Radioattivitą

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La Radioattività consiste nella disintegrazione spontanea di nuclei atomici con emissione di particelle subatomiche e di onde elettromagnetiche. Il fenomeno fu scoperto nel 1896 dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel, il quale osservò che l'uranio emetteva delle radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica protetta da uno schermo opaco ai raggi luminosi.

Le ricerche iniziate da Becquerel vennero riprese dagli scienziati francesi Marie e Pierre Curie i quali nel 1898 scoprirono che la proprietà di emettere radiazioni penetranti era comune all'uranio e a molti dei suoi composti e diedero al fenomeno il nome di radioattività. Analizzando l'intensità della radiazione emessa per mezzo di una camera di ionizzazione, essi riconobbero che i minerali dell'uranio, in modo particolare la pechblenda, avevano un'attività radioattiva maggiore rispetto ai sali usati da Becquerel. Poiché non esistevano elementi noti sufficientemente radioattivi da giustificare le radiazioni osservate, essi dedussero che i minerali analizzati fossero composti da sostanze ignote estremamente instabili. Dopo una serie di esperimenti chimici sulla pechblenda scprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio. La radioattività del torio, dell'attinio e del rado venne osservata in un secondo tempo.

Ernest Rutherford scoprì che vi sono almeno due componenti nelle emissioni radioattive: le particelle alfa, che penetrano solo per alcuni millesimi di centimetro nell'alluminio, e le particelle beta, caratterizzate da un potere penetrante 100 volte maggiore. Esperimenti successivi, in cui la radiazione venne sottoposta a campi elettrici e magnetici, rivelarono la presenza di una terza componente ad alta energia, i raggi gamma. In un campo elettrico le particelle beta vengono fortemente deflesse verso il polo positivo, quelle alfa sono deflesse in misura minore verso il polo negativo, mentre la traiettoria dei raggi gamma non risente dell'effetto del campo. Ne deriva che le particelle beta sono dotate di carica negativa, le particelle alfa trasportano cariche positive (e hanno massa maggiore delle particelle beta) e i raggi gamma sono elettricamente neutri.

La scoperta che il radio decade producendo radon fu la prova conclusiva che il decadimento radioattivo è accompagnato da una trasformazione chimica dell'elemento instabile. Gli esperimenti sulla deflessione dei raggi alfa in un campo elettrico permisero di stimare il valore del rapporto tra carica e massa delle particelle alfa che risultò circa la metà di quello dello ione idrogeno. Da ciò si dedusse che queste particelle sono composte da atomi di elio ionizzati (privati di due elettroni). Lo ione elio, infatti, ha massa quadrupla rispetto allo ione idrogeno e, quindi, il rapporto carica/massa è circa metà di quello dello ione idrogeno. La validità di questa ipotesi fu confermata da Rutherford. Egli fece decadere una sorgente alfa vicino a un vaso di vetro sottile in cui era stato praticato il vuoto; le particelle alfa potevano attraversare il vetro e quindi rimanevano intrappolate nel vaso, nel quale dopo pochi giorni si rivelava la presenza di elio. In seguito si dimostrò che le particelle beta sono elettroni e che i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia.

Nel 1911, a seguito degli esperimenti di diffusione di particelle alfa da parte di lamine metalliche, Rutherford ipotizzò che l'atomo fosse composto da un nucleo centrale nel quale era concentrata la maggior parte della massa e da un determinato numero di elettroni che orbitavano nello spazio pressoché vuoto intorno al nucleo stesso.

L'ipotesi nucleare da allora si è sviluppata in una teoria complessa della struttura atomica che spiega in modo soddisfacente l'intero fenomeno della radioattività: si è trovato che l'atomo è costituito da un denso nucleo centrale circondato da una nuvola di elettroni; a sua volta il nucleo è composto da protoni, in numero uguale agli elettroni (in modo da bilanciare la carica negativa), e da neutroni, che sono particelle neutre aventi approssimativamente la stessa massa dei protoni.

Una particella alfa è composta da due neutroni e due protoni e pertanto può essere emessa solo dal nucleo di un atomo. Quando un nucleo decade perdendo una particella alfa si forma un nuovo nucleo, più leggero del precedente. Un isotopo dell'uranio con numero di massa 238, ad esempio, si trasforma nell'atomo dell'elemento con numero di massa 234, avente due protoni e due neutroni in meno, ovvero in un isotopo del torio. Vedi anche Elementi chimici; Fisica nucleare.

Il torio 234 è a sua volta un elemento instabile e decade con emissione di particelle beta. L'emissione è dovuta alla trasformazione di un neutrone in un protone, per cui comporta un aumento della carica nucleare (o equivalentemente numero atomico) di un'unità. Poiché la massa dell'elettrone è trascurabile rispetto a quella dei nucleoni, l'isotopo che proviene dal decadimento del torio 234 ha numero di massa 234 e numero atomico 91 ed è pertanto un isotopo del protattinio.

Alcuni isotopi decadono con pura emissione gamma. Questa situazione si verifica quando un isotopo esiste in due diverse forme, chiamate isomeri nucleari, che hanno numero atomico e numero di massa identici ma differente energia. L'emissione di raggi gamma è dovuta alla transizione dell'isomero ad alta energia a quello a energia minore. L'isotopo protattinio 234, ad esempio, esiste in due distinti stati energetici e l'emissione di raggi gamma segnala la transizione da uno stato all'altro.

Le particelle beta vengono espulse a velocità molto elevate e quindi percorrono nella materia distanze maggiori, anche se il meccanismo che ne determina l'arresto è sostanzialmente simile. Tuttavia, a differenza delle particelle alfa, le beta sono emesse entro un intervallo piuttosto ampio di velocità e i nuclidi emittenti vengono riconosciuti dal valore medio delle velocità. La distribuzione delle energie delle particelle beta è spiegabile con l'ipotesi dell'esistenza di una particella chiamata neutrino, che accompagna ogni decadimento beta.

Sull'effetto ionizzante della radiazione si basa il principio di funzionamento di molti strumenti come il contatore di Geiger-Müller e altre camere a ionizzazione (vedi Rivelatori di particelle), che vengono usati per misurare le intensità delle singole radiazioni e le velocità di decadimento delle sostanze radioattive.

La velocità di disintegrazione di un elemento instabile viene misurata in Curie, dove 1 Curie è uguale al numero di disintegrazioni primarie cui dà luogo un grammo di radio nell'intervallo di tempo di un secondo. Il valore di questa unità venne determinato sperimentalmente e risultò uguale a 3,71 10¹⁰; venne quindi arrotondato a 3,7 10¹⁰ e reso indipendente da ogni successiva misura.

Vi sono modalità di decadimento radioattivo diverse da quelle accennate sopra. Alcuni isotopi emettono positroni, cioè particelle identiche agli elettroni ma di carica opposta. Questa emissione viene comunemente considerata decadimento beta e chiamata emissione "beta più" per distinguerla da quella più comune di elettroni negativi. Si pensa che l'emissione di positroni sia dovuta alla conversione, nel nucleo, di un protone in un neutrone determinando la diminuzione di un'unità del numero atomico.

L'uranio 235 e altri isotopi degli elementi transuranici artificiali decadono secondo un processo di fissione spontanea, nel quale il nucleo si scinde in due frammenti con conseguente emissione di un'enorme quantità di energia (vedi Energia nucleare).

Questa serie radioattiva, chiamata serie dell'uranio, prosegue in modo analogo e attraverso ulteriori cinque emissioni alfa e quattro emissioni beta arriva al prodotto finale, un isotopo non radioattivo (stabile) del piombo con numero atomico 82 e numero di massa 206. Ogni elemento della tavola periodica tra l'uranio e il piombo è rappresentato in questa serie e ogni nuclide è distinguibile per il suo caratteristico periodo di dimezzamento. I membri della serie hanno tutti una caratteristica comune: i loro numeri di massa possono essere espressi dalla semplice formula 4n + 2, dove n è un numero intero.

Una quarta serie, la serie 4n+ 1, nella quale tutti i membri sono radioisotopi artificiali, è stata scoperta in anni recenti; il termine iniziale è l'isotopo curio 241 e l'elemento finale è il bismuto 209.

Un metodo di datazione delle rocce si basa sul decadimento dell'uranio e del torio; il processo di disintegrazione di questi due elementi è iniziato fin dalla formazione dei loro minerali e ha prodotto particelle alfa che sono rimaste intrappolate (come atomi di elio) all'interno delle rocce stesse. Determinando accuratamente le quantità relative di elio, uranio e torio contenute in una roccia è possibile calcolare da quanto tempo è in atto il processo di decadimento, e quindi l'età della roccia.

Questi e altri metodi forniscono per l'età della Terra un valore di circa 4,65 miliardi di anni, che viene confermato anche dall'analisi delle meteoriti cadute sulla superficie terrestre e dei campioni di rocce lunari prelevate dall'Apollo 11, durante l'allunaggio del luglio 1969.

wN+nHe±xO+eH

Nel 1933 fu dimostrato che alcune reazioni nucleari possono condurre alla formazione di nuclidi radioattivi. In quell'anno i chimici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie prepararono la prima sostanza radioattiva artificiale bombardando l'alluminio con particelle alfa. I nuclei di alluminio catturano le particelle alfa ed emettono neutroni trasformandosi in un isotopo del fosforo, che in un intervallo di tempo relativamente breve decade con emissione di positroni.

Da allora sono state scoperte molte reazioni nucleari e tutti gli elementi della tavola periodica sono stati bombardati con diverse particelle. Il risultato di questa intensa attività di ricerca è l'attuale conoscenza di oltre 400 nuclidi radioattivi artificiali. Un notevole impulso a questi studi venne dalla costruzione degli acceleratori di particelle, che accelerano le particelle proiettile a velocità enormi, aumentando così la probabilità della loro cattura da parte dei nuclei bersaglio.

Particolarmente importante tra gli isotopi radioattivi artificiali è il carbonio 14, che ha periodo di dimezzamento di circa 5750 anni. La disponibilità di questa sostanza ha permesso lo studio di numerosi aspetti dei processi biologici, come la fotosintesi. Inoltre, una piccola quantità di carbonio 14 è presente nell'atmosfera terrestre e tutti gli organismi viventi ne assorbono tracce durante la loro vita. Dopo la morte questo assorbimento cessa e la concentrazione del carbonio radioattivo diminuisce rispetto ai valori iniziali. Stime dell'età dei reperti archeologici, come ossa e mummie, sono state possibili mediante misurazioni della concentrazione del carbonio 14 in essi contenuta.

Nell'analisi per attivazione con neutroni, un campione è reso radioattivo mediante bombardamento con neutroni: le impurità della sostanza in esame, che non possono essere rivelate con altri mezzi, vengono trovate analizzando il tipo particolare dei radioisotopi prodotti nel processo. Altre applicazioni degli isotopi radioattivi si hanno nella terapia medica (vedi Radiologia), nella radiografia industriale e in dispositivi particolari come le sorgenti di luce fosforescente, gli eliminatori statici, i misuratori di spessore e le batterie nucleari.

Le reazioni di fusione e fissione nucleare vengono sfruttate nella costruzione delle armi nucleari. Notevolmente dibattuto, poi, è l'utilizzo delle reazioni di fissione controllate nella produzione di energia nucleare.