giovedì 28 febbraio 2013

Radioattività e cesio nel suolo di Fukushima.


Spettro gamma di una sorgente di cesio 137 pura
  

Raccolta di campioni nella regione di Fukushima
L'incidente alla centrale di Fukushima-1 ha rilasciato grandi quantità di materiale radioattivo nell'aria: questa è dominata dagli isotopi  radioattivi del cesio-137 e -134. In un post precendente sono state confrontate misure di radioattività ambientale, mostrando come le radiazioni di 'fondo' a Roma siano superiori a quelle di Tokyo. 

In figura è mostrato lo spettro dei raggi gamma emessi da una sorgente artificiale di cesio 137 acquisito con lo stesso strumento del post precedente. Il cesio decade in uno stato eccitato del bario (emettendo un elettrone ed un antineutrino). La diseccitazione del bario emette un raggio gamma dell'energia di 661 keV. Questo processo è analogo alla fluorescenza, solo che nel  materiale fluorescente vengono eccitati gli elettroni atomici. Il ritorno (diseccitazione) allo stato fondamentale emette luce (tra 2 e 3 eV), ossia radiazione elettromagnetica. Le energie in gioco nel nucleo sono migliaia di volte più intense e pertanto la radiazione elettromagnetica emessa ha un'energia migliaia di volte maggiore.  
A sinistra del picco si ha la "spalla Compton", prodotta da raggi gamma del cesio che colpiscono un elettrone atomico e lo accelerano con un'energia di poco inferiore, a seconda dell'angolo con cui viene emesso. 
All'estrema sinistra vi è poi un picco a 30 keV anch'esso dovuto all'emissione di raggi X della  diseccitazione del bario.

L'analisi spettroscopica di un campione di suolo della regione di Fukushima raccolto a gennaio 2013 mostra una struttura più complessa. In questo caso si tratta di un campione particolarmente contaminato, preso sul ciglio di una strada montana tra la città di Fukushima e la costa. Altri campioni non sono così attivi. Presumibilmente il deposito dell'acqua e della neve ha fatto accumulare grandi quantità di cesio  sul bordo della strada. Come già descritto in altri post, dal reattore della centrale è fuoriuscito anche cesio-134  che decade in bario con dei picchi a 600, 790, 1400 e 1600 keV (quest'ultimo fuori scala del rivelatore). Ciascun gamma ha la sua spalla Compton: la somma delle varie emissioni produce il caratteristico spettro mostrato in figura.
File:Cs-137-decay.svg
Schema di decadimento del cesio 137 (da qui)
Va ricordato che il cesio 134 ha un tempo di decadimento di due anni, per cui la presenza di questi picchi denota la provenienza  di Fukushima. In altri casi l'assenza di cesio 134  è stata utilizzata per mostrare come funghi che pure avevano radioattività sopra la soglia di 100 Bq/kg non erano stati contaminati dalla centrale, ma presumibilmente da precedenti test nucleari. 
Spettro gamma di un campione
di suolo della regone di Fukushima
Conoscendo le probabilità dei vari decadimenti e misurando l'altezza dei picchi è possibile risalire alle abbondanze relative dei vari isotopi. Conoscere l'attività di un dato campione in Bq/kg è molto più complicato in quanto è necessario tener conto della geometria ed efficenza del rivelatore: sarà argomento di un prossimo post.