Concentrazione e attività del radon e dei suoi figli

 

1 – Premessa sui radionuclidi

Dei 118 elementi attualmente conosciuti, 96 sono di origine naturale: sono i primi 97 della tavola degli elementi, dall’idrogeno al berkelio ad eccezione del promezio (numero 61) che è solo sintetico (artificiale). I successivi 21 sono tutti e solo sintetici. In effetti la produzione sintetica di elementi la si potrebbe comunque definire naturale in quanto anche l’uomo può essere visto come una causa naturale.

L’ultimo, l’elemento 118, è stato chiamato Oganesson ed è stato sintetizzato la prima volta in Russia nel 2006. Dalla sua posizione nella tavola periodica degli elementi si ricava che è un gas nobile, dunque il più pesante. Viene dopo il radon (numero 86) nella colonna di questi gas e ci si potrebbe aspettare che gli somigli chimicamente.

Gli elementi naturali sono originati, direttamente o indirettamente, da materia stellare.

Gli atomi

Gli atomi di un elemento sono caratterizzati dal possedere lo stesso numero atomico Z, che indica il numero di protoni. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che però hanno un numero differente di neutroni e quindi anche un numero di massa A (protoni + neutroni) differente. Un elemento può possedere uno o più isotopi, stabili o radioattivi. Questi ultimi decadono nel tempo trasmutandosi in altri stabili, quindi la loro concentrazione naturale diminuisce sempre più col tempo. Stessi isotopi possono differire per il solo livello energetico, in tal caso si definiscono isomeri.

I nuclidi

Si definiscono nuclidi i componenti di tutte le specie atomiche (quindi l’insieme di tutti gli atomi con i loro isotopi), e sono identificati dai numeri Z e A. Sono formati da protoni, neutroni, dalla relativa massa elettronica (completa o no) e dal conseguente contenuto energetico. Di questi 255 sono ritenuti stabili in quanto non se ne è sperimentata ad oggi l’instabilità radioattiva, ovviamente sono tutti primordiali (cioè presenti sul nostro pianeta fin dalla sua formazione). Quelli instabili, i radionuclidi, sono: 33 primordiali ancora esistenti, 51 naturalmente presenti sulla terra per altra provenienza, come per causa dei raggi cosmici o figli dei primordiali radioattivi e circa 3000 sintetici.

Oltre al tecnezio (Z=43) e al promezio (Z=61), tutti i nuclidi degli elementi con Z>83 sono instabili. Il bismuto-209 (Z=83) teoricamente è instabile, ma avendo un T_1/2 di circa 1E19 anni presenta un’instabilità molto difficilmente rilevabile. Gli altri elementi con Z<83 hanno sia isotopi stabili che instabili.

I nuclidi, e i radionuclidi, quando non legati chimicamente, possono presentarsi sia elettricamente neutri, in quanto completi della dotazione elettronica, sia ionizzati (ioni) e quindi elettricamente carichi, per lo più positivamente.

 

2 – Concentrazione e attività di un radionuclide

Il numero Becquerel (Bq) indica il numero di decadimenti di un radionuclide che avvengono in un secondo (attività di un radionuclide); 1 [Bq] corrisponde ad 1 decadimento al secondo.

L’attività di una data massa di quel radionuclide è la sua attività totale.

Ovviamente l’attività può provenire anche da una miscela di radionuclidi di varia specie.

L’attività specifica A dei radionuclidi presenti in un metro cubo è quindi misurabile in [Bq/m³].

Perciò un’attività specifica di A = X [Bq/m³] indica che in un metro cubo (ad esempio di aria) ogni secondo X atomi del radionuclide in esame decadono emettendo radiazioni.

Peraltro solo una parte dei radionuclidi presenti nel metro cubo decade ogni secondo; gli altri decadranno in futuro. Tenendo conto del significato della costante di decadimento lambda λ, caratteristica di quel radionuclide, l’attività specifica A è il prodotto di lambda per la concentrazione C di atomi del radionuclide.

A = λ*C

dove:

attività specifica o concentrazione di attività        A  = [Bq / m³ ] = disintegrazioni / (m³ * sec)

concentrazione di radionuclidi o atomi                  C  = [Nucl. / m³] = concentrazione in equilibrio con A

costante di decadimento                                            λ  = [1 / sec]

 

se A = 1                                                                                                    C = 1 / λ

Gli altri atomi, come detto, decadranno in seguito, secondo il tempo di dimezzamento specifico di quel radionuclide. La concentrazione diminuirà quindi (esponenzialmente) nel tempo.

 

3 – Concentrazione e attività del radon e della sua progenie

 

Volendo esaminare la concentrazione e attività del radon, occorre ricordare i radionuclidi della serie dell’U-238 e quindi del Rn-222. Quanto scritto sopra si può quantificare con la seguente tabella:

Radionuclidi pericolosi e non

Per quanto riguarda la pericolosità sanitaria dei radionuclidi soprascritti nei riguardi dei nostri organi di respirazione, per i quali è sopratutto dannosa l’energia ionizzante delle particelle alfa, si può dire che:

• I radionuclidi scritti in blu sono di elementi allo stato solido, nelle condizioni ambientali di pressione e temperatura tipiche della crosta terrestre, e pertanto non modificano la loro posizione nel terreno di origine; in pratica non è possibile trovarli nell’atmosfera se non in tracce insignificanti.
• Il Pb-210 (primo dei radionuclidi scritti in nero), pur essendo un figlio del Rn-222 e quindi potendo aver raggiunto l’atmosfera, ha un’attività bassa (a causa di una costante di decadimento piccola) e pertanto è un emettitore saltuario di particelle. In altre parole non raggiungerà un’attività sensibile prima di diversi anni e poi l’attività di equilibrio con il radon se non dopo 200 anni; tanto da non essere più (con i suoi figli Bi-210 e Po-210) un problema sanitario per chi è stato esposto a quel radon che lo ha generato.
• I radionuclidi scritti in rosso sono il Rn-222 ed i suoi figli a breve vita. Essendo il radon un gas ha potuto modificare la sua posizione originaria e raggiungere l’atmosfera: per lui ed i suoi quattro figli a breve vita si può parlare propriamente di concentrazione in aria.

 

Esame dettagliato dei radionuclidi pericolosi

• In un metro cubo cubo di aria ove si abbia una situazione di equilibrio tra il radon ed i suoi figli (dopo circa 20′ per il Po-218 e circa tre ore per gli altri) la tabella soprascritta indica la concentrazione teorica dei singoli radionuclidi figli per ciascun [Bq/m³] di radon. Vediamoli in ordine di pericolosità.
• Il Po-214 ha una concentrazione così bassa in aria, anche in condizioni di equilibrio, da poter essere ignorato.
• Il Rn-222 ha invece facilmente un’alta concentrazione in aria ed è un forte emettitore di particelle alfa di alta energia, ma essendo chimicamente ed elettricamente inerte non si deposita nei tessuti dell’apparato respiratorio e pertanto resta quasi completamente all’esterno del nostro organismo.
• Il Pb-214 e il Bi-214 raggiungono velocemente le loro concentrazioni di equilibrio in aria e sono i più pericolosi. Solidi, ionizzati e chimicamente attivi, se inalati, si depositeranno sui tessuti dell’apparato respiratorio e scaricheranno in poche ore tutta la loro carica di radiazioni ionizzanti. Più esattamente il Bi-214 irraggia particelle beta di circa 1 [MeV] e poi quasi contemporaneamente anche la particella alfa del Po-214 che lo segue a ruota. Il Pb-214, anch’esso beta emettitore di circa 3 [MeV], se inalato, causerà un danno anche un po’ superiore al Bi-214 per il fatto di esserne il predecessore. In conclusione, se in equilibrio con 1 [Bq/m³] di radon, in un metro cubo di aria ci saranno circa 4000 radionuclidi (di Pb-214 e  Bi-214) che possono scaricare oltre i propri MeV delle particelle beta, i 7,69 [MeV] di energia della particella alfa del Po-214.
• Il più energeticamente nocivo è infine il Po-218 in quanto ha le stesse caratteristiche dei due precedenti e se inalato porterà con sé l’energia ionizzante alfa propria di 6 [MeV] e quella totale alfa dei nuclidi figli per un totale di 13,69 [MeV]. Fortunatamente la sua concentrazione è solo poco più del 6% del totale della progenie a breve vita costituita dai tre.

 

4 – Il concetto di PAE e PAEC nel caso del Rn-222

 

PAE e PAEC

Parlando della concentrazione e attività del radon e progenie, il concetto di PAE è stato utilizzato, senza nominarlo, anche nelle note precedenti. Esso è la somma dell’energia potenziale di tutte le particelle alfa emesse da un singolo radionuclide durante i suoi decadimenti fino alla stabilità. Nel caso della progenie a breve vita del Rn-222 è l’energia totale alfa emessa da un radionuclide durante i decadimenti fino al Pb-210.

Dalla grandezza PAE in [MeV] di un singolo radionuclide j si può calcolare l’energia potenziale alfa in [MeV] di tutti i radionuclidi della stessa tipologia j corrispondenti ad una attività del radon di 1 [Bq], se in equilibrio, o anche quella in [MeV/m³] di tutti i radionuclidi della stessa tipologia j presenti in un metro cubo, corrispondenti a una attività specifica del radon di 1 [Bq/m³], sempre se siamo in equilibrio.

La somma delle energie potenziali alfa dei quattro radionuclidi figli a breve vita del Rn-222 in un metro cubo (concentrazione di energia potenziale alfa in aria) si chiama PAEC [MeV/m³]. Se siamo all’equilibrio la indicheremo PAEC*. Perciò nel caso di un miscuglio di radionuclidi in equilibrio con 1 [Bq/m³] di Rn-222, PAEC* è pari a circa 34’760 [MeV/m³]. Nel caso quindi di una attività specifica di X [Bq/m³] la PAEC* è:

PAEC* =  X * Σj Epj / λj = X * 34760             [MeV/m³]

 

Coefficiente di equilibrio F e grandezza Kpj

Se il miscuglio non fosse all’equilibrio la PAEC sarebbe minore, secondo un rapporto pari al valore del coefficiente di equilibrio F, che quindi si può anche definire adesso:

F  =  PAEC  /  PAEC*

Notiamo incidentalmente che si considera che F abbia lo stesso valore per tutta la progenie a breve vita.

Definiamo adesso la grandezza:

Kpj = (Epj / λj) / (Σj Epj / λj)

come cifra rappresentativa della percentuale della PAE degli atomi di un radionuclide j sul totale delle PAE degli atomi dei radionuclidi figli a breve vita del Ra-222, in caso di attività pari a 1 [Bq] all’equilibrio.

 

5 – Il concetto di EEC nel caso del Rn-222

Per rappresentare una situazione di concentrazione dei radionuclidi figli a breve vita che non siano in equilibrio con il genitore Rn-222, si può utilizzare la grandezza EEC [Bq/m³] che è l’attività specifica (o concentrazione di attività) fittizia del Rn-222 in equilibrio con il miscuglio dato di figli a breve vita. La sua PAEC* è uguale alla PAEC non all’equilibrio del miscuglio iniziale. La EEC si chiama Concentrazione Equivalente all’Equilibrio e talvolta è denominata anche EER, EC, EEDC oppure EECRn.

La EEC si può calcolare in funzione della concentrazione di attività A(j) [Bq/m³] in aria dei figli del radon-222 a vita breve (trascurando il contributo irrilevante del Po-214) con la seguente equazione, i cui coefficienti sono stati calcolati da noi:

EEC (Rn-222) =  0,1057 A(Po-218) + 0,5132 A(Pb-214) + 0,3811 A(Bi-214)

oppure seguendo preferibilmente la versione di calcolo di ENEA, Centro ricerche Ezio Clementel, Univ. Bologna, Dip. di Fisica, 2002 e anche di UNSCEAR, 2006 Report, Volume II :

EEC (Rn-222) =  0,105 A(Po-218) + 0,516 A(Pb-214) + 0,379 A(Bi-214)

oppure secondo Sofija Forkapic et al. – Università di Novi Sad, Serbia – 2012:

EEC (Rn-222) =  0,105 A(Po-218) + 0,515 A(Pb-214) + 0,380 A(Bi-214)

oppure secondo Elio Giroletti – Università di Pavia – ottobre 2002:

EEC (Rn-222) =  0,106 A(Po-218) + 0,513 A(Pb-214) + 0,381 A(Bi-214)

oppure secondo www.wise-uranium.org:

EEC (Rn-222) =  0,106 A(Po-218) + 0,514 A(Pb-214) + 0,380 A(Bi-214)

Dove tutte le grandezze sono espresse in [Bq/m³].

Tenendo conto di quanto sopra si può infine definire in un altro modo il coefficiente di equilibrio F:

F  =  EEC  /  A(Rn-222)

 

Conclusioni

In conclusione di questa scheda sulla concentrazione e attività del radon, la presenza del radon-222 in un ambiente la si può quantificare, avendo interesse ai suoi effetti di danno sanitario, in vario modo.

La si può infatti esprimere con la concentrazione atomica C [atomi/m³], con la sua attività specifica A [Bq/m³], con la concentrazione di energia potenziale alfa PAEC [MeV/m³] del miscuglio dei figli a breve vita della sua progenie oppure con la sua concentrazione equivalente all’equilibrio EEC [Bq/m³].

 

Facciamo infine presente per inciso che la PAEC (di tutta la progenie) del Thoron (Rn-220) è 13,62 volte maggiore di quella (della progenie a breve vita) del Rn-222, a parità di F.