Trinitite

Un pò di storia : cos’è la Trinitite ?

La trinitite (conosciuta anche come vetro di Alamogordo o atomite) è il nome dato al residuo vetroso formatosi nel deserto, vicino ad Alamogordo in Nuovo Messico, sul sito dell’esplosione avvenuta il 16 luglio 1945, del primo ordigno nucleare, chiamato in codice “Trinity” e basato sul plutonio.

Il vetro è costituito principalmente di silicio e di feldspato fusi dal calore generato dall’esplosione nucleare, è solitamente di colore verde chiaro, anche se in alcuni campioni si presenta di altri colori. È leggermente radioattivo, ma è possibile maneggiarlo senza rischi dato il basso livello di attività.

Sono stati identificati vari tipi differenti di trinitite: la forma più comune è di color verde, campioni di colore nero contengono ferro proveniente dalla torre metallica che sosteneva la bomba sopra la superficie del deserto, campioni di color rosso contengono rame proveniente dalla bomba stessa e dai cavi che la collegavano alla postazione di controllo e messa a fuoco. Sono state trovate anche perle originate da silicio fuso proiettato in aria e solidificatosi prima di toccare il suolo.
Nella immagine a lato si può vedere uno dei nostri campioni di trinitite.

Verso la fine degli anni quaranta e l’inizio degli anni cinquanta, sono stati raccolti campioni di trinitite e venduti a collezionisti di minerali come novità. Alcuni campioni possono ancora essere trovati sul sito dell’esplosione, anche se la maggior parte è stata fatta rimuovere e seppellire dalla Commissione per l’energia atomica degli Stati Uniti nel 1952: attualmente è illegale raccogliere il materiale restante sul sito, tuttavia il materiale raccolto prima di questa proibizione è ancora in possesso dei collezionisti ed è possibile trovare online dei campioni di questo materiale : trinitite on eBay. Nella immagine iniziale del Post si vede il flacone di vetro contenente i frammenti di trinitite che ci sono stati donati per effettuare l’analisi del materiale.

Spettroscopia Gamma

Abbiamo sottoposto il campione di trinitite ad analisi spettroscopica gamma con lo strumento descritto nel post Spettrometria Gamma DIY, utilizzando il sensore con cristallo da 63x63mm, posizionando sensore e campione all’interno di un pozzetto di misura schermato. L’immagine a lato mostra il detector ed il pozzetto di misura. Per pilotare il PMT abbiamo utilizzato il Theremino PMT Adapter e per elaborare i dati abbiamo utlizzato il collaudato Theremino MCA.

L’attività del campione è bassa ma facilmente misurabile, è necessario comunque acquisire per un tempo adeguato uno spettro del background e successivamente acquisire lo spettro gamma del campione. i tempi di misura sono lunghi : per avere dati adeguati è opportuno fare la misura per un tempo maggiore di 10h.

L’attività di background, misurata all’interno del pozzetto vale circa 40 CPS, la misura con il campione fa registrare circa 70 CPS, l’attività netta del campione di trinitite vale quindi 30 CPS. Valore che ci permette di fare delle buone misure e al contempo rende il campione assolutamente sicuro da maneggiare.

I risultati della spettroscopia gamma sono rappresentati nei grafici seguenti. Il primo grafico mostra in verde lo spettro gamma, in scala lineare, del campione, sovrapposto allo spettro gamma del background, in grigio. Il secondo grafico mostra, in scala logaritmica, lo spettro del campione al quale è stato sottratto il fondo.

Dagli spettri gamma si nota chiaramente la presenza dei seguenti isotopi : Cesio 137, Americio 241, Europio 152. L’Americio ed il Cesio in particolare danno luogo a fotopicchi molto evidenti.

La presenza di questi isotopi è la “firma” caratteristica della trinitite autentica. Vediamo ora l’origine di questi isotopi.

Cesio 137

Il Cesio-137 (¹³⁷Cs, Cs-137) è un isotopo radioattivo del metallo alcalino cesio che si forma principalmente come un sottoprodotto della fissione nucleare. Ricordiamo che la bomba nucleare esplosa ad Alamogordo nel “Trinity Test” aveva come materiale fissile il Plutonio 239. Durante il processo di fissione il nucleo “padre”, in questo caso il Plutonio 239, viene “fissionato” e produce due nuclei più leggeri di numero atomico pari a circa la metà. Il Cesio 137 è uno di questi, inoltre è anche il prodotto del decadimento Beta di altri isotopi da fissione come lo Xenon 137 e lo Iodio 137. Il Cesio 137 ha una emivita di circa 30 anni. Il Cesio 137 produce emissione gamma a 662 KeV e 32 KeV.

Americio 241

L’Americio 241 è il prodotto del decadimento Beta del Plutonio 241, a sua volta ottenuto a partire dal combustibile Plutonio 239 mediante doppia cattura neutronica. L’emivita di questo isotopo è di 432 anni. Questo isotopo produce emissione alfa ed emissione gamma a 60 KeV.

Europio 152

Questo isotopo è stato ottenuto mediante attivazione neutronica degli isotopi stabili Europio 151 ed Europio 153, presenti nel suolo del sito di detonazione. L’emivita è di 13,5 anni.

Analisi Quantitative

Abbiamo sottoposto il campione di Trinitite anche ad analisi quantitativa, utilizzando lo spettrometro gamma ed il software Beqmoni con il fine di stabilire l’attività degli isotopi presenti nel campione. Misure quantitative di questo tipo sono descritte nei post Misure di Radioattività Gamma, Misura Cesio 137 in Suolo Contaminato. Preliminarmente abbiamo fatto una misurazione calibrando lo spettrometro con una sorgente campione di Cs137, ottenendo un valore di efficienza di 20.8 Bq/CPS, questo significa che il valore ottenuto dal detector va moltiplicato per questo fattore al fine di ottenere l’attività reale del campione espressa in Bequerel. Successivamente abbiamo messo il campione a contatto con il detector ottenendo lo spettro riportato sotto, nel quale sono presenti i principali picchi gamma degli isotopi descritti nel paragrafo precedente.

Grazie alle funzionalità ROI di Beqmoni siamo in grado di determinare l’attività dei singoli isotopi, consideriamo però soltanto il Cesio 137 dato che ci permette la misura più precisa :

Peso campione di trinitite = 12g
Attività campione di trinitite = circa 30 CPS
Sensibilità Detector = 20.8 Bq/CPS
Attività Cs137 = 7.4 CPS -> 154 Bq -> 12.8 Bq/

Naturalmente questa è l’attività attuale, misurata nel 2018, però, conoscendo l’emivita dell’isotopo siamo in grado di calcolare l’attività originaria al momento della esplosione. La possiamo determinare facilmente conoscendo il tempo di dimezzamento dell’isotopo : 30 anni per il Cesio 137. La costante di decadimento ed il tempo di dimezzamento sono inoltre legati dalla seguente relazione :

λ = ln2 / T_1/2 = 0,693 / T_1/2

La legge del decadimento radioattivo ci dice che : A_(t) = A₀ e^-λt
Conoscendo A_(t), λ, t possiamo facilmente determinare A₀ 

A₀ = A_(t) / e^-λt

Facendo i calcoli e sapendo che t = 2018 – 1945 = 73 anni otteniamo i seguenti valori :

Attività Cs137 = 12.8 Bq/g x 5.1 = 65.3 Bq/g

Questi valori sono una buona stima dei valori originali di radioattività e sono in linea con le misure che si trovano in letteratura scientifica. Naturalmente per avere misure più precise è necessario utilizzare apparati sperimentali più sofisticati come rivelatori HPGe (Germanio iperpuro funzionante a temperature criogeniche) oppure spettrometri di massa.
Nonostante l’attrezzatura “amatoriale” siamo comunque stati in grado di fare una analisi abbastanza completa ed approfondita del campione di Trinitite : un pezzo della nostra storia recente che ha segnato l’inizio, nel bene e nel male, dell’era atomica.

Ulteriore documentazione

Articolo con una analisi qualitativa e quantitativa : Analyzing Trinitite
Analisi Trinitite con Spettrometro HPGe : Spettroscopia Gamma con HPGe
Documento Pdf : Trinitite

trinitite on eBay

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