Alcuni Spettri Alfa e Beta

Con l’ausilio delle spettrometro per particelle alfa, descritto nel post Spettrometro Alfa DIY abbiamo esaminato alcuni isotopi e sostanze radioattive. La difficoltà principale della spettroscopia alfa è la preparazione della sorgente : per ottenere righe nette e buone risoluzioni è necessario che lo strato attivo sia molto sottile (idealmente solo pochi atomi) ed omogeneo. Naturalmente questo è piuttosto difficile da ottenere, quindi ci accontenteremo delle sorgenti che si possono preparare in un laboratorio “casalingo”

Spettro α Americio (²⁴¹Am)

L‘americio è l’elemento chimico di numero atomico 95. Il suo simbolo è Am. L’americio è un elemento metallico sintetico della famiglia degli attinidi, ottenuto bombardando il plutonio con neutroni. L’emissione alfa dell’Am-241 è circa il triplo di quella del radio. Pochi grammi di Am-241 emettono radiazione gamma intensa che crea seri problemi di esposizione a chi deve maneggiare l’elemento. L’americio può essere prodotto in quantità dell’ordine dei chilogrammi, principalmente sotto forma dell’isotopo Am-241.
Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. L’americio è usato per costruire alcuni tipi di parafulmine, grazie proprio a questa capacità di ionizzare l’aria circostante favorendo così il passaggio di corrente. Am-241 è stato anche usato come sorgente portatile di raggi gamma per l’uso in radiografia.

L’americio decade seconda la catena 4n + 1 del Np-237 viene comunemente chiamata “serie nettunio” o “cascata nettunio”. Il decadimento dell’americio avviene per emissione di particelle alfa con energia principalmente di 5443 KeV e 5486 KeV.

Per la nostra prova abbiamo utilizzato una capsula di americio contenuta in un rivelatore di fumo. Va tenuto presente che l’elemento attivo è depositato su di un supporto protetto da una lamina d’oro, come si vede nella immagine sopra, questo ha come effetto quello di abbassare un pò l’energia delle particelle alfa e di allargare la riga di emissione diminuendo la risoluzione.

Nel diagramma sotto si vede lo spettro alfa della emissione dell’americio : una riga centrata a circa 4800 KeV con un FWHM di circa il 4%.

La misura dello spettro dell’americio visualizzata sopra è stata fatta in condizioni di vuoto, se non viene evacuata l’aria dalla camera di misura il risultato che si ottiene è diverso perchè l’aria ha l’effetto di rallentare le particelle alfa e di disperdere la loro energia.
Il grafico riportato sotto mostra due spettri alfa dell’americio presi a due distanze diverse senza evacuare l’aria. Si può vedere che il picco più basso, corrispondente ad una distanza maggiore dal sensore, ha energia inferiore ed una maggiore larghezza di riga rispetto al picco più alto, preso ad una distanza minore, questo effetto è noto come energy straggling.

Spettro α Radio (²²⁶Ra)

Il radio è l’elemento chimico di numero atomico 88. Il suo simbolo è Ra. La parola radioattività deriva proprio dal nome di questo elemento (per ragioni storiche) anche se non è l’elemento con la maggior radioattività conosciuto. Di colore bianco, annerisce per esposizione all’aria. È un metallo alcalino-terroso presente in tracce nei minerali dell’uranio. Il suo isotopo più stabile, ²²⁶Ra, ha un’emivita di 1602 anni e decade in radon.
Il radio 226 appartiene alla catena di decadimento 4n + 2 dell’uranio-238 nota come “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.
L’immagine sotto mostra la parte relativa alla catena di decadimento dal radio in poi.

Come si vede ci sono molti decadimenti alfa che dovrebbero lasciare la loro traccia sullo spettro alfa di una sorgente di radio. Nella tabella seguente vengono riportati i decadimenti, evidenziando quelli di tipo alfa e le relative energie.

Per i nostri test abbiamo utilizzato due lancette di orologio con vernice luminescente al radio, il livello di radioattività è piuttosto basso, però lo strato di vernice è molto sottile e questo facilita la formazione dei picchi di emissione. Nella immagine sotto riportiamo gli spettri ottenuti. Il primo spettro è senza la compensazione dell’allargamento delle linee, mentre nel secondo è stato applicato l’algoritmo di compensazione (pensato per spettrometria gamma ma applicabile anche in questo caso) in modo da far risaltare i picchi di emissione.

Nello spettro si riconoscono i picchi di emissione del Radio 226 (4782 KeV), del Polonio 210 (5305 KeV), del Radon 222 (5490 KeV), del Polonio 218 (6002 KeV) e del Polonio 214 (7687 KeV). Vi è inoltre un picco evidente attorno a 5000 keV che corrisponde all’isotopo Protoattinio 231 e dei massimi che dovrebbero corrispondere all’ Uranio 235 (residui della raffinazione del radio).

Spettro α Progenie Radon-222

Adottando il setup mostrato nelle immagini sopra è possibile effettuare la spettrometria di alcuni isotopi della progenie del Radon. Un campione di uraninite viene posto all’interno di un sacchetto ermetico con un pezzetto di carta. Il Radon emesso dal minerale con la sua progenie (in particolare Po218, Pb214, Bi214 e Po214) si deposita in parte sulla superficie della carta e può essere successivamente rilevato dallo spettrometro alfa. Nel grafico riportato sotto si vede come dopo qualche minuto siano evidenti i picchi della emissione del Po218 a 6000 KeV e del Po214 a 7687 KeV

Nel grafico riportato sotto si vede come dopo diversi minuti sia rimasto solo il picco del Po214, infatti il Po218 ha un tempo di decadimento di soli 3 minuti. E’ da notare la presenza di un picco di emissione in corrispondenza all’isotopo Bi211, prodotto del decadimento dell’uranio 235 attraverso il Radon 223.

Utilizzando la trappola elettrostatica che verrà descritta nel paragrafo seguente è stato acquisito un ulteriore spettro della progenie del radon. La trappola elettrostatica permette di selezionare e concentrare solo gli ioni positivi prodotti dai decadimenti beta del radon, in particolare il Pb214 ed il Bi214 che danno luogo al Po214.

Si nota la presenza dell’isotopo Po211 prodotto del decadimento dell’uranio 235 attraverso il Radon 223.

Spettro α Progenie Radon-220 (Thoron)

“Thoron” è il nome che identifica l’isotopo del radon con peso atomico 220. Questo isotopo radioattivo viene prodotto nella catena di decadimento del Torio ed il suo tempo di decadimento è di circa 55 secondi. Nella catena di decadimento del thoron si evidenzia l’isotopo Pb-212, con emivita di circa 10 ore, responsabile del principale picco gamma a 239 keV. In ambito alpha si evidenziano gli isotopi Bi-212 e Po-212. L’immagine a lato mostra la parte relativa alla catena di decadimento dal radon 220 in poi. Come sorgente di thoron sono state utilizzate le classiche reticelle toriate.
Per catturare la progenie del thoron è stata utilizzata una “trappola ionica elettrostatica” in modo da catturare e concentrare su di una placca metallica gli ioni positivi prodotti dal decadimento beta del Pb-212 : Bi-212 e Po-212, entrambi emettitori alfa.
La trappola ionica è schematizzata nel disegno mostrato sotto : si tratta di un contenitore metallico che viene caricato positivamente rispetto ad una placca metallica posta all’interno in posizione centrale. All’interno viene introdotto (o generato direttamente all’interno) il gas radon che decadendo produce isotopi ionizzati positivamente che vengono respinti dalle pareti esterne ed attirati verso la placca dal campo elettrostatico. Le immagini sotto mostrano il dispositivo.

Con questo metodo è stato possibile concentrare i due isotopi ed ottenere lo spettro alfa mostrato sotto, nel quale si vedono i picchi di emissione del Bi212 e del Po212 insieme alla relativa emissione beta.

Spettro α Polonio (²¹⁰Po)

Questo isotopo del polonio è un emettitore alfa, con una emivita di 138,39 giorni. Un milligrammo di tale metalloide emette lo stesso numero di particelle alfa di 5 grammi di radio. Il decadimento di questo elemento rilascia anche una grande quantità di energia: mezzo grammo di polonio-210, se viene termicamente isolato dall’ambiente, può raggiungere rapidamente temperature di circa 500 °C, e sviluppare circa 140 W/g in energia termica. Pochi curie (gigabecquerel) di polonio-210 emettono una luminescenza blu dovuta all’eccitazione dell’aria circostante per effetto Compton. Quantità infinitesime di questo isotopo possono essere utilizzate come sorgente alfa campione per la taratura in energia dello spettrometro alfa. Va maneggiato con molta cura dato che la sorgente è aperta e questo isotopo è fortemente tossico.
Nelle immagini sotto viene mostrata la sorgente campione e la sua collocazione all’interno dello strumento.

Nel grafico sotto viene mostrato lo spettro della sorgente, trattandosi di una sorgente preparata appositamente (sottile ed uniforme) si raggiunge una buona risoluzione : FWHM = 2%

Spettro α Uranio da “Fiestaware”

Fiestaware è stata la più grande linea di stoviglie nella storia americana – 200 milioni di piatti sono stati consegnati dal 1936. Il colore rosso/arancio dello smalto contiene uranio. Il governo ha sequestrato la fornitura di uranio della società nel 1943 per fini bellici. Un unico piatto contiene circa 4,5 grammi di uranio, per lo più di U-238. La produzione ha ripreso nel 1959 con l’uranio impoverito (impoverito di U-235) e ha continuato fino al 1972, quando fu interrotta a causa del contenuto di uranio e di piombo potenzialmente pericolosi per la salute nel caso di fuoriuscita dallo smalto. Lo smalto non contiene radio perchè non vi è stato tempo sufficiente per essere generato dalla catenna di decadimento, contiene solo uranio e alcuni dei suoi isotopi :

La radioattività viene prodotta principalmente da U238 e U234 per le particelle alfa e da Th234 e Pa234 for le particelle beta. Abbiamo testato un pezzetto di questo smalto con il nostro spettrometro alfa. Il grafico qui sotto mostra il risultato:

Lo spessore dello smalto non permette di avere chiari picchi alfa di emissione, abbiamo invece un “blob” che si estende dall’energia di 1MeV fino alla energia delle emissioni alfa di U238 e U235. Al di sotto di 1MeV è inoltre evidente lo spettro della emissione beta.

Il grafico sotto mostra lo spettro alfa ottenuto da un frammento di fiestaware. Non vi sono picchi evidenti a causa dell’auto assorbimento delle particelle alfa. Sono comunque evidenti alcuni massimi e scalini in corrispondenza dei principali emettitori alfa della catena del Uranio : U 238 e U 234. Vi è inoltre un picco in corrispondenza della emissione del U 235 : Il frammento in esame è stato quindi realizzato utilizzando uranio NON depleto.

Spettro α Torio da “Gas Mantles”

Il torio è l’elemento chimico di numero atomico 90. Il suo simbolo è Th. È un metallo attinoide radioattivo ed è uno degli unici due significativi elementi che si trovano ancora radioattivi naturalmente in grandi quantità come elemento primordiale (l’altro è l’uranio).

Un atomo di torio possiede 90 protoni e quindi 90 elettroni, di cui quattro elettroni di valenza.  E’ di colore argenteo e diventa nero se esposto all’aria, formando il diossido. Il torio è debolmente radioattivo: tutti i suoi isotopi noti sono instabili. Il torio-232 (232Th), possiede 142 neutroni ed è l’isotopo più stabile di torio rappresentando quasi tutto il torio naturale. Il torio ha la più lunga emivita rispetto a tutti gli elementi significativamente radioattivi: 14.05 miliardi di anni; decade molto lentamente attraverso un decadimento alfa diventando radio-228 (228Ra) e termina con il piombo-208 (208Pb) stabile. Si stima che il torio sia di circa tre o quattro volte più abbondante dell’uranio nella crosta terrestre ed è principalmente raffinato dalle sabbie di monazite come un sottoprodotto di estrazione di metalli delle terre rare.

In passato, il torio veniva comunemente utilizzato come fonte di luce nelle reticelle Auer e come materiale per le leghe metalliche, tuttavia queste applicazioni diminuirono a causa delle preoccupazioni circa la sua radioattività.

Il grafico sotto mostra lo spettro alfa ottenuto da un frammento di reticella toriata. Non vi sono picchi evidenti a causa dell’auto assorbimento delle particelle alfa. Sono comunque evidenti alcuni massimi e scalini in corrispondenza dei principali emettitori alfa della catena del torio

Spettro β Stronzio 90 (⁹⁰Sr)

Lo Stronzio-90, è un isotopo radioattivo dello stronzio prodotto dalla fissione nucleare dell’uranio, avente un’emivita radioattivadi 28,8 anni. Va incontro a decadimento β⁻ trasformandosi in ittrio-90 (⁹⁰Y), con un’energia di decadimento di 0,546 MeV. Lo stronzio-90 ha applicazioni in medicina e nell’industria ed è un isotopo da monitorare nel fallout nucleare prodotto dalle esplosioni nucleari e dagli incidenti nucleari.
Lo stronzio naturale è un metallo alcalino terroso non radioattivo e non tossico, ma ⁹⁰Sr è un radioelemento pericoloso che va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita radioattiva di 28,79 anni, e un’energia di decadimento di 0,546 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo dell’ittrio ⁹⁰Y, che a sua volta va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita di 64 ore ed energia di decadimento di 2,28 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo ⁹⁰Zr (zirconio), che è stabile. Da segnalare che il ⁹⁰Sr/Y è una sorgente quasi pura di particelle beta; l’emissione di fotoni gamma dal decadimento del ⁹⁰Y è così rara che in genere normalmente può essere ignorata.

Lo spettrometro alfa può essere utilizzato anche per le misure di particelle beta, anche se gli elettroni sono più penetranti e quindi lo stopping power del detector è più basso; questo significa che gli elettroni più energetici possono attraversare lo strato sensibile del detector rilasciando solo una parte della loro energia.

Riportiamo sotto lo spettro ottenuto da una sorgente campione da 0,1μCi.

Come si vede l’energia massima rilevata è di circa 1200 KeV a causa del fatto che gli elettroni più energetici sfuggono dal detector. La misura è quindi attendibile solo per la parte relativa alla emissione beta dello Sr-90, mentre l’emissione più energetica del Y-90 viene rilevata solo in parte.

Spettro β Rubidio 87 (⁸⁷Rb)

Il rubidio è l’elemento chimico di numero atomico 37. Il suo simbolo è Rb. È un elemento tenero dal colore bianco-argenteo ed appartiene al gruppo dei metalli alcalini. ⁸⁷Rb, un suo isotopo naturale, è debolmente radioattivo. Come gli altri metalli alcalini, il rubidio è molto reattivo e si infiamma spontaneamente quando viene esposto all’aria.
Del rubidio sono noti 24 isotopi, di cui due di origine naturale; il rubidio è generalmente una miscela di ⁸⁵Rb (72,2%) e ⁸⁷Rb (27,8%), radioattivo. La radioattività del rubidio che si trova in natura è sufficiente ad impressionare una lastra fotografica in un tempo compreso tra circa 30 e 60 giorni.
⁸⁷Rb ha una emivita di 48,8 × 10⁹  anni. Si sostituisce facilmente al potassio nei minerali, a ciò è dovuta la sua diffusione. Il rubidio viene impiegato per la datazione delle rocce; ⁸⁷Rb decade a ⁸⁷Sr, stabile, tramite emissione di una particella beta con energia di circa 280 KeV.

Nella immagine sotto si vede lo spettro beta del rubidio : in circa tre ore si sono contati 250 impulsi con energia di circa 280 KeV.

Spettro β Lutezio  (¹⁷⁶Lu)

Il lutezio naturale è composto di due isotopi di cui solo uno è stabile, ¹⁷⁵Lu (abbondanza naturale 97,41%) mentre l’altro, il ¹⁷⁶Lu decade beta con emivita di 3,78 × 10¹⁰ anni (2,59% abbondanza naturale).

Nella immagine a lato si vede lo schema di decadimento del Lutezio nel quale viene evidenziata l’energia massima dell’elettrone che corrisponde a circa 600KeV.

Come campione per la misura è stato utilizzato un cristallo scintillatore LYSO.

Spettro β Cesio  (¹³⁷Cs)

Il cesio-137 (¹³⁷Cs, Cs-137) è un isotopo radioattivo del metallo alcalino cesio che si forma principalmente come un sottoprodotto della fissione nucleare dell’uranio, specialmente nel reattore nucleare a fissione.

Nella immagine a lato si vede lo schema di decadimento del Cesio nel quale viene evidenziata l’energia massima dell’elettrone che corrisponde a circa 500KeV.

Come campione per la misura è stata utilizzata una sorgente campione da 0,25uCi.

Spettro β+ Sodio 22  (²²Na)

L’isotopo Na-22 decade (nel 99.95% dei casi) con emivita di 2,6 anni, per emissione di positroni o cattura elettronica verso il primo stato eccitato del ²²Ne a 1.274 MeV (il quale successivamente si rilassa per emissione di fotone gamma). Il positrone viene emesso con energia massima di 544KeV. I positroni emessi dalla sorgente si annichilano nel materiale che fa da supporto alla sorgente, producendo 2 gamma di energia 0.511 MeV ciascuno.

Nella immagine a lato si vede lo schema di decadimento del Sodio 22 nel quale viene evidenziata l’energia massima del positrone che corrisponde a circa 544KeV.

Come campione per la misura è stata utilizzata una sorgente campione di sodio 22 da 1uCi.

Spettro β Potassio  (⁴⁰K)

L’isotopo radioattivo naturale del potassio subisce un duplice decadimento: per l’89% gli atomi di ⁴⁰K si trasformano in ⁴⁰Ca per decadimento β^– ; per il restante 11% gli atomi di ⁴⁰K si trasformano in ⁴⁰Ar per cattura elettronica. Il processo di decadimento del ⁴⁰K in ⁴⁰Ar è anche utilizzato nelle scienze della Terra come misura del tempo geologico sulla base del rapporto ⁴⁰K /⁴⁰Ar.

Nella immagine sopra si vede lo schema di decadimento del Potassio 40 nel quale viene evidenziata l’energia massima dell’elettrone che corrisponde a circa 1300KeV.

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