Come misurare la radioattività delle cose

Molte persone pensano che per misurare la radioattività degli oggetti basti acquistare un contatore Geiger e avvicinarlo ad essi per leggere il valore mostrato dal display. Peccato che non sia affatto così, se non per poche sorgenti altamente radioattive che non troverete mai, o ben difficilmente, in giro per casa. In questo articolo vedremo quindi il metodo corretto per misurare la radioattività di alcuni oggetti comuni leggermente radioattivi, come ad esempio le banane e alcune ceramiche, ma estendibile a tanti altri prodotti e alimenti comuni che, come vedremo, sono anch’essi debolmente radioattivi.

Ho desiderato per tutta la vita di avere un contatore Geiger. Il costo proibitivo che avevano fino ad alcuni anni fa (svariate centinaia di euro) me lo aveva impedito, ma oggi è possibile trovare prodotti eccellenti per un centinaio di euro, come ad esempio il GMC-300E della GQ Electronics LLC americana, acquistato a gennaio 2018 per meno di 100 euro e decisamente superiore a ogni mia aspettativa. Puoi trovare contatori Geiger simili online qui.

Uno strumento del genere non solo permette di misurare vari tipi di radiazione (beta, gamma e raggi X), ma permette anche di fissare delle soglie di allarme, di mostrare i dati in più unità di misura (nel caso specifico, in CPM, μSv/h e mR/h), di interfacciare l’apparecchio al computer per scaricare o semplicemente visualizzare i dati in tempo reale sul proprio monitor o su una grande mappa mondiale, etc. Insomma, uno strumento del genere è un vero divertimento per lo scienziato dilettante.

Saper usare un Geiger aiuta le persone a comprendere la quantità di radiazioni prodotta dai comuni oggetti  domestici, mettendo le cose in prospettiva, ma bisogna adoperarlo in modo corretto. D’altra parte, i soggetti interessanti da analizzare non mancano, anche nelle nostre abitazioni. Potrebbe essere una sorpresa per alcune persone scoprire che certi oggetti di uso quotidiano presenti in casa sono in realtà radioattivi, ma non sempre la radioattività vuol dire cancro e morte per radiazioni.

La radioattività in alcuni prodotti comuni

Circa l’80% dei rivelatori di fumo standard contiene una piccola quantità di isotopo radioattivo Americio-241, che emette radiazioni alfa e beta ed ha un tempo di dimezzamento di 432 anni. Secondo uno studio, questi rivelatori emettono 0,16 μGy/ora. L’isotopo è racchiuso nel rilevatore di fumo e non rappresenta un rischio reale per te, a meno che tu non separi il rilevatore di fumo e mangi o inali la fonte radioattiva. Una preoccupazione più significativa, semmai, è lo smaltimento dei rilevatori di fumo.

La sorgente di Americio-241 (da 37 kBq) che è contenuta in molti rivelatori di fumo.

Anche gli starter di alcune lampade fluorescenti contengono un piccolo bulbo cilindrico di vetro contenente meno di 15 nanocurie di Kripton-85, un emettitore beta e gamma con un’emivita di 10,4 anni. L’isotopo radioattivo non è un problema a meno che la lampadina non si rompa. Pure in questo caso, la tossicità di altre sostanze chimiche supera in genere qualsiasi rischio legato alla radioattività.

Alcune pietre preziose, come lo zircone, sono per loro natura radioattive. Inoltre, alcune gemme (ad es. berillo, tormalina e topazio) possono essere irradiate con neutroni per migliorare il loro colore. Alcuni diamanti artificiali sono fatti di ossidi metallici. Un esempio è l’ossido di ittrio stabilizzato con ossido di torio radioattivo. Sebbene la maggior parte delle pietre citate siano di poca o nessuna preoccupazione per la propria esposizione – specie se non indossate per un lungo periodo di tempo – alcune di quelle trattate con le radiazioni mantengono abbastanza “lucentezza” da emettere circa 0,2 milliroentgen all’ora.

Anche se non usi il vecchio gres radioattivo, ci sono buone possibilità che tu abbia in casa delle ceramiche che emettono radioattività. Alcuni denti di porcellana sono stati colorati artificialmente con ossidi di metallo contenenti uranio che li rendono più bianchi e più riflettenti. Il lavoro dentale può esporre la bocca a 1000 millirem all’anno (2,5 volte l’esposizione media annuale del corpo intero a fonti naturali, più qualche radiografia medica). In particolare, le ceramiche smaltate sono motivo di preoccupazione perché i cibi acidi possono sciogliere piccole quantità di elementi radioattivi, così da poterli ingerire.

La ricerca di radioattività in casa può cominciare dalle ceramiche (fonte: Sbalordiscienza). Potete trovare ottimi contatori Geiger simili a quello usato da me qui.

Più in generale, qualsiasi cosa fatta di pietra può essere radioattiva. Ad esempio, piastrelle e ripiani in granito sono leggermente radioattivi. Altrettanto lo è il cemento. I seminterrati in calcestruzzo lo sono a un livello particolarmente alto a seguito della fuoriuscita di gas radon dal calcestruzzo e della raccolta del gas radioattivo, che è più pesante dell’aria e può accumularsi. Può darsi, quindi, che la tua casa emetta radiazioni, specialmente se è fatta di mattoni. I ricercatori hanno scoperto che l’americio che si trova nei mattoni delle case è leggermente radioattivo, emettendo 0,15 μGy/ora.

Infine, anche i metalli riciclati possono talvolta essere fonte di radioattività. Vogliamo tutti ridurre il nostro impatto sull’ambiente. Il riciclaggio è una buona idea, giusto? Certo, lo è finché sai cosa stai riciclando. I rottami metallici possono essere raggruppati insieme, il che ha portato ad alcuni casi di metallo radioattivo che è stato incorporato in oggetti domestici comuni. Ad esempio, nel 2008, sono stati trovati negli Stati Uniti una grattugia e alcuni tavoli emettitori gamma a causa di tracce di cobalto-60.

La presunta radioattività delle banane

Facendo una ricerca su Internet, si legge che le banane hanno per loro natura un alto contenuto di potassio. Il potassio è un mix di isotopi, compreso l’isotopo radioattivo del potassio-40, per cui le banane sono leggermente radioattive. La banana media emette circa 14 decadimenti al secondo (3520 pCi/kg) e contiene circa 450 mg di potassio. Non è dunque qualcosa di cui devi preoccuparti, a meno che tu non stia trasportando un mucchio di banane attraverso un confine internazionale.

Per dare un dato più facile da confrontare, secondo uno studio svolto dai ricercatori della North Carolina State University, le banane emettono 0,17 microgray all’ora (μGy/ora) di radiazioni gamma. Lo studio ha scoperto che anche gli avocado emettono radiazioni gamma: 0,16 μGy/ora. Se sei sorpreso che la frutta emetta radiazioni gamma, non farti prendere dal panico. Negli Stati Uniti, il livello normativo per i lavoratori considerato sicuro è un’esposizione a 50.000 μGy all’anno.

Con un’attività di più di 6600 pCi/kg, le noci del Brasile sono il cibo più radioattivo che la persona media consuma, a causa del loro alto livello di radio presente nel sistema radicale dell’albero e degli alti livelli di potassio. Non temere, però: il corpo umano non conserva quasi nessun effetto delle radiazioni assorbite mentre si mangiano noci del Brasile. Paradossalmente, queste noci radioattive sono ritenute aiutare a prevenire il cancro al seno e alla prostata grazie ai loro alti livelli di selenio.

Non pensare che questi siano gli unici alimenti radioattivi esistenti. Fondamentalmente, qualsiasi cibo ad alto contenuto di potassio contiene naturalmente potassio-40 ed è pertanto leggermente radioattivo. Questo include le patate (e le patate fritte), le carote, i fagioli e la carne rossa. La patata bianca media, ad esempio, ha un’attività di 3400 pCi/kg. Carote e patate insieme hanno un’attività di 6.800 pCi/kg, poiché le carote portano una quantità di potassio radioattivo equivalente alle patate.

Alcuni comuni alimenti che sono noti essere naturalmente radioattivi.

I fagioli di Lima, come i fagioli rossi, hanno un’attività di 4640 pCi/kg a causa degli alti livelli di potassio (come pure a causa di un po’ di radio per una buona misurazione).Carote, patate e fagioli di Lima contengono anche radon-226. Quando si indaga a fondo, tutto il cibo contiene una piccola quantità di radioattività. Tu mangi il cibo, quindi anche tu sei leggermente radioattivo. Dunque, questo probabilmente non è un argomento valido contro il mangiare tali cibi: il potassio ci serve!

Nel caso delle carni rosse, anche qui il potassio è il colpevole: una bistecca ha un’attività di circa 3000 pCi/kg. Invece, il sale a basso contenuto di sodio, poiché è prodotto con cloruro di potassio invece di sodio puro, ha un’attività di circa 3000 pCi/kg. Infine la birra, che in confronto ha un’attività insignificante: solo 390 pCi/kg, che è un livello circa 10 volte inferiore a quello di una banana.

Misuriamo la radioattività di fondo

Come abbiamo visto, una banana media emette circa 0,17 μGy/ora di radiazioni gamma. Questo valore è tipicamente confrontabile con il livello di fondo presente in un ambiente, che varia non solo nel tempo (anche nel corso del giorno) ma pure da casa a casa, da città a città, da Paese a Paese. Ma come possiamo misurare il livello di radioattività di fondo in un dato momento della giornata?

Dato che i conteggi per minuto (CPM) acquisiti con un Geiger variano nel tempo (grafico a sinistra), è utile avere un apparecchio che mostri anche il conteggio totale (riquadro rosso).

La prima cosa importante è fare la misurazione con il Geiger lontano almeno 1 metro da pareti, superfici o oggetti presenti nella stanza, altrimenti rischiamo di misurare soprattutto la loro attività, più che il fondo. Anche noi dovremo stare, possibilmente, alla stessa distanza o poco meno. L’ideale è che il Geiger si trovi a metà altezza nella stanza, appeso a due fili di cotone che scendono dal soffitto. Dovremo però assicurarci che non ruoti (perciò due fili) e che riusciamo a leggere a distanza il valore dei CPM.

Un Geiger come il GMC-300 fornisce vari modi per misurare il livello di fondo. Se vogliano conoscere il livello di fondo in colpi al minuto (CPM), possiamo semplicemente attivare il conteggio totale dei CPM nello stesso momento in cui si fa partire un cronometro. Dopo ad es. 10 minuti, prenderemo la lettura di questo totale, che nel mio caso è stata di 193. Mi è bastato quindi dividere tale valore per 10 (minuti) per ottenere il valore medio del fondo nella mia casa in quel momento, pari a 193: 10 = 19,3 CPM.

L’errore sulla misura finale ottenuta è fornito dalla cosiddetta “deviazione standard”, data semplicemente dalla radice quadrata della media delle misure. Dunque, nel mio caso di 10 minuti di misurazione, era uguale alla radice quadrata di 19,3, ovvero 4,39. Pertanto il risultato finale si esprime così: Livello di fondo (alle ore 10:20-10:30 del 20/2/18) = (19,3 +/- 4,4) CPM. L’accuratezza della misura è migliorabile – e l’errore assai riducibile – facendo misure su tempi più lunghi: ad es. su un’ora.

Un altro possibile modo (meno preciso) per misurare il fondo è quello di leggere sul display del Geiger il valore in μSv/ora ogni 60 secondi: quindi, nel nostro caso, per 10 volte con una distanza di un minuto esatto fra ogni lettura. Si ottiene così una tabella Excel. Poi, con la funzione “media” di Excel si calcola la media dei dati (0,137) e, facendo la solita radice quadrata della media, l’errore sulla misura finale. Nel mio caso, ho ottenuto così un valore del fondo di radioattività pari a (0,137+/-0,37) μSv/ora.

Il fondo di radioattvità letto ogni 60 secondi per 10 volte su un Geiger.

Ma nel caso della banana il dato sulla radioattività era espresso in μGy/ora, non in CPM o in μSv/ora. La conversione da CPM in μGy/ora è complessa, perché dipende da numerosi fattori – a cominciare dal Geiger usato, dal tipo di radiazioni misurate, etc. – dunque non troverete online un convertitore utile in tal senso. Se invece digitate su Google “conversion sievert/hour to gray/hour”, troverete facilmente un convertitore. Grazie ad esso, scoprirete che il valore non cambia: 0,137 μSv/ora = 0,137 μGy/ora.

Come creare un ambiente schermato

Se confrontiamo i circa 0,14 μGy/ora appena misurati per la radiazione di fondo con i circa 0,17 μGy/ora di radiazioni gamma che ci si aspetta da una banana media, non è difficile capire che, essendo i due valori quasi identici, non possiamo misurare la radioattività della banana semplicemente accostandogli un contatore Geiger, per quanto sensibile e sofisticato esso sia.

Dunque, dobbiamo creare un ambiente schermato, che impedisca alla maggior parte della radiazione di fondo (in gran parte dovuta ai raggi cosmici secondari, ma in parte anche alla radioattività naturale delle rocce e dei materiali da costruzione) di colpire il sensore del Geiger. La schermatura ideale è costituita dal piombo, ma si tratta di un metallo molto costoso, assai pesante e parecchio tossico, per cui – a meno che non siate dei professionisti – è bene trovare un’alternativa ragionevole.

Schermatura dei vari tipi di radiazione da parte di diversi materiali.

La radiazione alfa e beta viene schermata facilmente, non altrettanto quella gamma. In generale, maggiore è l’energia dei raggi gamma e più, ovviamente, essi risultano penetranti e più spesso è lo strato di piombo (preferito ad altri materiali per via della sua alta densità e del suo alto numero atomico, per cui i suoi elettroni assorbono e disperdono bene l’energia) che occorre prevedere per assorbire quasi totalmente il fondo naturale di radiazione utilizzando questo materiale o altri simili.

Tuttavia, poiché la probabilità di assorbimento di un raggio gamma da parte della materia è proporzionale allo spessore dello strato assorbente, si ha una decrescita esponenziale della radiazione al crescere dello spessore. Ad esempio, 1 mm di piombo all’incirca dimezza i raggi gamma da 200 keV, per cui con 2 cm di piombo si ha un’attenuazione di circa 1020 volte di tale radiazione. Di seguito riporto una tabella degli spessori per dimezzare i raggi gamma di varie energie con vari tipi di materiali (ad es. con una struttura chiusa realizzata con bottiglie di acqua di plastica o ad es. con tubi cilindrici di alcuni metalli comuni).

Spessori necessari per dimezzare le radiazioni gamma a varie energie.

Di qui fino alla fine dell’articolo illustreremo dei risultati ottenuti con una schermatura di piombo, in pratica inserendo il Geiger e il campione al centro di un rotolo di piombo lungo 35 cm e spesso alcuni millimetri, chiuso alle estremità con dei pannellini di piombo (se si collega il Geiger a un PC con il suo cavo USB per la lettura in tempo reale, non è necessario lasciare un “buco” per la lettura dei valori). Ma usando, al posto del piombo, materiali e spessori opportuni è possibile ottenere risultati analoghi.

A questo punto, occorre verificare che la schermatura adottata sia efficace. Pertanto, dopo aver acquisito il valore di fondo nella stanza (ad es. con il metodo dei CPM totali nell’arco, però, di 24 ore esatte), inseriremo il solo Geiger nel contenitore schermato, eseguendo di nuovo il conteggio dei CPM totali nell’arco di 24 ore (l’importante è che siano esattamente 24 ore – non di più e non di meno – per escludere effetti spurii dovuti a eventuali cicli giornalieri nella radiazione di fondo).

A questo punto confrontiamo le due misurazioni: quella nel contenitore dovrebbe dare un valore molto più basso dell’altra. Se invece del CPM totale misuriamo i valori del CPM in continua, esportandoli con un foglio Excel possiamo poi raggruppare i dati in conteggi totali ora per ora, realizzando alla fine un istogramma come quello mostrato qui sotto, che mostra la variazione durante le 24 ore dei conteggi totali orari – cioè del livello di radioattività misurato – dentro e fuori il contenitore schermato.

Le barre in rosso chiaro mostrano i conteggi in 60 secondi dovuti alla radiazione di fondo nel contenitore di piombo, le barre in rosso scuro idem ma fuori dal contenitore.

Dai dati riassunti in questo istogramma, si può scoprire che il CPM medio nelle 24 ore è stato di circa 8 quando il contatore Geiger era all’aria al centro della stanza e di circa 14 quando era all’interno del contenitore di piombo. Poiché c’era una grande differenza tra i risultati con il Geiger schermato e quelli con il Geiger non schermato, aveva senso proseguire con l’esperimento facendo il resto delle misure all’interno del contenitore schermato per bloccare molta della radiazione di fondo.

Misurazioni ed elaborazione dei dati

A questo punto, si poteva misurare l’eventuale radioattività dei seguenti oggetti: una banana; del granito; del granito in polvere; un piatto in ceramica con smalto all’uranio. Le nostre analisi preliminari hanno dimostrato che la differenza tra la radioattività di fondo naturale e quella della banana è piccola. Quindi c’è bisogno di molti dati per vedere se c’è una vera differenza.

La misurazione su banana e, successivamente, su granito è stata effettuata, quindi, per ben una settimana di seguito (168 ore) per ciascuno dei due. Si noti che ogni oggetto è stato sempre posto alla stessa distanza dal tubo del contatore Geiger, pertanto occorre conoscerne la collocazione al suo interno. Per ragioni di tempo, la misurazione sul granito in polvere è stata effettuata per mezza settimana. C’era molta radiazione proveniente dal piatto con smalto all’uranio, per cui è stata misurata per soli 30 minuti.

La figura qui sotto riassume il numero di conteggi al minuto per i quattro oggetti. Il piatto con smalto all’uranio ha prodotto molte più radiazioni rispetto agli altri tre oggetti.

Istogramma con i conteggi per minuto dei 4 oggetti.

Dato che è difficile vedere – nella precedente figura – la differenza tra il fondo di radiazione, la radioattività della banana e quella del granito, si può provare a tracciare un istogramma senza il piatto di ceramica con smalto all’uranio. Ecco qui sotto il nuovo istogramma in conteggi al minuto (CPM). Dalla figura, sembra che ci possa essere qualche differenza tra gli oggetti, ma è difficile dirlo.

Istogramma del n° di conteggi/minuto per fondo, banana, granito e polvere di granito.

Dato che è difficile vedere molta differenza nei diversi materiali, si può modificare l’istogramma in conteggi all’ora (CPH). Dato che tutti i numeri dei conteggi sono più grandi, possiamo vedere più chiaramente le differenze. Nella nuova figura, riportata qui sotto, il granito in polvere sembra avere il maggior numero di conteggi all’ora, e il fondo naturale il minimo numero di conteggi all’ora.

Istogramma del n° di conteggi/ora per fondo naturale, banana, granito e polvere di granito.

Per vedere se il numero di conteggi è davvero diverso, si può creare una tabella che mostra il numero di conteggi per 8 ore. Il granito in polvere ha il maggior numero di conteggi. La deviazione standard misura quanto accuratamente conosciamo il valore misurato. Se i conteggi sono separati da più di circa 2 deviazioni standard, allora probabilmente sono realmente diversi, non diversi solo per caso.

Numero di conteggi registrati su 8 ore, con medie, totali e deviazioni standard. 

Quindi, per i dati a 8 ore, la deviazione standard è la radice quadrata di 4843 per i dati della banana. La radice quadrata di 4843 è circa 80, vicina alle altre deviazioni standard. Possiamo ottenere anche una stima dell’affidabilità di una singola settimana di dati (v. tabella qui sotto). Dato che per il granito in polvere erano disponibili solo 80 ore di dati, i conteggi e la deviazione standard sono stati calcolati per 80 ore.

La “distanza” in deviazioni standard dal fondo naturale con i conteggi su 80 o 160 ore.

Come si vede, il numero di conteggi per gli oggetti è compreso tra circa 3 e 7 deviazioni standard oltre il numero di conteggi per il fondo naturale di radiazione. Quindi possiamo essere abbastanza sicuri che il numero più alto di conteggi per la banana e per il granito siano davvero dovuti alla radioattività della banana e del granito e non solo a una casualità.

In conclusione, misurando per un lungo periodo, è stato possibile dimostrare che la banana e il granito sono leggermente più radioattivi rispetto al fondo naturale. Si è dimostrato anche che il granito in polvere consente a più radiazioni di sfuggire rispetto a un blocco di granito.

Sebbene ci fossero sicuramente più conteggi di radiazioni dalla banana e dal granito rispetto al fondo naturale, la differenza tra il fondo naturale e la banana o il granito era molto piccola, per cui siamo sicuri che non siano abbastanza radioattivi da risultare dannosi. Il piatto con smalto all’uranio, invece, era molto più radioattivo rispetto al fondo naturale. Pertanto, potrebbe essere pericoloso mangiarci ogni giorno, in particolare se del materiale raschiato dal piatto finisce in bocca.

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