CARBO

FONDAMENTI DI CHIMICA PER LE TECNOLOGIE, LA SALUTE E L’AMBIENTE

Direttori

Franco VUniversità degli Studi di Perugia

Stefano FUniversità degli Studi di Perugia

Comitato scientifico

Vincent LUniversité Paris XIII Nord – Villetaneuse, France

James Martin FUniversity of Rochester, NewYork, USA

I volumi accolti nella collana afferiscono ai settori scientifico disciplinari diFondamenti chimici delle tecnologie (/) e di Chimica dell’ambiente e deibeni culturali (/).

CARBO

FONDAMENTI DI CHIMICA PER LE TECNOLOGIE, LA SALUTE E L’AMBIENTE

Una vita senza ricerche non è degna per l’uomo di essere vissuta.

P, Apologia di Socrate

La collana nasce dall’interesse di approfondire l’attività di ricerca scien-tifica e l’attività didattico–formativa, relativa allo studio dei fondamentichimici applicati a diversi ambiti tecnologici, al settore della sicurezzae della salvaguardia della salute umana, all’ambiente e ai beni culturali.

L’obiettivo è quello di divulgare e promuovere ricerche, studi e co-noscenze che riguardano i prodotti chimici naturali e di sintesi, lepossibili applicazioni tecnologiche, l’impatto sulla salute umana, sul-l’ambiente e sui beni culturali. Il fine ultimo è favorire l’evoluzionee lo sviluppo economico, sociale e tecnologico delle comunità uma-ne verso ecosistemi caratterizzati da una fruizione più equilibrata einclusiva dei beni comuni materiali e immateriali.

Carbo accoglie volumi di rilevanza scientifica internazionale nell’am-bito della chimica di base e della chimica applicata. Le opere sonodestinate a soddisfare l’interesse e la curiosità di intellettuali, accademi-ci, ricercatori, studenti universitari e amanti della cultura. Per questimotivi è possibile trovarvi testi sia di taglio scientifico e specialistico,che di taglio didattico e divulgativo.

Stefano FalcinelliFranco Vecchiocattivi

Radiochimica ambientale

Una guida pratica per capire che cos’è e come si misura

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I edizione: giugno

Indice

Parte IFondamenti di radiochimica

Capitolo INucleo atomico

.. Costituzione del nucleo atomico, – .. Energia di legame nuclea-re, – .. Particelle elementari, – .. Interazioni elementari, –.. Esercizi, .

Capitolo IIRadioattività

.. Il decadimento radioattivo, – .. Legge del decadimento radioat-tivo, – .. Unità di misura per la radioattività, – .. Banda distabilità dei nuclidi, – .. Cenni sul decadimento β, – .. Cennisul decadimento α, – .. Esercizi, .

Capitolo IIIStrumentazione di laboratorio

.. Camere di ionizzazione, – .. Moltiplicatori di particelle, –.. Scintillatori, – .. Alcune considerazioni statistiche, – .. Sta-tistica del conteggio d’impulsi, – .. Spettrometria di massa, –.. Esercizi, .

Capitolo IVInterazioni tra radiazione nucleare e materia

.. Effetti della radiazione α, – .. Effetti delle radiazioni β, – .. Effetti delle radiazioni γ , – .. Radiazione Cerenkov, –.. Effetti prodotti da neutroni, – .. Esercizi, .

Indice

Capitolo VReazioni nucleari

.. Sezione d’urto di una reazione nucleare, – .. Reazioni di fis-sione, – .. Reattori a fissione, – .. Reazione di fusione, –.. Evoluzione delle stelle e nucleosintesi, – .. Esercizi, .

Capitolo VIApplicazioni radiochimiche

.. Uso di traccianti isotopici, – .. Diluizione isotopica, – .. Ana-lisi per attivazione neutronica, – .. Variazioni delle abbondanzeisotopiche naturali, – .. Datazione archeologica con carbonio , – .. Esercizi, .

Capitolo VIIChimica delle radiazioni

.. Resa di una radiolisi, – .. Dosimetria, – .. Radiolisi in fasegassosa, – .. Reazioni ione–molecola, – .. Radiolisi di soluzioniacquose, – .. Radiolisi d’idrocarburi, – .. Radiolisi di solidi, –.. Esercizi, – .. Alcune costanti fisiche, .

Parte IIRadiazioni ionizzanti e loro determinazione

Capitolo ILe radiazioni ionizzanti e i loro effetti sull’uomo

.. Generalità e effetti biologici, – .. Unità di misura dosimetriche eproprietà delle radiazioni ionizzanti, – .. Legislazione in materia diradioprotezione, – .. Famiglie o serie radioattive naturali: equilibriosecolare e transitorio, – .. Il Radon e l’ambiente costruito, –.. Presenza di radionuclidi nell’ambiente, .

Capitolo IIEsposizione a radiazioni ionizzanti in ambienti di lavoro

.. Introduzione, – .. Strumentazione utilizzata, modalità ed erroredi misura, – .. Misure di radioattività indoor presso la “Ser–Vis”S.r.l., – .. Discussione dei dati e materiali edilizi, – .. No-te geologiche, – .. Misure di radioattività su piante e preparatialimentari, – .. Cenni di Spettroscopia γ e suo utilizzo, – .. Va-

Indice

lutazione dell’esposizione a radiazioni ionizzanti dei lavoratori della“Ser–Vis” S.r.l., – .. Conclusioni e sviluppi futuri, .

Capitolo IIIEsposizione a radiazioni ionizzanti in ambienti civili

.. Introduzione, – .. Strumentazione, – .. Rilevazioni di doseefficace indoor nei locali della ex facoltà di Ingegneria di Perugia, –.. Elaborazione dei dati di misura, – .. Analisi dei materiali dacostruzione utilizzati, – .. Note geologiche sul territorio di “Pian diMassiano”, – .. Conclusioni e possibili sviluppi futuri, .

P I

FONDAMENTI DI RADIOCHIMICA

Capitolo I

Nucleo atomico

.. Costituzione del nucleo atomico

Il nucleo di un atomo risulta composto da neutroni e protoni. I neutro-ni sono particelle che non hanno carica mentre i protoni hanno unacarica positiva. Il numero dei protoni presenti in un nucleo è chiamatonumero atomico, A. In un atomo neutro A determina anche il numerodegli elettroni dell’atomo e quindi caratterizza l’elemento chimicostesso. La somma tra il numero dei protoni e quello dei neutronipresenti in un nucleo ne determina la massa. Infatti la massa di unprotone e quella di un neutrone sono abbastanza simili ed ambeduesono molto più grandi della massa di un elettrone. La massa di unprotone, mp, è di , amu (amu = unità di massa atomica, definitacome / della massa dell’isotopo del carbonio; amu = , x−g), quella di un neutrone, mn, è di , amu, mentre quelladi un elettrone, me, , amu. Queste masse si riferiscono alleparticelle considerate a riposo, cioè quando la loro velocità non è cosìgrande da provocare una sensibile modifica relativistica della loromassa. Il numero totale dei protoni e dei neutroni in un nucleo è chia-mato numero di massa, Z. Quando ci si riferisce a nuclei caratterizzatidal solo numero atomico, A, si parla di elemento, mentre quando cisi riferisce a nuclei caratterizzati anche da Z, si parla di nuclide. Lanotazione che si usa per indicare un dato nuclide è quella di scrivere ilsimbolo chimico dell’elemento riportando in alto a sinistra il valore diZ. Per esempio scriveremo U, C, Na, ecc. Talvolta per comoditàsi riporta anche il numero atomico A in basso a sinistra, sebbene nonsia strettamente necessario, dato che il simbolo dell’elemento già indi-ca da se un ben preciso numero atomico. Per esempio si scriverà

U,

O,

C, ecc.

. Fondamenti di radiochimica

Indicheremo con il nome di isotopi quei nuclidi che pur avendonumero atomico uguale, hanno numero di massa diverso. Per esempiosono isotopi C, C e C oppure U, U, U e U. Si dirannoinvece isobari quei nuclidi che hanno numero di massa eguale, manumero atomico diverso. Per esempio sono isobari N e C, oppureK e Ar.

.. Energia di legame nucleare

Facendo uso di alcune tecniche sofisticate come, per esempio, la spet-trometria di massa ad altissima risoluzione, di cui avremo modo diparlare in seguito, la massa di un dato nuclide può essere determi-nata sperimentalmente e con una grande accuratezza. La massa diun nuclide ci può dare informazioni preziose sull’energia di legametra le particelle che costituiscono il nucleo atomico. Consideriamoper esempio il nuclide He. La massa di un suo atomo, determinatasperimentalmente è di , amu. Se confrontiamo questo valorecon quello dato dalla somma della massa di tutte le particelle che costi-tuiscono quest’atomo, cioè due protoni, due neutroni e due elettroni,troviamo un valore di . amu, quindi una massa maggiore diquella dell’atomo del nuclide trovata sperimentalmente. Le particellecostituenti l’atomo, nel legarsi insieme hanno quindi perso una partedella loro massa. Parleremo in questo caso di un difetto di massa,∆m,che può essere determinato facilmente per tutti i nuclidi. In Figura .vediamo come il difetto di massa relativo, cioè∆m/Z, varia per i varinuclidi, in funzione del valore di Z.

Per comprendere meglio la natura del difetto di massa dovremoconsiderare la legge di equivalenza tra massa ed energia che derivadalla teoria della relatività. Questa legge implica che in un qualsiasi si-stema gli scambi di energia siano accompagnati anche da variazioni dimassa. Ad esempio un corpo caldo, data la maggiore energia interna,deve avere una massa maggiore di quella di un corpo freddo, oppure,se in una trasformazione si ha produzione di energia, l’energia delsistema e quindi anche la sua massa devono diminuire. La quantità dienergia messa in gioco,∆E, e l’equivalente quantità di massa,∆m,sono tra loro proporzionali secondo la relazione:

. Nucleo atomico

∆E = c∆m;

dove la costante di proporzionalità, c, è il quadrato della velocitàdella luce (c = , x ms−).

Le quantità di energia messe in gioco nelle reazioni chimiche,che come sappiamo coinvolgono solo variazioni nella composizio-ne del guscio elettronico degli atomi, non sono sufficientementegrandi da provocare variazioni di massa facilmente misurabili. Lopossiamo vedere facilmente considerando, per esempio la reazione dicombustione del metano:

CH + O→ CO + HO;

che presenta ∆H = − kJ mol−. La reazione è esotermica equindi avviene con diminuzione della massa totale del sistema. La

Figura .. In questa curva è mostrato l’andamento medio del difetto di massarelativo, cioè diviso per il numero di nucleoni, per i nuclei degli elementi naturali, infunzione del numero di massa, Z. Il difetto di massa relativo può essere convertitoin energia di legame/nucleone. Nella figura sono riportati direttamente i valoridell’energia in MeV

. Fondamenti di radiochimica

massa dei reagenti ( mole di CH + moli di O) è mtot = , g.La perdita relativa di massa del sistema quando avviene la reazione èquindi

∆m =∆H/c =−, x −g mol−;

∆m/mtot = − −.

Vediamo come la diminuzione di massa relativa subita dal siste-ma, a seguito della produzione di calore che si accompagna alla rea-zione chimica, sia una quantità così piccola da essere difficilmentemisurabile.

Il∆m che viene misurato nella formazione dei vari nuclidi è indicedi una quantità di energia che viene messa in gioco nei nuclei atomicied è straordinariamente più grande di quella messa in gioco neiprocessi chimici. Questa è in pratica determinata dall’energia messain gioco per legare tra loro protoni e neutroni nel nucleo. Nel caso diHe si ha∆m = , amu da cui si ottiene

∆E = c∆m = , x −J = MeV.

L’energia di legame tra le particelle costituenti il nucleo (dette an-che nucleoni) è quindi circa volte più grande di quelle dei legamichimici. La curva di Figura . ci indica l’andamento relativo dell’ener-gia di legame tra le particelle, costituenti il nucleo, in funzione di Z. Ilmassimo di energia di legame si ha per i nuclidi che hanno numero dimassa intorno a circa . Inoltre si può notare che l’aumento di difettodi massa relativo è piuttosto alto andando dai nuclei leggeri versoquelli a massima energia di legame, mentre risulta essere inferiore an-dando da nuclei pesanti verso quelli intorno al massimo della curva. Sipuò anche notare che sono possibili due tipi di trasformazioni nucleariin grado di produrre energia: quella in cui nuclei leggeri si fondonoper dar luogo a nuclei più pesanti (fusione nucleare) e quella in cui unnucleo pesante si scinde dando luogo a nuclei intorno al massimo dienergia di legame nucleare (fissione nucleare). Da quanto consideratosopra, risulta evidente che una reazione di fusione di nuclei leggeri, aparità di massa, produce più energia della reazione di fissione di unnucleo pesante.

. Nucleo atomico

Occorre notare che i processi nucleari avvengono spontaneamentequando comportano una diminuzione dell’energia totale del sistema.Al contrario delle reazioni chimiche, per le reazioni nucleari il fattoreentropico è trascurabile, poiché l’interscambio di energia tra i nucleinelle condizioni usuali è praticamente nullo. Questo significa cheuna reazione nucleare avviene spontaneamente ogni volta che si puòverificare una diminuzione di energia e quindi di massa.

.. Particelle elementari

Nei primi decenni del ventesimo secolo veniva usato il termine par-ticelle elementari per elettroni, neutroni, protoni, e fotoni, pensandoche queste particelle fossero i costituenti fondamentali ed indivisibilidella materia. Nel Hideki Yukawa ipotizzò l’esistenza di particellecon massa intermedia tra i protoni e gli elettroni. Queste particellesono state poi effettivamente osservate, ma agli inizi sono risultateessere di tre tipi, poi di nove, e così via, fino ad arrivare oggi ad unnumero totale di particelle, cosiddette elementari, che, insieme alleloro antiparticelle, sono centinaia. Si può tentare una classificazionedi queste particelle.

La prima grossa distinzione che possiamo fare tra le numeroseparticelle note è quella in base al loro spin. Da questo punto di vistasi distinguono i bosoni, cioè particelle che seguono la statistica di Bo-se–Einstein (spin intero, , , ,. . . ), dai fermioni, cioè particelle cheseguono la statistica di Fermi–Dirac (spin semi-intero,

,

,

). Una

ulteriore distinzione si fa in base alla massa delle particelle. Sono chia-mate leptoni le particelle con piccola massa, come elettroni, neutrinie muoni, insieme alle loro antiparticelle. I leptoni sono tutti fermioni.Barioni sono le particelle più pesanti come protoni e neutroni. Anchei barioni sono fermioni. Mesoni sono particelle con massa intermediae sono tutti bosoni. I barioni e i mesoni sono particelle complesse,cioè composte da altre particelle, e vengono chiamate adroni.

Già alla fine della prima metà del ventesimo secolo, il numero degliadroni scoperti era così grande che si faceva fatica ad orientarsi inmezzo a tante particelle con proprietà e caratteristiche tanto diverse.Nel Murry Gell–Mann tentò una classificazione degli adroni inbase alle loro proprietà, in maniera analoga a quanto fatto da Men-

. Fondamenti di radiochimica

deleev alla fine del diciannovesimo secolo per gli elementi chimici.Questo tentativo riuscì abbastanza bene e mostrò che gli adroni sonoraggruppabili in famiglie. Nel Gell-Mann ipotizzò, sulla base diregolarità e periodicità delle caratteristiche degli adroni, l’esistenzadi una particella non ancora osservata. Questa particella fu poi effet-tivamente osservata nel , convalidando i criteri di classificazionedi Gell-Mann, anche se al momento non c’era nessuna idea chiarasu come si potessero giustificare tali periodicità. Nel sempreGell-Mann propose un’interpretazione della sua classificazione basatasull’ipotesi che gli adroni siano costituiti da tre particelle e dalle lo-ro corrispondenti tre antiparticelle. A questi costituenti “elementari”dette il nome di quark. Gli esperimenti di collisioni nucleari ad alteenergie compiuti negli ultimi quarant’anni hanno completamenteconfermato l’ipotesi di Gell-Mann.

.. Interazioni elementari

Nella meccanica quantistica le interazioni sono attribuite allo scambiodi particelle chiamate “bosoni gauge”. Si distinguono quattro tipi di in-terazioni fondamentali tra le particelle: Interazione elettromagnetica,interazione gravitazionale, interazione nucleare forte ed interazionenucleare debole.

Yukawa ha determinato che l’interazione elettromagnetica tra par-ticelle cariche è dovuta allo scambio di fotoni e produce repulsionetra cariche di uguale segno ed attrazione tra cariche di segno diversoe questa interazione diminuisce con il quadrato della distanza.

L’interazione gravitazionale tra particelle dotate di massa è dovutaallo scambio rapido di particelle dette “gravitoni”, è solo attrattiva edanche questa diminuisce con il quadrato della distanza. I gravitoni nonsono stati ancora osservati direttamente, anche se molti tentativi sonoattualmente in corso.

L’interazione debole è caratteristica della espulsione di elettronie neutrini dai neutroni (decadimento beta). È un’interazione cheagisce a distanze molto piccole, dell’ordine di − cm, ed è circa volte più debole dell’interazione elettromagnetica. Non produceattrazioni ma è responsabile della trasformazione di certe particelle inaltre, come, per esempio, i pioni in muoni. Nel Steven Weinberg

. Nucleo atomico

riuscì a correlare l’interazione debole con l’elettromagnetica. Questateoria contemplava l’esistenza di quattro particelle dell’interazione“elettro-debole”: il fotone, che è senza massa ed è già noto, e treparticelle con massa molto grande, le particelle W+ e W− per leparticelle cariche e la particella Z° per le neutre. Questa teoria haavuto una conferma sperimentale quando, nel , Carlo Rubbiaosservò sperimentalmente le particelle W+ e W− e poi, nel ,quelle Z°.

L’interazione forte è responsabile del legame tra nucleoni nel nu-cleo ed agisce a distanze dell’ordine di − cm. I barioni e i mesonirispondono a questa interazione. L’interazione forte fondamentale siha tra i quark che scambiano un bosone gauge chiamato gluone.

.. Esercizi

– Il nucleo di deuterio ha una massa di , x − kg. Calcolarel’energia di legame tra protone e neutrone nel nucleo di deuterio.

– Le masse dei nuclidi Sn e Sn sono rispettivamente , x− e , x − kg. Quanta energia è richiesta per il processoSn→ Sn + n?

– Quanta energia viene prodotta quando un protone e un nucleodi trizio fondono per formare una particella? (massa nucleare di H :, x −kg).

– Il nucleo di He non ha spin, mentre quello di He ha spin /.Quale dei due nuclei è un fermione e quale un bosone?