isotopi, contatori Geiger, scintillatori

Questo post vuole essere un contributo al Carnevale della Fisica del 30 luglio, che sarà ospitato sul blog Chimicare, il blog di Franco Rosso, dal tema: le basi fisiche della conoscenza chimica.

Leggevo che  tra i timorati della contaminazione radiattiva in Giappone ci sono stati acquisti incauti di falsi contatori Geiger. Purtroppo il settore delle contraffazioni non guarda in faccia nessuno, nemmeno la salute dei cittadini. I contatori di radiattività sono di vari tipi, così come le emissioni ionizzanti, e ci sono metodi adatti per alcuni tipi di radiazione e non ad altri.

Le radiazioni elettromagnetiche e ionizzanti

Le radiazioni non ionizzanti, dette NIR dall'acronimo inglese Non Ionizing Radiation, comprendono tutte le radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti (da non confondere con Near Infra Red, la regione dello spettro contigua al visibile).

Per radiazioni ionizzanti si intendono le radiazioni elettromagnetiche di frequenza sufficientemente alta da essere in grado di ionizzare gli atomi della sostanza esposta. Tali radiazioni sono quindi capaci di modificare la struttura chimica delle sostanze. Per convenzione si considerano ionizzanti le radiazioni con frequenza maggiore di 3x10¹⁵ Hertz. 

Ci sono diversi tipi di radiazione ionizzante: 

raggi alfa (basso potere di penetrazione nella materia), 

radiazione beta 

 radiazione gamma (alto potere di penetrazione, bisogna schermarle con spesse lastre di piombo).

I meccanismi fonte di radiazioni ionizzanti sono: il decadimento radiattivo, la fissione nucleare, l'emissione da cariche fortemente accelerate (sincrotrone). 

Perché gli isotopi decadono?

Gli isotopi sono nuclidi con stesso numero atomico (Z) e diverso numero di massa (A), cioè diverso numero di neutroni. Il  ⁴⁰Ca, N/Z=1,  non presenta modifica spontanea al trascorrere del tempo. Altri nuclidi sono quasi stabili oppure instabili. All'aumentare di Z le forze coulombiane repulsive aumentano più rapidamente delle forze nucleari attrattive (attenuate), perché con più neutroni aumenta la distanza tra protoni). Per nuclei pesanti il rapporto N/Z che dà stabilità è vicino a 1,5.

Gli isotopi instabili tendono ad una configurazione più stabile. L'emissione di energia come radiazione comporta una modifica dell'isotopo e trasformazione in un nuclide più leggero. 

La maggior parte di isotopi instabili  emettitori di raggi alfa hanno numero di massa maggiore di 200

  ²³⁸U (₉₂U)—> ²³⁴Th (₉₀Th)  + He (un neutrone si trasforma in protone  + energia ν)

le beta particelle hanno la stessa massa dell'elettrone e carica sia positiva che negativa, e producono una variazione del numero atomico Z

²³⁴Th (₉₀Th)—> ²³⁴Pa (₉₁Pa)

¹³N (₇N) —>¹³C (₆C) [+ beta+] 

I raggi X, di natura simile ai raggi gamma, ma diversa origine (i raggi gamma sono dati da transizioni subatomiche), sono transizioni energetiche di elettroni. Questi decadimenti sono originati per interazione del nucleo con gli elettroni vicini (cattura) o elettroni sono espulsi per assorbimento di radiazioni. 

Ma come si misurano le radiazioni? Che tipi di detectors abbiamo a disposizione?

Dosimetri

Il contatore Geiger (Geiger-Muller)  mette in relazione il numero di conteggi con la grandezza dosimetrica. Per questo la sensibilità dello strumento varia significativamente al variare dell'energia della radiazione incidente. E' molto sensibile per radiazioni alfa ,beta, ma ha bassa efficienza per radiazioni gamma (2%).
Sono utilizzati due diversi metodi di misurazione:
1: la camera si comporta elettricamente come un condensatore. La camera è caricata e la sua esposizione ne determina la scarica. Il DeltaE, potenziale iniziale è la misura dell'intensità di radiazione, e la perdita di carica è l'indice di esposizione.
2: la camera si comporta come dispositivo, regolabile, a corrente. La quantità di corrente che fluisce attraverso la camera è proporzionale all'intensità di radiazione.
Nei rilevatori a gas non conducente, nobile, argon o helio, si produce un flusso di particelle cariche tra gli elettrodi. Misurando questa corrente al variare della tensione applicata si ottengono tre intervalli distinti di ampiezza dell'impulso ( una regione di plateau fino a 200 Volt, una regione di incremento proporzionale fino ad 800 Volt, e ancora una ragione di basso incremento a 1200 Volt (alte tensioni) qui si comporta da contatore Geiger: il flusso di corrente non aumenta più entro un certo intervallo di tensioni.  
Si considera pertanto che il rilevatore è affidabile e funziona come un contatore proporzionale nella regione intermedia. La corrente in uscita è proporzionale al numero di coppie di ioni prodotti.
Infine, ci sono  i metodi basati sui contatori a scintillazione (Radio Immuno Assays), sfruttano ionizzazione prodotta nei solidi e nei liquidi. Gli scintillatori possono essere cristalli organici, inorganici, o soluzioni di sostanze organiche (toluene come solvente e fluorofori POP, POPOP).
Possono essere di tipo solido, a base di solfuro di zinco spalmato su una base trasparente, rileva le particelle alfa, di antracene e naftalene (rileva alfa e beta), o fluoruri plastici. Per i raggi X e gamma si usano cristalli di NaI drogati con TlI, un attivatore.
Mi rendo conto che l'argomento è ostico, ma può essere utile per chi deve decidere su quale principio fisico e strumento di elezione basarsi per la sicurezza sul lavoro e a casa.