Cenni sulla fisica atomica, scoperta della radiattività, danni da radiazione ionizzante, la dose assorbita e la dose equivalente  
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Cenni di Fisica Atomica, scoperta della radioattivita, danni biologici da radiazioni ionizzanti, dose assorbita e dose equivalente

Cenni sulla Fisica Atomica e
 la scoperta della Radioattività
 Dose assorbita e dose equivalente Nuovo contatore geiger e Dosimetro professionale Guardian Ray
   
       Il grande Enrico Fermi alla lavagna

La Fisica in generale cerca di interpretare i fenomeni macroscopici come una composizione ed una successione di interazioni a livello microscopico tra i loro costituenti elementari.

Più in particolare...


La fisica nucleare,

è la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti fondamentali, ovvero i protoni e i neutroni e le loro interazioni.


La fisica atomica,

invece studia l'atomo, sistema composto dal nucleo atomico e dagli elettroni.


La fisica delle particelle o fisica subnucleare,

ha come oggetto lo studio delle particelle più piccole del nucleo atomico. La fisica delle particelle o subnucleare è stata per molto tempo considerata una branca della fisica nucleare. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi in base alle più recenti scoperte risulta che la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.


La scoperta della radioattività

Alla fine dell’800 Henry Becquerel, e i coniugi Pierre e Marie Curie, scoprirono con la fisica sperimentale dei "strani fenomeni fisici" che poi battezzarono appunto con il nome di radioattività, e vennero insigniti al Premio Nobel per la Fisica per i risultati ottenuti sulle loro importanti ricerche.  In particolare Scoprirono che alcuni minerali, contenenti uranio e radio avevano la proprietà di impressionare delle lastre fotografiche, in particolare una volta che queste venivano sviluppate presentavano diverse macchie scure.  Per questa particolare capacità, l’uranio, il Radio e il Polonio (gli ultimi due sono stati scoperti proprio da Pierre e Marie Curie) vennero denominati “attivi” mentre il fenomeno di emissione di particelle venne chiamato radioattività.
Da allora sono stati identificati quasi 2500 specie di nuclei differenti e solo una piccola percentuale, circa 280, sono risultati stabili. 


La Radioattività naturale

La radioattività è un fenomeno presente in natura, ogni cosa incluso il nostro corpo, contiene una certa percentuale di isotopi radioattivi. La radioattività è presente anche nell’aria sopratutto per la presenza del gas Radon (Rn), prodotto dal decadimento dell’uranio e del torio, che si nelle rocce. Essendo nello stato gassoso, il radon riesce ad miscelarsi con l'aria, e in un m3 di aria in un edificio chiuso avvengono in media 30 decadimenti di radon al secondo.

Un altro elemento della radioattività naturale è il Potassio-40, che è presente nel nostro corpo e in generale nella materia biologica, nei cibi, nel terreno e nell’acqua di mare. In un corpo umano si hanno circa 5000 decadimenti di 40K al secondo.


Lo studio dei danni da radiazione.

La sorveglianza e il monitoraggio dei livelli di radiazione sono responsabilità delle istituzioni sanitarie pubbliche, che devono garantire che nessuno riceva una dose pericolosa di radiazioni. IL genere umano è da sempre esposto a varie forme di radiazione naturale costituite, come già visto, dai raggi cosmici e da tutti gli elementi radioattivi presenti in natura (gas Radon, Uranio, torio, Radio, ecc. ecc.). Comunque i livelli di radiazione naturali sono troppo deboli per mettere in luce gli effetti dannosi delle radiazioni, che non divennero evidenti prima della fine dell’800, quando in seguito alla scoperta dei raggi X da parte di Roentgen e della radioattività da parte di Bequerel furono disponibili per la sperimentazione intense sorgenti di radiazione. Nel 1901 Bequerel mostrò un eritema della cute in che gli era sopraggiunto in corrispondenza della tasca del vestito nella quale aveva tenuto per qualche tempo una fiale di vetro contenente sali di Radio. In seguito Pierre Curie si provocò intenzionalmente un eritema da Radio sulla cute del braccio pensando che le radiazioni potessero avere proprietà terapeutiche, addirittura molti malcapitati ricevettero come ricostituente iniezioni di materiali contenenti Radio e Torio con il risultato che successivamente  furono colpiti da gravi forme di tumore. Nel 1903 fu scoperto che l’esposizione ai raggi X poteva addirittura indurre sterilità negli animali da laboratorio; pochi anni dopo fu annunciato che gli embrioni di uova di rospo fertilizzate con sperma irradiato con i raggi X, presentavano anormalità genetiche. In seguito furono segnalate le prime anemie e le prime leucemie indotte da raggi X e già nel 1902 si constatò che un carcinoma cutaneo si era sviluppato su una precedente dermatite derivata da una lunga esposizione alle radiazioni.


Tre tipi di radiazioni

Radiazioni α (alfa) con carica positiva +2, trattasi di atomi di Elio, che sono poco penetranti, infatti si fermano con un sottile foglio di carta); •
Radiazioni β (beta) con carica negativa −1, ovvero trattasi di  elettroni penetranti (per fermarle occorre uno strato di piombo di circa 0.5 cm);
Radiazioni γ (gamma), prive di carica, ma molto penetranti (per fermarle occorre uno strato di piombo di almeno 10 cm).

classificazione delle radiazioni

La capacità penetrante di una particella è dovuta alla sua energia cinetica e alla sua dimensione: la particella α ha una sezione talmente grande che non le è possibile attraversare un reticolo di atomi.


Le radiazioni ionizzanti, possono essere assorbite dalla materia sotto forma di dose energetica, che quantifica il trasferimento di energia avvenuto. Gli effetti possono essere irrilevanti o anche molto dannosi, ovviamente a seconda della dose di radiazioni che è stata assorbita, e del tipo di radiazioni.

il nostro contatore geiger è particolarmente sensibile alle radiazioni Beta e in particolare alle emissioni Gamma.

Riguardo la rilevazione delle particelle alfa, queste sono tipicamente emesse dai nuclidi radioattivi di elementi pesanti, come gli isotopi dell'uranio, del torio, del radio, ecc., in un processo atomico chiamato decadimento alfa.

Spesso questo decadimento lascia i nuclei in uno stato eccitato, da un eccesso di energia può essere irradiata con l'emissione dei raggi gamma. Allora avviene che la emissione di particelle alfa, spesso coincide la emissione di raggi gamma, che indirettamente ne rivelano la loro presenza.

I raggi alfa, sono costituiti da 2 protoni e 2 neutroni legati insieme, in pratica si tratta quindi di nuclei 4He (elio). hanno una importante carica elettrica, che gli permette di interagire fortemente con la materia circostante.

I raggi alfa, sono ritenuti poco importanti ai fini della loro diretta rilevazione con il tubo geiger  poichè sono facilmente assorbiti dai materiali e in pratica possono viaggiare solo per pochi centimetri nell'aria, e possono essere assorbiti e bloccati dagli strati più esterni della pelle umana, così in genere non sono pericolosi per la vita, a meno che la stessa sorgente non venga direttamente inalata o ingerita.

In questo caso i danni sarebbero invece molto superiori di quelli causati da una qualsiasi altra tipologia di radiazione ionizzante,  infatti l'esposizione degli organi interni del corpo umano ad un dosaggio elevato di particelle alfa determinerebbe sicuramente i sintomi tipici di un grave avvelenamento da radiazione alfa.

L'unità di misura della dose assorbita dalla materia a seguito dell'esposizione alle radiazioni ionizzanti é il Gray (Gy). e il Sievert, (Sv), dove 1Gy corrisponde a una quantità di energia di 1 Joule (J) assorbita da 1 kilogrammo di materia.

Il concetto di dose equivalente esprime le dosi di radiazioni assorbite dall'uomo inteso come organismo biologico, precisamente misura gli effetti biologici possibili dovuti alla dose di radiazioni assorbita.

Quindi è stato introdotto anche il concetto di equivalente di dose, che tiene conto del danno biologico possibile, a parità di dose, rispetto i vari tipi di radiazioni ionizzanti.


Approfondimento sulle unita di misura della dose assorbita

Nel nostro strumento si utilizza per il calcolo della DOSE, il Sievert (Sv). Di uso più comune è il sottomultiplo millisievert (mSv), pari a un millesimo di Sv. Ad esempio, una radiografia al torace comporta l'assorbimento di una dose di circa 0,14 mSv, mentre la dose annualmente assorbita da ogni individuo per effetto della radioattività naturale è in media di 2,4 mSv per anno.

Generalmente gran parte dei contatori geiger, (il nostro incluso), rilevano agevolmente i più diffusi raggi X, gamma e beta. Pertanto per questi strumenti vale la relazione che 1 Gy di dose assorbita equivale ad 1 Sv di dose equivalente. Mentre per i raggi alfa, 1 Gy è equivalente a ben 20 Sv (situazione molto improbabile da verificarsi nella realtà in quanto dovremmo porci direttamente a contatto con un minerale che in natura emette molte particelle alfa come ad esempio il radio). infine Per i fasci di neutroni 1 Gy può equivalere da 3 a 11 Sv a seconda dell'energia del fascio, (anche questa è una situazione difficilmente risulta riscontrabile nella realtà)


Esempi di dosi assorbite in situazioni comuni

- Radiografia 0.5 –5 mSv
- Un anno in una casa di mattoni 1 mSv
- Un anno in una casa di granito 2 mSv
- Volo intercontinentale 0.1 mSv


Limiti di dose assorbita per la legge italiana

Il limite massimo di dose stabilito dalla legge italiana per le persone è 1 mSv per anno al di sopra della dose naturale di radiazioni (20 mSv per lavoratori impegnati in attività che prevedono l’uso o la manipolazione di radioisotopi).


Limiti per il radon della legge italiana

- Limiti consigliati: 400Bq/m3 (edifici esistenti)
- 200Bq/m3 (edifici in costruzione)  


Livelli di Radioattività sui materiali da costruzione

Precisiamo inoltre che anche molti materiali da costruzione presentano una quantità piccola non trascurabile di radioattività naturale. Tale radioattività è dovuta alla presenza dei radioisotopi Uranio (U-238), Torio (Th-232) e Potassio (K-40), in concentrazioni variabili a seconda della tipologia e della provenienza.

A titolo di esempio, alcuni graniti e alcuni tufi possono talvolta registrare sensibili concentrazioni di radioisotopi, mentre nei marmi la radioattività è raramente presente in quantità significative.



Per approfondire  vi consigliamo anche i seguenti tutorial:

natura delle radiazioni ionizzanti alfa-beta-gamma, e il principio di funzionamento del tubo contatore geiger inventato da Hans Wilhelm Geiger.

- Il Radon, cosa è, i rischi correlati, come rilevarlo con uno speciale contatore geiger dotato di sonda pancake

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Per approfondire l'argomento vi consigliamo
di seguire anche i seguenti link


- Principio di funzionamento del contatore geiger e del contatore a scintillazione

- Cenni di Fisica Atomica, scoperta della radioattività, danni biologici da radiazioni ionizzanti, dose assorbita e dose equivalente

- Natura delle radiazioni ionizzanti alfa-beta-gamma

 - Il Radon, cosa è, i rischi correlati, come rilevarlo con uno speciale contatore geiger dotato di sonda pancake
 
     




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Ultimo Aggiornamento: 17 Marzo 2017