Archivio Nucleare

Beniamino Bullio (ingegnere nucleare) ci ha inviato un quarto documento di approfondimento sempre sui “rifugi antiatomici”.

Questa è la quarta parte e seguiranno ulteriori approfondimenti.
Segue il testo inviatoci.

I rifugi antiatomici (quarta parte) - di B. Bullio (luglio 2009)

Come accennato nella prima parte, il rifugio antiatomico deve salvaguardare uomini ed animali dalle radiazioni e non solo .
Dovra’ risultare certamente interrato ( e vedremo in seguito fino a quale profondita’ ) , ma prima di esaminare tali particolari sara’ bene ricordare che esistono diversi tipi di “bombe“ con effetti devastanti e diverse forme di radiazioni nucleari particolarmente nocive:

Ciascun atomo è caratterizzato da un numero di massa definito A, corrispondente alla somma dei protoni e neutroni, ovvero somma del numero atomico Z e numero N dei neutroni.
In genere atomi di piccole medie dimensioni, presentano un numero atomico che è uguale al numero dei neutroni. Viceversa atomi con un numero elevato di protoni necessitano di un numero altrettanto elevato di neutroni per vincere la repulsione fra particelle uguali, tale che sia N > Z.
In ogni caso, ciascuno di questi atomi può esistere in natura sottoforma di isotopo. Gli
isotopi sono atomi di uno stesso elemento aventi lo stesso numero di protoni ma diverso
numero di neutroni, identificati dal numero di massa. Ad esempio, l’uranio (simbolo U) ha
vari isotopi: 238U 235U 233U. L’uranio 238, 235 e 233 hanno sempre 92 protoni, ma un diverso numero di neutroni ovvero 146, 143 e 141 neutroni.
Nel nucleo è concentrata quasi tutta la massa dell’atomo. Infatti neutroni e protoni hanno
masse molto più grandi di quella degli elettroni, circa 1850 volte. Il nucleo atomico si può
immaginare come una sfera carica di energia positiva il cui raggio vale circa un
decimillesimo di miliardesimo di centimetro .
Se si potesse “pesare” prima un nucleo atomico e successivamente i suoi componenti
separati, ci si troverebbe di fronte ad un risultato molto sorprendente: la massa del nucleo risultera’ leggermente inferiore alla somma dei protoni e neutroni che lo costituiscono; si ha in pratica un “difetto di massa”. Quando due o più nucleoni si uniscono a formare un nucleo, parte della loro massa è convertita in energia di legame, conseguenza della relazione d’equivalenza tra massa ed energia intuita da Einstein, come se fossero due forme sotto cui si presenta la stessa entità fisica: E . Essa permette di calcolare a quanta energia E corrisponde una certa massa m, moltiplicata per il quadrato della velocità della luce c.
Considerando le dimensioni del nucleo e il “difetto di massa”, per cui i nucleoni hanno dovuto rinunciare ad un centesimo della loro massa per potersi legare, l’effetto non è certo trascurabile e si spiega perché la forza che li tiene insieme è denominata “forte”. Viceversa, “l’energia di legame” è quella che si deve fornire al nucleo per riuscire a separare uno dall’altro i protoni Z e i neutroni N che lo compongono. E’ allora evidente che un nucleo caratterizzato da una grande energia di legame risulta particolarmente stabile.

All’interno del nucleo atomico si trovano due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. Sono particelle che si assomigliano molto (tanto da essere indicate entrambe con il nome di “nucleoni”) ma mentre il neutrone è elettricamente neutro, il protone ha una carica che vale esattamente quanto quella, di segno opposto, trasportata dall’elettrone.

Il numero di protoni presenti in un nucleo è detto numero atomico ed è indicato con Z; quindi la carica elettrica nucleare è pari a Z volte la carica di un protone. Ricordiamo che normalmente gli atomi sono neutri e che questo si deve al pari numero, Z appunto, di protoni ed elettroni che li compongono. Tutti gli atomi che hanno uguale Z, anche se differiscono per il numero di neutroni, danno origine allo stesso elemento chimico, hanno in pratica le medesime proprieta’ e occupano lo stesso posto nella tavola periodica degli elementi. Per questo motivo atomi con lo stesso numero atomico Z sono detti isotopi (stesso posto).
Ad esempio il Bismuto 214 ha 83 cariche positive nel nucleo e 214 nucleoni.
214Bi83
Per giustificare la presenza di questi isotopi si deve pensare che all’interno del nucleo vi sia un numero diverso di nucleoni tutti aventi la medesima massa ( in effetti la differenza è minima ) .
Nel nucleo è concentrata quasi tutta la massa dell’atomo. Infatti, neutroni e protoni hanno masse molto piu’ grandi (circa 1800 volte) di quella degli elettroni. Per valutare la massa di un nucleo è fondamentale conoscere il numero di neutroni che vi compaiono; tale numero s’indica come gia’ indicato con N.
Se si trascura la piccolissima differenza esistente tra le masse del protone e del neutrone, si puo’ concludere che la massa di un nucleo vale Z + N volte la massa del protone. La quantita’ Z + N s’indica con la lettera A e si chiama numero di massa. L’unita’ di massa sulla quale ci si basa per la sua individuazione è dato da 1 / 16 della massa di un atomo di ossigeno ,che serve naturalmente come unita’ anche per la determinazione dei pesi atomici . La scelta è dovuta a due motivi : prima di tutto l’ossigeno si combina con quasi tutti gli elementi , per cui costituisce un facile termine di confronto ; inoltre esso non ha isotopi , per cui la determinazione che si effettua per ricavare la massa unitaria di un nucleone è precisa , mentre il calcolo effettuato inizialmente prendendo come base l’idrogeno era affetto da un errore poiche’ questo elemento è formato dal miscuglio di due isotopi e quindi il suo peso atomico è leggermente superiore all’unita’ .

Emissione di particelle alfa

I corpuscoli alfa emessi nel decadimento radioattivo sono nuclei di elio He, ciascuno
costituito da due protoni p e due neutroni n, che riescono a sfuggire alla forza nucleare, come se un sasso lanciato in aria riuscisse a sfuggire all’attrazione gravitazionale.
L’elemento che le genera si trasforma in un nuovo elemento con numero atomico Z-2 e un
numero di massa A-4. Un’ emissione di radiazione α si esprime con la relazione semplice:

AXZ => A-4XZ-2 + α (oppure 4He2)

Le particelle α, seppur relativamente piccole, sono considerate di massa elevata ; interagiscono con la materia sia elettricamente (poiché dotate di carica, doppia e positiva +2) che meccanicamente (poiché pesanti), determinandone la ionizzazione. Il loro potere ionizzante è piuttosto elevato (mille volte maggiore delle particelle beta) a causa della doppia carica di cui sono caratterizzate. Inversamente, il loro potere penetrante è molto debole: i raggi α non oltrepassano un foglio di carta, una lamina di alluminio dello spessore di 50 micron o lo strato basale dell’epidermide. Nell’aria percorrono dai 2 agli 8 cm.
L’emissione di particelle da parte di vari radionuclidi rappresenta una delle prime
scoperte della fisica moderna: nel 1908 Rutherford dimostrò che tale radiazione è
costituita da nuclei di 4He.
Nasce allora il problema inverso: classicamente la particella α non potrebbe mai
lasciare il nucleo, e non esisterebbero nuclei α-emettitori. Questo paradosso fu
risolto da Gamow e da Condon e Gurney (1929 ), i quali, trattando quantisticamente il problema, mostrarono l’esistenza di una probabilità di fuga finita anche nel caso in cui la meccanica classica avrebbe predetto una barriera assolutamente insormontabile, cioè stabilità nucleare.

La loro energia è raramente inferiore ai 4 MeV.
La velocita’ puo’ andare da 15.000 a 20.000 km/s .
Il potere penetrante è molto debole (100 volte minore dei raggi beta) . Con un’energia di almeno 7,5 MeV possono penetrare nella pelle.
Il potere ionizzante è molto elevato, (1000 volte maggiore dei raggi beta), con un’energia di 3 MeV producono 4000 coppie di ioni per millimetro.
Il grado di pericolosita’ è alto solo se emesse da una sorgente interna al corpo umano, possono creare gravi danni in conseguenza dell’elevato potere ionizzante.

Emissione di particelle beta

Il decadimento beta è il più comune dei fenomeni di natura nucleare e tutti gli elementi radioattivi (Z>82) hanno isotopi che decadono in questo modo. Si tratta della trasformazione di un nucleone nell’altro nucleone con l’emissione di particelle β, che possono essere elettroni o positroni.

Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si trasforma in protone secondo la formula: n* = p+ + ß- + antineutrino

Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni, un protone in eccesso emette una particella ß+, chiamata positrone, e si trasforma in neutrone secondo la formula:

p+= n° + ß+ + neutrino

Entrambi i decadimenti β provocano una transizione isobarica, vale a dire che il numero di massa resta inalterato, mentre aumenta o diminuisce il numero atomico rispettivamente in
β- e in β+ .

Le particelle ß+ possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l’allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare per attrazione elettrostatica, a spese della loro energia cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria). Il potere penetrante è uguale a quello delle particelle ß-.

Caratteristica peculiare dell’emissione di particelle β è la contemporanea emissione di un antineutrino (o neutrino), che sottrae parte dell’energia cinetica all’elettrone (o positrone), modificandone la forma spettrale, per cui l’energia totale si ripartirà tra elettrone ed antineutrino.
La loro energia puo’ oscillare da qualche keV a molti MeV, ma di rado superiore ai 4 MeV.
La loro velocita’ puo’ oscillare da 150.000 km/s a “c” (velocita’ della luce) .
Il loro grado di pericolosita’ è limitato in quanto il potere penetrante fa si che la loro pericolosita’ sia limitata se emesse da una sorgente esterna al corpo; sono dannose se la sorgente è al contrario interna al corpo .

Emissione di raggi gamma

Quasi tutti i nuclei instabili emettono raggi γ : un nucleone può trovarsi, alla fine di un processo radioattivo, in uno stato altamente energetico avendo tuttavia libero uno stato a più bassa energia; il nucleone passa allo stato meno energetico e la differenza di energia è rilasciata sottoforma di fotone γ, cioè di onda elettromagnetica di origine nucleare.
La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione α o β: dopo l’emissione α/β il nucleo è ancora eccitato perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio, di conseguenza il nucleo si libera rapidamente del surplus energetico emettendo raggi γ.
I raggi γ si propagano con la velocità della luce ed hanno un’energia proporzionale alla loro frequenza.
I raggi gamma differiscono dai raggi X poiché vengono emessi dal nucleo, mentre i raggi X dagli elettroni. Inoltre i primi sono fortemente più energetici.
I raggi gamma godono di elevatissimo potere di ionizzazione; altrettanto elevato è il potere penetrante che è 100 volte maggiore dei raggi corpuscolari beta : 1 cm di piombo, 6 cm di cemento, 9 cm di materiale ben pressato possono ridurre l’intensità del 50% .
Tre sono gli effetti provocati alla materia dalle radiazioni γ :
a) effetto fotoelettrico: un fotone di energia medio-bassa interagisce con l’elettrone delle orbite più interne (meno energetiche) dell’atomo della materia, cedendo tutta
la sua energia; il fotone scompare.
b) effetto Compton: un fotone di media energia interagisce con un elettrone di orbita più esterna (più energetica) cedendo solo parte della sua energia ; il fotone si riduce
a fotone “secondario” (γ Compton) che si propaga in direzione diversa rispetto al γ originario, con una intensità energetica ridotta .
c) creazione di coppie: il fotone ad alta energia interagisce con il campo di forza del nucleo della materia che attraversa, distribuendo equamente tutta la propria energia
sottoforma di energia cinetica fra 2 particelle, un elettrone e un positrone, originatesi dall’annullamento del fotone.

La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch’esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata disintegrazione o
decadimento radioattivo.
Il tempo medio che occorre attendere per avere tale trasformazione può essere estremamente breve o estremamente lungo. Esso viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni (per esempio, il potassio-40 ha una vita media di 1.8 miliardi di anni). Un altro tempo caratteristico di un radioisotopo è il “tempo di dimezzamento”, ovvero il tempo necessario affinché la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione spontanea.
Le radiazioni prodotte dagli isotopi radioattivi interagiscono con la materia con cui vengono a contatto, trasferendovi energia. Tale apporto di energia, negli organismi viventi, produce una ionizzazione delle molecole: da qui la definizione di radiazioni ionizzanti. La dose di energia assorbita dalla materia caratterizza questo trasferimento di energia. Gli effetti possono essere irrilevanti o più o meno dannosi, a seconda della dose di radiazioni ricevuta e del tipo di radiazioni (le quali hanno un potere di penetrazione differente tra loro ) .

Interazioni con la materia ed effetti biologici

Le radiazioni corpuscolari , ma anche tutte le altre particelle liberate nelle reazioni nucleari (protoni, neutroni, deutoni, …) provocano ionizzazione per attrazione–repulsione elettrostatica, per successive collisioni, o innescano ulteriori reazioni nucleari .

Le interazioni possibili, quindi, sono numerose e complesse, ma, in definitiva, conducono tutte allo stesso risultato, cioè alla ionizzazione delle molecole della materia irradiata.

La misura dell’energia assorbita dalla materia a seguito dell’esposizione alle radiazioni ionizzanti (dosimetria) porta alla definizione di diverse grandezze a secondo dell’aspetto che si vuole mettere in luce. Tuttavia, per semplicità, è possibile limitarci a considerarne tre:
dose d’esposizione: si misura in roentgen (r) e vale solo per le radiazioni elettromagnetiche (X e γ )
dose specifica assorbita: è la quantità di energia ceduta dalla radiazione all’unità di massa del materiale irradiato ed è valida per qualunque tipo di radiazione ionizzante. Si misura in rad, equivalente a 100 erg/grammo o, nel S.I., in gray (Gy) pari a 1 joule / Kg (1Gy = 100 rad).
dose biologica efficace: pari alla dose assorbita (rad) moltiplicata per un fattore convenzionale che tiene conto del danno biologico prodotto. L’unità di misura è il rem (rad equivalent man). È importante notare, ai fini degli effetti biologici, che mentre la somma di più dosi misurate in rad ha scarso significato ( perché non fa distinzione tra il tipo di radiazione), è invece molto significativo sommare dosi misurate in rem.

Tra le prime due grandezze (dose d’esposizione e dose specifica assorbita) è stata postulata un’equivalenza fisica in termini di energia assorbita. Questa equivalenza non implica uguale capacità di effetto biologico. Tralasciando ulteriori considerazioni, si è riscontrato che la densità di ionizzazioni per unità di percorso della radiazione (in parole povere la capacità di provocare molte ionizzazioni in uno spazio ristretto) assume un’importanza preponderante nel definire i danni biologici prodotti. Infatti da essa dipende sia la probabilità che più di una ionizzazione cada nel corpo di una stessa macromolecola, sia la probabilità di ricombinazione dei radicali liberi prodotti dalla ionizzazione. Per tenere conto di questi aspetti si è definita la terza grandezza, cioè la dose biologica efficace.

Con questo quarto inserto termina la prima fase di pubblicazione dell’articolo sui rifugi antiatomici. Riprenderemo al termine delle ferie estive iniziando ad “entrare” nel bunker. Se siete interessati ad eventuali approfondimenti su alcuni aspetti sviluppati contattateci e certamente troveremo il modo per affrontarli piu’ dettagliatamente. Auguro a tutti voi una buona estate.

Questo articolo è stato pubblicato da Amministratore in data Martedì, 4 Agosto 2009 alle 19:23 nella categoria scienza, tecnologia, progetti di ricerca. Puoi seguire i commenti a questo articolo tramite il feed RSS 2.0. Puoi inviare un commento, o fare un trackback dal tuo sito.