio Capostipite Th T = 1.4 x 10 anni

1/2

235 8

2. dell’Attinuranio Capostipite U T = 7.1 x 10 anni

1/2

238 9

3. dell’Uranio Capostipite U T = 4.5 x 10 anni

1/2

Pb

208 207 206

Rispettivamente: Pb, Pb, Pb

220 219 222

Nelle 3 famiglie: Radon (Z=86) Rn, Rn, Rn

LA FAMIGLIA

RADIOATTIVA

226

DEL Ra

FUSIONE

Se si combinano due nuclei leggeri per formare un nucleo

fortemente legato, con A medio, si libera energia.

3

n + He + 3.269 MeV

2 2

D + D 1 + 3

H H + 4.033 MeV

2 2

D + D

In media: circa 1 MeV/nucleone liberata, confrontabile

con quella liberata nella fissione di un elemento pesante

Problema della repulsione Coulombiana

7

Temperature molto elevate (10 K)

FISSIONE

Se un nucleo pesante come l’uranio si divide in due frammenti più

piccoli, viene rilasciata un’energia di circa 1 MeV per nucleone.

Questi processi di fissione costituiscono la sorgente di energia nei

reattori nucleari di potenza e nelle armi a fissione.

Il tempo di dimezzamento per fissione spontanea è di circa 700

235 238

milioni di anni per l’ U e ancora molto maggiore per l’ U.

Alcuni nuclidi possono subire una fissione indotta quando sono

bombardati con neutroni termici, cioè neutroni lenti (1eV)

n n n

235

U 236

U* n

FISSIONE

238

L’ U invece non si fissiona quando cattura un neutrone termico.

E’ necessario che catturi un neutrone veloce (almeno 1.8 MeV), ma

la sua “sezione d’urto”di fissione per neutroni veloci è 2000 volte

235

minore della sezione d’urto per neutroni termici relativa all’ U.

238 235

Uranio naturale: 99.3% U e 0.7 % U arricchimento

I rammenti di fissione hanno relativamente troppi neutroni, per

cui emettono quasi immediatamente uno o più neutroni pronti,

-

poi subiscono 3 o 4 decadimenti .

In media: 2.6 neutroni pronti per ciascuna fissione

FISSIONE 235

I neutroni emessi in una fissione indotta dell’ U possono

235

essere catturati da altri nuclei di U

reazione a catena

Se i 2.6 neutroni emessi in una fissione inducono, in media, più di

una ulteriore fissione, il rapporto di fissione è maggiore di 1 e la

reazione aumenterà esponenzialmente. 235

Se invece un numero sufficiente di neutroni sfuggono dall’ U o

sono assorbiti da altri materiali (barre di controllo) il rapporto di

fissione è minore di 1e il processo cesserà.

Quando ciascuna fissione produce esattamente una ulteriore

fissione il rapporto di fissione vale 1 e la reazione continua a

235

velocità costante. Si dice allora che l’ U ha una massa critica.

REATTORE AUTOFERTILIZZANTE

Viene prodotto più materiale fissile di quanto ne venga

consumato. 239

Esempio: produzione di Pu, che può essere fissionato per

235

mezzo di neutroni termici, come l’ U

238 239 

  

U n U n: neutrone veloce

92 92 

239 239

 

239 239  

Np Pu

 

U Np 93 94

92 93 

Il Plutonio decade con un tempo di dimezzamento di

24000 anni, quindi è relativamente stabile. E’ un materiale

adatto tanto per reattori a neutroni termici, quanto per la

costruzione di bombe. E’ altamente tossico.

CHERNOBYL

I radioisotopi rilasciati nell’incidente di Chernobyl:

T T

1/2 1/2

99 134

Mo 66 h Cs 2.06 y

103 136

Ru 39.4 d Cs 13 d

106 137

Ru 1 y Cs 30.2 y

131 140

I 8.02 d Ba 12.8 d

132 140

I 2.28 h La 40.3 y

132 90

Te 3.3 d Sr 29.12 y

EFFETTI DELLE RADIAZIONI

EFFETTI SOMATICI

DOSE ASSORBITA EFFETTI STOCASTICI

La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre

diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la

grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore

di qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T.

L.E.T.=Trasferimento lineare di energia LET EBR Q

E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa

Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg

FATTORE DI QUALITA’

LET in acqua Fattore di qualità

Q

(keV/m)

< 3.5 1

7 2

23 5

53 10

>175 20

FATTORE DI QUALITA’

Tipo di radiazione Fattore di qualità

Q

1

, 

Raggi X,

Neutroni 10

Protoni 10

20

Particelle

DOSE EFFICACE

H = Q D Dose media equivalente ad un organo

t t t

H = Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace

E 

H w H

E T T

T

Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per la Dose Efficace:

Intera Popolazione: 1 mSv

Lavoratori Esposti: 20 mSv


PAGINE

61

PESO

6.44 MB

AUTORE

Sara F

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Fisica statistica ed informatica - Radiazioni Ionizzanti. Nello specifico gli argomenti trattati sono i seguenti: Particelle, Fotoni, Il nucleo atomico, Difetto di massa ed energia di legame, Fissione Fusione Decadimento radioattivo, Radioprotezione - Aspetti normativ, ecc.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Messina - Unime
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Sara F di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisica statistica ed informatica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Vermiglio Giuseppe.

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