Radioattività
Spiegazione del fenomeno della Radioattività
Per radioattività si intende la proprietà dei nuclei di alcune sostanze (radio, uranio, attinio, torio, etc.) di disintegrarsi spontaneamente emettendo radiazioni particolarmente intense e trasformandosi in nuclei di altri atomi solitamente più leggeri.
La radioattività è un fenomeno caratteristico dei nuclei atomici instabili, per cui essi si trasformano spontaneamente emettendo radiazioni ionizzanti (corpuscolari, elettromagnetiche o di entrambi i tipi).
Tale processo si differenzia dall'emissione immediata di radiazioni ionizzanti che ha luogo in altri processi nucleari (come nelle reazioni nucleari) per il fatto che un nucleo radioattivo, prima di subire la trasformazione ed emettere le relative radiazioni, può sussistere per un tempo più o meno lungo (da meno di un µs a più di un miliardo di anni).
Scoperta della radioattività: cenni storici
La scoperta della radioattività naturale (1896) è dovuta a H. Becquerel il quale, pochi mesi dopo che W. Roentgen aveva scoperto i raggi X, osservò che i sali di uranio emettono radiazioni capaci di impressionare le lastre fotografiche nello stesso modo dei raggi X.
Negli anni seguenti i coniugi Curie isolarono i nuovi elementi polonio e radio, assai più intensamente radioattivi dell'uranio, e insieme ad altri dimostrarono che anche il torio e l'attinio sono radioattivi; poco dopo E. Rutherford e F. Soddy identificarono tre tipi di radiazioni emesse dalle sostanze radioattive, che chiamarono raggi α, β e γ.
Questi tre tipi di radiazione risultarono poi costituiti rispettivamente da nuclei di elio, da elettroni veloci e da radiazioni elettromagnetiche (della stessa natura dei raggi X, ma di lunghezza d'onda molto più breve).
Inoltre l'attività delle sostanze radioattive risultava indipendente dalla temperatura, dalla pressione e dalle altre condizioni chimico-fisiche, e Soddy, nel 1911, dedusse che si trattava di processi relativi alle strutture fondamentali dell'atomo, cioè, secondo la teoria di Rutherford (in seguito dimostratasi fondamentalmente esatta), al nucleo atomico.
Lo stesso Rutherford mostrò nel 1919 che i nuclei atomici potevano essere disintegrati mediante bombardamento con raggi α, trasformandosi in altri nuclei. Nel 1934 F. Joliot e I. Curie scoprirono che i nuclei così prodotti potevano a loro volta comportarsi come materiali radioattivi.
Dopo la scoperta del neutrone, E. Fermi verificò che tutti gli elementi possono essere resi artificialmente radioattivi mediante bombardamento con neutroni e attualmente notevoli quantità di isotopi radioattivi artificiali dei vari elementi vengono prodotti in questo modo nei reattori nucleari.
Tipi di radioattività
Nel fenomeno della radioattività le radiazioni (o raggi) emesse possono essere di tre tipi: α, β, γ
Le radiazioni α (alfa) sono costituite da nuclei dell'atomo di elio. Se un elemento radioattivo emette una particella α, il suo nucleo si trasforma in quello di un elemento avente un numero atomico diminuito di due unità e un numero di massa diminuito di quattro unità:
Le radiazioni α sono poco penetranti, infatti vengono arrestate da una laminetta di alluminio dello spessore di 0,06 mm.
Le particella ß− vengono emesse dal nucleo di un atomo che subisce una trasformazione nella quale un neutrone si trasforma in un protone. In questa trasformazione vengono emessi anche un elettrone e un antineutrino. Il nucleo dell'elemento si trasforma pertanto in quello dell'elemento avente numero atomico maggiore di una unità.
La particella ß+ viene emessa dal nucleo di un atomo che subisce una trasformazione nella quale un protone del suo nucleo si trasforma in un neutrone. Durante questa trasformazione vengono emesse anche un positrone ed un neutrino. Il nucleo dell'atomo si trasforma in quello dell'elemento avente numero atomico inferiore di una unità. L'emissione di una particella ß+ è tipica della reattività artificiale.
I raggi γ sono privi di carica elettrica e sono costituti da radiazioni elettromagnetiche di altissima frequenza. Hanno un elevato potere penetrante infatti possono attraversare una lastra di piombo anche molto spessa.
I raggi ß hanno carica negativa e quindi vengono deviati verso l'armatura con carica positivamente di un condensatore; i raggi α vengono deviati verso l'armatura negativa; i raggi γ sono privi di carica elettrica e quindi non subiscono nessuna deviazione.
Potere penetrante di radiazioni.
Radioattività naturale
È la radioattività posseduta da alcuni isotopi reperibili in natura. Poiché la Terra è composta di atomi che si pensa siano stati creati più di 3 x 109 anni fa, gli isotopi radioattivi naturali originari sono quelli che hanno periodi di dimezzamento tanto lunghi che ancora oggi si può in essi osservare un'attività residua.
Per esempio, l'uranio attuale è una miscela isotopica contenente il 99,3% di 238U, il cui periodo di dimezzamento è 4,5 x 109 anni e lo 0,7% di 235U il cui periodo di dimezzamento è 0,7 x 109 anni. Gli studi geofisici assicurano che in origine era presente anche 236U, ma non se ne trova affatto in natura perché il suo periodo di dimezzamento è 0,02 x 109 anni cioè meno di 1/100 dell'età prevista della Terra: perciò si ha ragione di ritenere che si sia verificato per tale isotopo un decadimento totale.
Oltre all'uranio, l'elemento radioattivo originario più importante reperibile in natura è il 232Th, unico isotopo naturale del torio, il cui periodo di dimezzamento è 1,4 x 1010 anni, cioè più del triplo di quella che è oggi ritenuta l'età della Terra.
Alcuni elementi costituenti la Terra contengono isotopi radioattivi naturali a lunga vita; il potassio presente sulla superficie terrestre sotto varie forme contiene lo 0,012% dell'isotopo radioattivo 40K il cui periodo di dimezzamento è 1,2 x 109. Esso è la principale causa della radioattività naturale degli esseri viventi; infatti ogni organismo vivente contiene circa 0,1 µCi (microcurie) di 40K.
Radioattività indotta
È la radioattività presentata da nuclei prodotti mediante reazioni nucleari e detta anche radioattività artificiale. Per esempio il carbonio-14 è un emettitore di raggi ß− con periodo di dimezzamento di circa 5600 anni; tale nuclide può essere prodotto in laboratorio con esperimenti di trasmutazioni nucleari usando il boro come elemento di partenza.
Il bombardamento nucleare dell'11B con raggi α può produrre dei nuclei di 15N, che emettendo un protone si trasforma in 14C mediante la reazione nucleare:
Lo stesso prodotto finale può ottenersi in molti altri modi, per esempio mediante la seguente reazione nucleare:
Questa reazione può avvenire spontaneamente in natura, poiché l'azoto dell'atmosfera terrestre è bombardato continuamente dai neutroni della radiazione cosmica.
Costante di decadimento radioattivo
La velocità di una trasformazione radioattiva, o attività A di una sorgente, è uguale al prodotto del numero N di atomi radioattivi della stessa specie presenti nella sorgente per la costante di decadimento di quella specie λ, cioè:
A = N · λ
L'attività A si misura in disintegrazioni/s e la costante di decadimento λ ha le dimensioni dell'inverso di un tempo e si misura in s-1.
Il valore numerico di A esprime la probabilità statistica di decadimento nell'unità di tempo di ogni atomo radioattivo in un gruppo di atomi tutti identici. Per esempio, se λ = 0,01 s-1 per una particolare specie radioattiva, allora ogni atomo di tale specie ha una probabilità di 0,01 (1%) di decadere e una probabilità di 0,99 (99%) di non decadere in "qualsiasi" intervallo di 1 s.
La costante A è una delle più importanti caratteristiche di un nuclide radioattivo; essa è indipendente dalla temperatura, dalla pressione, dalla concentrazione, dallo stato di combinazione chimica e dall'età del campione in esame. Il valore della costante di decadimento è una grandezza caratteristica di un certo nuclide: questo fatto permette di identificare certi campioni radioattivi semplicemente attraverso la misura della loro costante di decadimento.
Per i nuclidi radioattivi più comuni, l'orine di grandezza di λ è compreso tra 10-6 s e 10-18 s.
Unità di misura della radioattività
Nel Sistema Internazionale la radioattività (o meglio l'attività di un radionuclide) si misura in becquerel (Bq), unità di misura che ha sostituito il Curie e che prende il nome in onore del fisico francese Henri Becquerel.
Il becquerel corrisponde all'attività di un radionuclide che ha un decadimento al secondo; dimensionalmente corrisponde pertanto a s−1.
La radioattività è misurata sperimentalmente attraverso il contatore Geiger.
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