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Contatore Geiger Guardian Ray
 

Le radiazioni ionizzanti e la teoria del tubo contatore Geiger Muller

introduzioneIn questa sezione del sito vi spiegheremo cosa sono le radiazioni ionizzanti, quali sono i loro effetti sulla materia e sugli organismi biologici, quindi come va utilizzato il nostro contatore geiger per misurarle correttamente e come devono essere interpretati i risultati ottenuti. Poi proseguiremo con la classificazione delle radiazioni ionizzanti in base alla loro natura intrinseca e agli alle reazioni che avvengono quando in qualche modo interagiscono con la materia

il contatore Geiger è uno strumento "antico" che nel corso degli ultimi anni ha subito un notevole rinnovamento tecnologico grazie all'adozione della tecnologia digitale, e in particolare all'impiego dei moderni microcontrollori che ne  hanno aumentato di parecchio le prestazioni e l'affidabilità. I modelli più avanzati hanno una capiente memoria interna (datalogger) che gli consente di memorizzare anche per settimane i dati sull'andamento della radioattivita, inoltre la presenza di una una moderna interfaccia USB gli consente di interfacciarsi facilmente ad un PC, dove poter scaricare ed elaborare statisticamente i record acquisiti. Va detto che questo strumento serve a misurare la radioattività, ovvero il numero di particelle emesse da un elemento / isotopo radioattivo in un prestabilito intervallo di tempo, ma non la loro energia che invece potrà essere rilevata solo tramite un costosissimo e sofisticatissimo spettrometro, dotato di uno speciale tubo fotoscintillatore PMT.


La struttura dell'atomo e gli elementi chimici

L'atomo viene rappresentato dalla fisica atomica e dalla chimica come un nucleo fatto di protoni, di neutroni ed elettroni che si immaginano come fossero orbitanti intorno al nucleo. Quello che distingue i vari elementi della tavola periodica è il numero dei protoni degli elettroni e dei neutroni che lo steso atomo contiene. I protoni e i neutroni stanno nel nucleo dell'atomo, il totale dei protoni nel nucleo si definisce numero atomico "Z". Esso determina l'elemento chimico, per esempio l'uranio ha 92 protoni. La somma del numero dei protoni più il numero dei neutroni è il numero di massa "A". Il numero dei protoni "Z" di un elemento chimico è sempre fisso perche appunto identifica l’elemento, invece il numero di neutroni può variare. Esistono pertanto in natura stessi elementi che hanno lo stesso numero di protoni ma che di distinguono per il numero dei neutroni, questi vengono chiamati “isotopi” di uno stesso elemento chimico. Per esempio: il ferro ha in natura ben da 4 isotopi, tutti con 26 protoni ma con 28, 30, 31 e 32 neutroni.

Allora gli isotopi sono identificati dal nome dell'elemento e dal numero di massa, che viene di solito riportato in alto a sinistra del simbolo dell’elemento, se consideriamo l’isotopo del Carbonio avente numero di massa 14 si indica con 14C. In natura esistono circa 90 elementi (dall'idrogeno, il più leggero, all'uranio, il più pesante) e circa 270 isotopi. Oggi inoltre sono stati creati un gran numero di isotopi artificiali, come il cobalto-60 (27 protoni, 33 neutroni), il plutonio-239 con 94 protoni e 145 neutroni che viene usato come combustibile nucleare nelle centrali atomiche. La materia presente in natura risulta in gran parte non radioattiva e pertanto stabile. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, presentano nuclei instabili, poiche hanno protoni e/o neutroni in eccesso. Tale sbilanciamento provoca la trasformazione spontanea dell'elemento in altri isotopi appartenebti alla stessa famiglia e durante questa trasformazione vi è anche la emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi, oppure radioisotopi, o anche radionuclidi.

Riassumendo per radioattività si intende la trasformazione di un atomo instabile in un altro piu stabile avente un numero di protoni minore del precedente. La radioattività viene a cessare quando lo stesso atomo dopo successive emissioni diventa un elemento stabile. La radioattività è chiamata anche disintegrazione o decadimento radioattivo.


La radioattività vista come radiazioni ionizzanti

pericolo radioattivitàLa radioattività è un fenomeno naturale, basta pensare che siamo costantemente raggiunti dai raggi cosmici, e dalla flebile radioattività naturale che praticamente risulta omnipresente nell'ambiente dove viviamo. Per capire la natura della radioattività occorre conoscere la struttura dell’atomo. Si parla anche di radiazioni ionizzanti in quanto a causa del loro alto potere energetico  sono in grado durante il loro percorso di strappare elettroni agli orbitali più esterni degli atomi della materia con cui eventualmente collidono.Il tipo di radiazioni che più ha questa capacità di ionizzazione sono le radiazioni alfa, poiche considerata la loro natura corpuscolare (nuclei di elio), possono cedere alti livelli di energia alla materia circostante.

Le radiazioni Beta hanno anch'esse un certo potere ionizzante essendo costituite da elettroni ma di certo molto inferiore alle "pesanti" radiazioni Alfa. Le radiazioni Gamma invece essendo di natura ondulatoria (assimilabili alla luce), sono praticamente prive di massa e pertanto hanno un potere ionizzante pressochè nullo. La radioattività è un fenomeno naturale, basta pensare che siamo costantemente raggiunti dai raggi cosmici, e dalla flebile radioattività naturale che praticamente risulta omnipresente nell'ambiente dove viviamo. Quindi per capire la vera natura della radioattività occorre conoscere adeguatamente la struttura dell’atomo.


Classificazione ed energia delle radiazioni ionizzanti

radiazioni alfa beta gammaI principali tipi di radiazioni ionizzanti e/o particelle sono classificate come:  radiazioni alfa, beta, gamma e neutroni. Una caratteristica molto importante è anche la loro energia, che in fisica tradizionale si misura in joule, e nella fisica nuclere in elettronvolt (eV). Un elettronvolt è l'energia che una carica elementare (quella di un elettrone oppure di un protone), consegue attraversando una differenza di potenziale di 1 volt. I multipli dell'elettronvolt sono il keV (1000=10E+3 eV), il MeV (1.000.000 =10E+6 eV) e il GeV (1.000.000.000=10E+9 eV). Ad esempio, in un tubo per la generazione di raggi X, un elettrone, sottoposto alla differenza di potenziale di 100000 volt (10KV), acquista una energia di 100000eV (100 keV). Invece una particella alfa, avendo una carica doppia, con la stessa differenza di potenziale, acquisterà una energia doppia al singolo elettrone, ovvero pari a 200 keV.


Interazione della radiazioni con la materia

Ogni tipologia di radiazione ionizzante ha specifiche proprietà fisiche e si manifesta con particolari comportamenti quando interagisce con la materia circostante. Queste proprieta la distinguono dalle altre, in particolare ogni tipo di radiazione / particella ha un potere di penetrazione caratteristico e rilascia una predeterminata quantita di energia quando incontra durante il suo percorso differenti materiali. 

Nel caso degli esseri viventi, la interazione con la radioattività può portare a un danneggiamento delle cellule. Nella maggior parte dei casi il danno quando l'intensità delle radiazioni è modesta ed il tempo di esposizione ridotto il danno biologico viene riparato dell'organismo, mentre in caso di forti esposizioni per tempi rilevanti le cellule interessate possono risultare seriamente compromesse, con conseguenze nefaste sulla salute degli individui fatalmente esposti.  


Le radiazioni Alfa Beta e Gamma

Le radiazioni ionizzanti in base alla loro natura ed effetti sulla materia si suddividono fondalmentalmente in tre categorie, ovvero le Alfa, le Beta e le Gamma. Poi esistono i anche raggi X che vengono utilizzati sopratutto in radiologia e i temibili Neutroni, molto pericolosi per gli organismi biologici poichè molto energetici e difficilissimi da bloccare.

radiazioni alfa, emissione di particelle alfaLe radiazioni Alfa, sono sostenzialmente costituite da nuclei di elio (He), ovvero da due protoni e due neutroni. Ad esempio l’isotopo 226 del radio (Ra-226), ha un tempo di dimezzamento di circa 1600 anni, durante il suo processo di trasformazione verso forme più stabili, emette quindi due protoni e due neutroni trasmutandosi nell’isotopo 222 del radon (Rn-222) un gas molto pericoloso se inalato, che in genere può essere presente anche negli scantinati in quanto trasuda direttamente dal sottosuolo. Poi essendo di natura corpuscolare Nell’aria non riescono a percorrere non più di 3/4 centimetri e possono essere facilmente arrestate da un sottile foglio di carta e dalla epidermide umana. Il vero pericolo è rappresentato dalla incauta ingestione, Il loro potere ionizzante invece risulta assai elevato, ogni particella può produrre in aria ben 4000 coppie di ioni per ogni millimetro.

 

radiazioni betaLe radiazioni Beta, sono costituite da elettroni aventi carica negativa, oppure da positroni con carica positiva. Questa tipologia di radiazioni vengono generate a seguito di due tipi di trasformazioni nucleari. Nel primo caso un neutrone si trasformerà in un protone che ha carica positiva, e in un elettrone che poi viene espulso dal nucleo, allora il numero totale dei protoni nell'atomo aumenta e quindi questo si è trasformato di fatto in un elemento diverso siccome adesso avrà un numero atomico differente.

Nel secondo caso invece un protone si trasforma in un neutrone avente nessuna carica, e un positrone viene conseguentemente espulso dal nucleo. Allora il numero dei protoni risulterà diminuito, e quindi l’atomo si è trasformato anche in questo caso in un elemento diverso (ossia avrà un numero atomico differente). Le radiazioni beta hanno energie inferiori a quelle delle radiazioni alfa, inoltre vengono emesse con uno spettro di energia continuo, che può variare da alcuni KeV (kilo-elettronvolt) fino ad alcuni MeV (Mega-elettronvolt o milioni di elettron-volt).

Però poiché la loro massa è considerevolmente inferiore rispetto a quella alle particelle alfa, il loro potere penetrante allora risulta superiore, possono percorrere alcuni metri in aria e alcuni millimetri nei tessuti biologici. Le radiazioni beta risultano pericolose solo se la sorgente è ingerita nel corpo come accade per le alfa, dall’esterno invece occorre che siano emesse vicino agli organi che risultano a meno di 10 o 20 millimetri dalla cute. Quindi organi vitali come il cervello e gli occhi sono gli unici del corpo umano che potrebbero essere danneggiati seriamente dalle radiazioni beta.

 

radiazioni gammaLe radiazioni Gamma non hanno massa, quindi sono costituite esclusivamente da una radiazione di tipo elettromagnetico che viene emessa dal nucleo di un elemento instabile durante il suo processo di decadimento. Ad esempio il cesio 137 (Cs-137) decade nel bario137 che però si troverà ancora in uno stato eccitato definito metastabile (Ba-137m). Quest'ultimo poi si trasforma in uno stato piu stabile (Ba-137) attraverso emissione di energia sotto forma di una radiazione ondulatoria di tipo gamma.  Le energie delle radiazioni gamma possono essere nel range di alcune decine di migliaia di elettronvolt (keV) fino a circa due megaelettronvolt (2MeV), inoltre essendo del tutto prive di massa il loro potere penetrante è di molto superiore rispetto alle radiazioni alfa e beta, possono percorrere diverse centinaia di metri in aria, attraversano facilmente il corpo umano, causando un grave deterioramento nel DNA delle cellule di cui è composto. Possono essere fermate solamente da alcuni centimetri di piombo, o alcuni decimetri di cemento.


Emissione di neutroni dal processo di fissione nucleare

emissione di neutroniI neutroni con i protoni, sono delle particelle pesanti che costituiscono il nucleo degli atomi. Le più importanti sorgenti artificiali di neutroni sono costituite dai reattori nucleari che sfruttano la fissione nucleare per spaccare il nucleo degli atomi rilasciando neutroni e grandi quantita di energia. Le energie dei neutroni all’interno dei reattori variano da meno di 0,1 elettronvolt (eV) fino a circa 10 MeV. L'assenza di carica elettrica dà ai neutroni un elevato potere di penetrazione della materia dipendente dalla loro energia. In natura i neutroni sono presenti per effetto delle interazioni nucleari delle particelle o radiazioni presenti nel cosmo con l’atmosfera


Classificazione delle radiazioni ionizzanti

Tabella sulla classificazione dei tipi di radiazioni ionizzanti


Classificazione della radioattività in base alla lunghezza d'onda

tipologia di radiazioni ionizzanti e la loro rispettiva energia

Link a tema:


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- Alla scoperta della radioattività, i danni biologici da radiazioni ionizzanti, la dose assorbita ed equivalente

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