Elementi di Fisica nucleare - Appunti completi

Rivelatori

Le diverse proprietà della propagazione della radiazione nella materia sono fondamentali per la

progettazione dei rivelatori di particelle, quindi per investigare la struttura della materia.

Analogamente all’ottica, in cui una sorgente emette luce, che rimbalzando su un oggetto permette a

un osservatore di vederne le caratteristiche (lo spettro); nell’ambito delle particelle elementari si

utilizzano acceleratori di particelle che emettono fasci di particelle, che rimbalzando su un bersaglio

permettono a un rivelatore di vederne le caratteristiche.

RIVELATORE ATLAS a LHC

Ha una struttura a cipolla: diversi tipi di rivelatori uno dentro l’altro formano strati di rivelazione attorno

al punto dove si scontrano le particelle. Quelli interni hanno un’alta risoluzione spaziale, quelli esterni

coprono ampie superfici. Caratteristiche comuni:

• Sensibilità: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia.

• Risposta: tipo di segnale prodotto. Spesso è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale

all’energia rilasciata dalla particella.

• Risoluzione: capacità di distinzione tra due misure vicine di una grandezza fisica misurata. Si

esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata.

• Efficienza: frazione di particelle rivelate rispetto a quelle incidenti.

• Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per essere di nuovo attivo dopo la rivelazione di una

particella e la formazione del segnale.

Rivelatori a gas

Variando la tensione applicata si possono avere 3 modi di funzionamento, usati in diversi casi:

- Camera a ionizzazione: usati per la radioprotezione.

Misura la ionizzazione prodotta da una particella carica che passa attraverso un

gas. Le coppie elettrone-ione prodotte lungo la sua traccia possono essere

raccolte usando un campo elettrico, che fa migrare gli elettroni verso l'anodo

positivo, e gli ioni verso il catodo negativo. La corrente risultante è proporzionale

al numero di ionizzazioni tra le armature del condensatore e all'energia della

particella. Il segnale prodotto è, però, di piccola intensità (≈ ).

−12

5 ∙ 10

- Contatore proporzionale: usati in fisica sperimentale.

Differisce dal precedente in quanto il potenziale applicato

è sufficientemente alto per far sì che un possa

−

guadagnare abbastanza energia lungo un libero cammino

medio per creare durante una collisione con le molecole

neutre del gas ulteriori coppie ioniche. Gli elettroni creati

in questi eventi secondari migrano anche loro verso l'anodo e creano altre coppie ioniche. In questo

modo si produce una cascata con fattore di moltiplicazione di 10^3-10^5 e, se il campo elettrico

applicato non è troppo grande, il segnale in uscita rimane proporzionale alle ionizzazioni iniziale.

- Contatore Geiger: In questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla

ionizzazione primaria: come nei contatori proporzionali, gli ioni primari vengono accelerati

a sufficienza da creare ionizzazioni secondarie, urtando con le altre molecole di gas; ma la

peculiarità del contatore Geiger è che il campo elettrico è talmente intenso che anche le

ionizzazioni secondarie creano a loro volta ulteriori ionizzazioni. L'impulso elettrico

risultante sarà testimone dell'avvenuto contatto con una radiazione ionizzante.

+ Camera a bolle: costituita da un recipiente metallico contenente un liq

surriscaldato e compresso.

Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine

che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce.

Sono utilizzati per l’osservazione dei raggi cosmici.

+ Rivelatori a scintillazione: la particella incidente cede parte della

propria energia allo scintillatore causando l'eccitazione di un elettrone.

La seguente diseccitazione provoca l’emissione di un fotone visibile. Gli

scintillatori sono sempre accoppiati ai fotomoltiplicatori.

Sono utilizzati in medicina nucleare.

+ Rivelatori a semiconduttore: Rivelatori ampiamente utilizzati

nella ricerca e nell’industria dove è necessaria una accurata

misura dell’energia della radiazione incidente.

L’ elemento attivo è un sottile strato di semiconduttore drogato,

principalmente Silicio (ma anche Ge, ZnCdTe, Diamante). Il

materiale viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano

coppie elettrone (e) lacuna (h). Il campo elettrico attira gli elettroni

verso l’anodo producendo un segnale elettrico.

A differenza dei rivelatori a gas non c’è moltiplicazione a valanga

perché la carica iniziale è già molto grande. La costruzione sfrutta

la tecnologia di realizzazione dei chip elettronici.

Immagini con radiazione ionizzante

Immagini con radiazione esterna (radiografia)

Una sorgente S (raggi X) colpisce una regione, in cui i raggi X

vengono assorbiti secondo ,

1

= − → ln ( ) =

∫

2

in cui coefficiente di attenuazione, che cresce per densità

:

e Z del materiale.

Tomografia computerizzata (TC):

→

si costruisce un’immagine 2D o 3D di una sezione di tessuto a partire

da molte immagini 1D in tutte le direzioni. Una sorgente di raggi X

viene fatta ruotare attorno al bersaglio, all’esterno di cui vi è un anello

di rivelatori da cui si ottiene l’immagine.

Immagini con radiazione interna (radiologia, medicina nucleare)

Si utilizzano sostanze radioattive (radiofarmaci), iniettati

nell’organo da investigare. I raggi emessi vengono rilevati da

una ‘gamma camera’ che ne converte i segnali in impulsi

elettrici, quindi immagini.

Radioterapia (RT):

→

Disciplina medica che si serve delle radiazioni ionizzanti (r.i.) per la terapia di alcune malattie, in

particolare dei tumori. È un trattamento localizzato e coinvolge zone ben delimitate dell’organismo.

RT oncologica su patologie tumorali con finalità:

-radicale

-sintomatica o palliativa

Scopo: Somministrazione di una dose di r.i.ad un definito volume tumorale con il minor danno

possibile per i tessuti sani

Effetti collaterali: Parte delle cellule sane nelle vicinanze, o attraversate dalle r.i., vengono colpite, ma

sopravvivono più facilmente (maggiore capacità di riparare i danni indotti dalle radiazioni)

RT non oncologica:

-prevenzione restenosi vascolari

-malattie benigne dei tessuti connettivi

Principi fisici della fissione e fusione nucleare, principali reazioni di fusione termonucleare nelle

stelle ed in reattori terrestri.

Fissione nucleare

Fissione spontanea

La fissione spontanea è una forma di decadimento

radioattivo caratteristica di isotopi molto pesanti.

Può avvenire se la deformazione del nucleo (modello

a goccia di liquido) è energeticamente conveniente,

2

ovvero se 48.

>

Fissione indotta

1938 – Hahn e Strassmann scoprono che bombardando l’uranio con neutroni si possono produrre

nuclei di minore dimensione (circa metà), scoprendo la fissione indotta.

Il guadagno di energia portato dalla cattura neutronica (che può arrivare a compensare l’opposizione a

piccole deformazioni) è molto diverso per nuclei pesanti anche molto simili tra loro, a causa del

termine di pairing

− {

0

∆ =

+ {

{

Esistono, dunque

- Nuclei non fissionabili

- Nuclei fissionabili (A dispari) (con assorbimento di n termici)

Neutroni

Termici: ≈ 0.25

Epitermici: ≈ 1

Lenti: ≈ 1

Veloci: ≈ 100 − 10

Per n lenti ≃

Per n veloci scende rapidamente

Per n lenti =0

Per n veloci >0 ma comunque piccola

Energia di legame (BE)

1 (, ) = (, ) − ( + )

2

L’energia liberata dalla reazione di fissione è di (=0.9

≈ 200 ∙ 236 ).

La fissione simmetrica

(con due nuclei di massa

uguale) è abbastanza rara.

La massima probabilità è

nel produrre un nucleo

con A~95 e un nucleo con

A~140.

Il reattore nucleare

Esistono reattori di ricerca, reattori per creare isotopi radioattivi per uso medico, e reattori di potenza.

L’U naturale contiene il 99.3% di U-238 e lo 0.7% di U-235, quindi viene arricchito fino al 3-4%.

Per funzionare, il reattore deve affrontare:

- Il problema delle fughe di neutroni;

- Il problema dell’energia dei neutroni ( alta per n termici, quindi vanno rallentati);

moderatore (acqua pesante o grafite, perché per rallentare i neutroni servono atomi di massa

→

comparabile, ma l’idrogeno dell’acqua non va bene perché può legarsi al p formando deutonio).

- Il problema della cattura dei neutroni (per avere una reazione controllata).

Massa critica: massa min di combustibile per permettere alla reazione a catena di autosostentarsi.

Fattore di moltiplicazione F: numero medio di n provenienti da fissione che riescono a generare

ulteriori fissioni.

< 1 reattore subcritico

= 1 reattore critico

{

> 1 reattore supercritico

Fusione termonucleare

L'energia di fusione si basa sulla reazione di fusione tra nuclei leggeri, e si verifica solo quando le

particelle sono sufficientemente energetiche da superare la forza repulsiva di Coulomb. Ciò richiede

la produzione e il riscaldamento dei reagenti gassosi allo stato di alta temperatura (stato di plasma).

Per studiare delle possibili applicazioni di fusione nucleare sulla Terra si studiano le fusioni

termonucleari che avvengono nelle stelle: esse controbilanciano l’attrazione gravitazionale, evitando

il collasso delle stelle stesse.

Con l’approssimazione di S costante*, la regione di energia grazie a cui possono avvenire le reazioni di

fusione termonucleare è data dalla somma di:

• Distribuzione di Maxwell-Boltzmann

: probabilità di trovare una particella a una velocità compresa tra v e dv. Andamento

()

esponenziale che decresce velocemente dopo la regione di energia

(energia termica energia cinetica K).

≡

• Probabil