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Spettrometria Gamma dell’Uranio

uranium

L’Uranio è un elemento chimico con simbolo U e numero atomico 92. È un metallo bianco-argenteo nella serie degli attinidi della tavola periodica. Un atomo di uranio ha 92 protoni e 92 elettroni, di cui 6 elettroni di valenza. L’uranio è debolmente radioattivo, perché tutti i suoi isotopi sono instabili (con emivita dei 6 isotopi noti, dall’uranio-233 all’uranio-238, che variano tra i 69 anni e 4,5 miliardi di anni).

Gli isotopi più comuni dell’uranio sono uranio-238 (che ha 146 neutroni e rappresenta quasi il 99,3% dell’uranio presente in natura) e uranio-235 (che ha 143 neutroni, pari al 0,7% dell’elemento naturale). L’uranio è il secondo elemento con più alto peso atomico degli elementi primordiali, più leggero solo del plutonio. La sua densità è circa il 70% superiore a quella del piombo, ma leggermente inferiore a quello di oro o di tungsteno. È naturalmente presente in basse concentrazioni di poche parti per milione nel suolo, roccia e acqua, ed è commercialmente estratto da minerali ricchi di uranio, come l’uraninite.

In natura, l’uranio si trova come uranio-238 (99,2739-99,2752%), uranio-235 (0,7198-0,7202%), e una piccola quantità di uranio-234 (0,0050-0,0059%). L’Uranio decade lentamente emettendo una particella alfa. L’emivita dell’uranio-238 è di circa 4,47 miliardi anni e quella dell’uranio-235 è 704 milioni di anni, rendendoli utili nella determinazione dell’età della Terra.

Isotopo Uranio 238

Uranio-238 è l’isotopo più stabile dell’uranio, con una emivita di circa 4.468 × 109 anni, circa l’età della Terra. Uranio-235 ha una emivita di circa 7,13 × 108 anni e uranio-234 ha una emivita di circa 2,48 × 105 anni. Per l’uranio naturale, circa il 49% della sua radiazione alfa è emessa da ciascuno degli atomi di U-238, ed il 49% dalle emissioni di U-234 (dato che quest’ultimo è formato dal primo) e circa il 2,0% dal U-235. Quando la Terra era giovane, probabilmente circa un quinto del suo uranio era uranio-235, ma la percentuale di U-234 era probabilmente molto inferiore a questo. Uranio-238 è di solito un emettitore α (occasionalmente, subisce fissione spontanea), decade attraverso la “Serie uranio” di decadimento nucleare, che ha 18 membri, ciascuno dei quali alla fine decade in piombo-206, attraverso diversi percorsi di decadimento.

Uranio-238 non è fissile, ma è un isotopo fertile, perché dopo l’attivazione neutronica può produrre il plutonio-239, un isotopo fissile. Infatti, il nucleo U-238 può assorbire un neutrone per produrre l’isotopo radioattivo dell’uranio-239. U-239 decade per emissione beta in nettunio-239, anch’esso un beta-emettitore, che decade a sua volta, in pochi giorni in plutonio-239. Pu-239 è stato usato come materiale fissile nella prima bomba atomica fatta esplodere nel “Trinity test”, il 15 luglio 1945 in New Mexico.

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La catena di decadimento 4n + 2 dell’uranio-238 si chiama “serie dell’uranio” o “cascata dell’uranio”.
Inizia naturalmente con uranio-238, questa serie comprende i seguenti elementi: astato, bismuto, piombo, polonio, protoattinio, radio, radon, tallio, e torio. Tutti sono presenti, almeno transitoriamente, in qualsiasi campione contenente uranio naturale, sia in metallo, composto, o minerale. La serie termina con piombo-206. L’energia totale rilasciata dal uranio-238 al piombo-206, compresa l’energia persa per neutrini, è 51.7 MeV.

Isotopo Uranio 235

Uranio-235 è un isotopo dell’uranio che costituisce circa lo 0,72% dell’uranio naturale. Diversamente dall’isotopo predominante uranio-238, è fissile, cioè, in grado di sostenere una reazione a catena di fissione. È l’unico isotopo fissile che è anche un nuclide primordiale presente in quantità significativa in natura.
La serie di decadimento di U-235, che si chiama la “Serie Attinio”, ha 15 membri, tutti alla fine decadono in piombo-207. I tassi di decadimento in queste serie di decadimento rende il confronto dei rapporti tra genitori e discendenti un utile metodo di datazione radiometrica.

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La catena 4n + 3 dell’ uranio-235 viene comunemente chiamata “serie attinio” o ” cascata di plutonio”. Cominciando con l’isotopo presente in natura uranio-235, questa serie di decadimento comprende i seguenti elementi: Attinio, astato, bismuto, francio, piombo, polonio, protoattinio, radio, radon, tallio, e torio. Tutti sono presenti, almeno transitoriamente, in qualsiasi campione contenente uranio-235, sia in metallo, composto, minerale o minerale. Questa serie termina con l’isotopo stabile di piombo-207.

Spettri Gamma di Materiali contenenti Uranio

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Spettro Gamma di Smalto all’Uranio (Fiestaware)
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Spettro Gamma di Vetro all’Uranio (Vaseline Glass)
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Ceramiche con smalto con Ossido di Uranio

L’uranio contenuto nello smalto e nel vetro è stato raffinato, pertanto non contiene tutti i prodotti del decadimento a partire da radio fino al piombo e bismuto. Per questo motivo è presente soltanto il primo isotopo del decadimento : il torio-234.
Da notare negli spettri dello smalto all’uranio la presenza dei fotopicchi dell’isotopo uranio-235. Segno che per questi manufatti è stato utilizzato uranio naturale raffinato e non uranio impoverito. Possiamo quindi dedurre che il periodo di fabbricazione è probabilmente antecedente alla seconda guerra mondiale dato che successivamente, per questo genere di prodotti, è stato utilizzato prevalentemente uranio impoverito.

Spettri Gamma di Minerali contenenti Uranio

Autunite – Primo Campione

La autunite è un minerale radioattivo, un fosfato idrato di uranio e calcio, appartenente al gruppo omonimo. Il nome deriva dalla città di Autun, in Francia. Ha luminescenza giallo-verdastra intensa. È fortemente radioattiva. Solubile in acido nitrico colora la fiamma di rosso arancio; al saggio col borace da reazione di uranio. Va pulito con acqua distillata ed è un minerale molto simile alla torbernite da cui differisce per il comportamento chimico. Oltre ad essere un minerale utile per l’estrazione di uranio, per la sua forte luminescenza viene proprio usato nelle miniere per lampade atte a farne individuare altre vene e cristalli.

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Campioni di Autunite
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Spettro Gamma del minerale Autunite : sono evidenti i picchi del Radio e dei suoi discendenti Pb 214 e Bi 214

Autunite – Secondo Campione

Uraninite

Uraninite o pechblenda (da pitchblende = blenda picea – un termine usato dai minatori tedeschi) è un minerale fortemente radioattivo, ed è una delle principali fonti naturali di uranio.
Da un punto di vista chimico, l’uraninite e la pechblenda sono costituite da un reticolo di UO2 con una massa amorfa costituita da ossidi ricchi di ossigeno. Le dimensioni del reticolo sono tanto più piccole quanto più è alto il tasso di UO2.

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Campione di Uraninite
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Spettro Gamma del minerale Uraninite : sono evidenti i picchi del Radio e dei suoi discendenti Pb 214 e Bi 214

Pechblenda

Abbiamo acquisito lo spettro gamma di un bel esemplare di pechblenda proveniente dalla Val Vedello. Il minerale è abbastanza grande per cui non è stato possibile inserirlo nel pozzetto schermato di misura. Il campione è comunque piuttosto attivo per cui il livello ambientale non altera significativamente la misura. Nelle immagini sotto si vede il campione, il setup di misura e gli spettri gamma ottenuti.

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Saleeite

La saléeite è un minerale, chimicamente un fosfato idrato di uranio e magnesio, appartenente al gruppo dell’autunite.

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Campione di Saleeite
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Spettro Gamma del minerale Saleeite : sono evidenti i picchi del Radio e dei suoi discendenti Pb 214 e Bi 214

Polycrase (Uranio e Torio)

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Spettri Gamma del minerale Polycrase contenente Uranio e Torio

Decadimento dell’Uranio 238

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Spettri Gamma di smalto all’Uranio e di un minerale con Uranio

 Il decadimento dell’uranio 238 si può dividere in due parti :

  • U-238 -> .. -> Ra-226 : l’uranio-238 ha una emivita di milioni di anni
  • Ra-226 -> .. -> Pb-206 : il radio -226 ha una emivita di 1600 anni

Nei minerali di uranio sono presenti tutti gli isotopi della catena di decadimento perché nel tempo si è prodotto un equilibrio e quindi l’attività è la medesima per tutti gli isotopi.
In oggetti “recenti” prodotti dall’attività umana a partire da uranio purificato invece non sono presenti tutti gli isotopi dato che il tempo è stato insufficiente per raggiungere l’equilibrio tra gli isotopi, in particolare sono assenti gli ultimi isotopi della progenie: Ra-226, Pb-214 e Bi-214. Questa caratteristica viene resa evidente negli spettri mostrati nella immagine sopra.

La linea rossa corrisponde allo  spettro gamma del minerale di uranio uraninite, nel quale sono presenti i fotopicchi gamma di tutti gli isotopi discendenti dell’uranio-238. Sono presenti in particolare gli isotopi Pb-214 e Bi-214 che discendono dal radio Ra-226.
La linea verde corrisponde allo spettro gamma dello smalto all’uranio (fiestaware) nel quale sono evidenti i fotopicchi del torio-234 e dell’uranio-235, mentre sono praticamente assenti i fotopicchi dei discendenti del radio Ra-226 : piombo 214 e bismuto-214.
Il fotopicco che si trova in corrispondenza del Ra-226 nello spettro gamma dello smalto all’uranio è relativo all’isotopo U-235.

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L’immagine sopra, presa dal sito della Amptek, mostra alcuni spettri gamma : uranio, torio, background, …