radioattività

Descrizione generale

sf. [sec. XX; dall'inglese radioactivity, da radio-, radio-+activity, attività]. Fenomeno per il quale il nucleo di taluni atomi risulta instabile e, più o meno rapidamente, si disintegra emettendo delle radiazioni corpuscolari, o elettromagnetiche, o di tutti e due i tipi contemporaneamente. § Nel 1896 H. Becquerel scoprì che cristalli di sali di uranio emettevano raggi che erano simili ai raggi X, erano molto penetranti, potevano annerire una lastra fotografica e rendere i gas conduttori di elettricità. Nel 1898, i coniugi Pierre e Marie Curie individuarono altri due elementi radioattivi, il polonio e il radio. Con esperimenti in campi magnetici furono individuati tre tipi di radiazioni emesse dalle sostanze radioattive naturali che furono denominate α, β e γ e risultarono rispettivamente costituite da nuclei di elio (raggi α), elettroni (raggi β) e radiazione elettromagnetica (raggi γ). Lo studio della radioattività e l'uso della radiazione come mezzo di ricerca, o per altri scopi, dipendono dalla possibilità di rilevarne le proprietà per mezzo di operazioni di misura effettuate sulle radiazioni. Molto spesso risulta necessario conoscere il numero di particelle che arrivano a un rivelatore per unità di tempo e la loro energia, l'attività della sorgente e l'intensità della radiazione entro il mezzo attraversato. Quando una particella carica passa attraverso la materia interagisce con i suoi atomi e li ionizza: questo processo di ionizzazione è alla base di quasi tutti i rivelatori di radiazioni elettromagnetiche e di particelle, sia neutre, sia cariche. L'attività radioattiva di una sostanza che si disintegra spontaneamente con emissione di particelle α o β risulta sperimentalmente decrescere con andamento esponenziale caratterizzato dal valore di una costante λ, propria di ciascun nuclide radioattivo, o radionuclide, detta costante di disintegrazione. Risulta pertanto, indicando con N₀ il numero di atomi iniziali e con N(t) il numero di atomi a un tempo t : N(t)=N_o e-λ, da cui, differenziando, si ricava -dN(t)/dt=λN(t), e cioè la diminuzione per unità di tempo del numero di atomi di un elemento radioattivo per disintegrazione spontanea è proporzionale al numero di atomi non ancora disintegrati secondo un fattore di proporzionalità λ, caratteristico di ciascun radionuclide. La legge esponenziale del decadimento radioattivo è stata dedotta senza alcuna particolare ipotesi sulla struttura degli atomi radioattivi o sul meccanismo di disintegrazione, ma solo tenendo conto del calcolo delle probabilità. La forma esponenziale della legge di decadimento indica che ciascun atomo radioattivo di un elemento emettitore ha la stessa probabilità di disintegrazione di tutti gli altri atomi, indipendentemente dalla sua età; la sua disintegrazione a un istante t è inoltre determinata unicamente dal caso. Un nuclide radioattivo può essere caratterizzato dalla velocità con cui si disintegra, determinabile mediante ciascuna delle tre quantità seguenti: la costante λ di disintegrazione, il periodo di dimezzamento e la vita media, tutte fra loro correlate. La costante λ di disintegrazione può essere determinata sperimentalmente, la legge del decadimento può essere scritta anche nella forma:

che trasformata in logaritmo decimale risulta . Poiché l'attività A di un radionuclide è proporzionale al numero N di atomi si avrà: Log A(t)=Log A₀-0,4343 λt; ponendo il logaritmo dell'attività in grafico semilogaritmico in funzione del tempo si ottiene una retta di pendenza λ. L'altra quantità, che spesso è usata per caratterizzare un radionuclide, è il periodo di dimezzamento, o semiperiodo, T, e cioè il tempo necessario perché la metà degli atomi radioattivi si disintegrino. Dopo un tempo T sarà , da cui segue che Log 0,5=-0,4343λT, oppure: Log 2=0,4343λT; se ne deduce: . Infine, la vita media, terzo parametro caratteristico, comunemente denotato con τ, è data dalla somma dei tempi di esistenza di tutti gli atomi divisa per il loro numero iniziale, N₀. Matematicamente, essendo N il numero degli atomi esistenti al tempo t uguale a N₀ e-λ e poiché ogni singolo atomo può avere statisticamente vita da 0 a ∞, sarà:

che è il reciproco della costante di disintegrazione. Dalle relazioni precedenti si ricava T=0,693τ. Se il periodo di dimezzamento di un radionuclide è molto lungo o molto corto devono essere usati metodi diversi da quelli descritti; nel primo caso λ è molto piccolo e non è possibile determinare il cambiamento di attività del nuclide durante il tempo di misurazione. L'attività sperimentale A risulta uguale a cλN, dove c è la frazione di disintegrazione misurata dal rivelatore; ne segue da cui, noto N e calcolato c con opportuna calibrazione, si può risalire al valore di λ. Con il metodo descritto si valutano λ di elementi con periodo di dimezzamento superiore a 10¹⁰ anni .

Radioattività naturale

Sulla Terra sono presenti 340 isotopi di ca. 105 elementi dei quali almento 70 sono radioattivi. Quasi tutti gli elementi più pesanti hanno isotopi radioattivi naturali. La distribuzione degli elementi presenti sulla Terra deriva da quella caratteristica di tutto l'Universo, come confermato dagli studi che hanno verificato questa uniformità nell'atmosfera e sulla superficie di altri pianeti, nei meteoriti, nella materia interstellare e nelle nebulose extragalattiche. Sulla base di queste osservazioni e di altri studi di cosmologia e astrofisica è possibile comprendere che nell'Universo la materia tende ad aggregarsi, a partire dalle strutture più elementari, secondo leggi costanti. Nei corpi celesti questa aggregazione dà luogo a reazioni nucleari che ne coinvolgono tutta la massa e producono emissione di radiazioni di ogni tipo. Nelle fasi di formazione dei pianeti, come la Terra, la materia si aggrega dando luogo a elementi sempre più pesanti originati anch'essi in seguito a trasmutazioni nucleari. Anche sulla Terra, quindi, originariamente gli elementi sono stati tutti radioattivi; nei successivi miliardi di anni trascorsi fino a oggi, essi sono decaduti e divenuti stabili, a eccezione di quelli che hanno tempi di dimezzamento paragonabili con l'età della Terra (circa un miliardo di anni) e quelli nei quali essi trasmutano prima di divenire stabili, come il ⁴⁰K e le serie originate da ²³⁸U, da ²³²Th e da ²³⁵U. Questi elementi e i loro discendenti sono presenti nella crosta terrestre, nelle acque, nell'atmosfera, nella biosfera, e quindi in tutti i materiali di origine naturale (materiali da costruzione, combustibili fossili, acque, ecc.). Di particolare importanza il ²²⁶Ra, che ha un comportamento chimico analogo a quello del calcio e, quindi, può essere accumulato negli organismi viventi, e il ²²²Rn, che essendo gassoso è dotato di grande mobilità verso l'atmosfera e può raggiungere livelli elevati in aree confinate (per esempio abitazioni, grotte, ecc.). L'interazione tra la radiazione cosmica (raggi cosmici) e alcuni elementi più leggeri presenti nell'alta atmosfera a densità molto bassa dà luogo a reazioni nucleari che generano elementi radioattivi. Le quantità prodotte sono molto piccole tranne che per ³H e ¹⁴C, che sono molto diffusi in natura. Tutti questi elementi radioattivi naturali sono presenti nell'ambiente in misura determinata dalla loro natura chimica. Essi sono presenti anche nel corpo umano; in media un uomo del peso di 70 kg contiene: 4000 Bq di ³H, 4000 Bq di ¹⁴C, 4000 Bq di K⁴⁰, 40 Bq di Ra²²⁶ e quantità minori di tutti gli altri elementi radioattivi naturali. Le due diverse forme di radioattività naturale danno luogo a una dose assorbita globale di 1-2 mSv/anno. Varie attività umane che comportano l'utilizzazione di risorse naturali (acqua, minerali, gas, carbone, materiali da costruzione, ecc.) determinano la diffusione nell'ambiente di elementi radioattivi naturali in quantità maggiorate rispetto ai livelli naturali. Tra tali attività figurano: tecnologie di produzione mineraria sotterranea e di movimento terra, impiego di fertilizzanti potassici e fosfatici, impiego di pigmenti minerali per vernici, combustione di carbone e gas naturale, uso di acqua di sorgenti profonde negli acquedotti urbani, uso di particolari materiali da costruzione (tufo, gesso fosfatico, pozzolana, ecc.). Ma è nelle abitazioni che i livelli di ²²²Rn possono raggiungere valori più elevati e determinare dosi assorbite considerevoli (da 0,2 a 3 mSv/anno) che si assommano a quelle derivanti dalle altre sorgenti di radioattività naturali.

Serie radioattive

Si è trovato sperimentalmente che gli elementi naturali radioattivi formano tre serie, in ciascuna delle quali il primo nuclide, detto nuclide padre, decade in un nuclide figlio che a sua volta decade e così via fino alla formazione di un nuclide stabile. Data una sorgente radioattiva naturale è importante conoscere il numero di atomi di ciascun elemento della serie interessata in funzione del tempo. Denotando, per esempio, con N₁, N₂ e N₃ i successivi nuclidi di una serie di cui l'ultimo sia stabile, si avrà: L'attività di N₁ è conforme alla legge già illustrata, l'attività di N₂ è data dalla differenza tra la velocità (λ₁N₁) con cui si formano i nuclidi N₂ e la velocità (λ₂ N₂) con cui questi si disintegrano e cioè: ; gli atomi del prodotto finale stabili N₃ sono generati con velocità data da λ₂ N₂ e cioè: . Risolvendo il sistema di equazioni differenziali si ha:

per il caso speciale in cui N₂=N₃=0 al tempo t=0. L'esempio può essere esteso a un numero qualunque di nuclidi. Il termine equilibrio radioattivo è spesso usato per esprimere la condizione che la derivata di una funzione dinamica rispetto al tempo è uguale a zero. Quando la condizione è applicata ai membri di una catena radioattiva significa che i termini sono uguali a zero o che il numero di atomi di ciascun membro della catena non cambia. Le condizioni di equilibrio sono quindi espresse da

La condizione contiene una contraddizione in quanto, essendo N₁ radioattivo, dovrebbe essere λ₁≠0; si raggiungono però le condizioni di equilibrio vicino a quelle ideali quando il nuclide padre decade molto più lentamente degli altri membri della catena. Questa condizione è soddisfatta per le serie radioattive naturali: per esempio uranio (I) ha un periodo di dimezzamento T di 4,5∤10⁹ anni e in questo caso N può essere considerato costante e λ è molto piccolo: in tal caso è detto equilibrio secolare e vale la relazione . La relazione può essere usata per determinare T per nuclidi con periodo di dimezzamento molto lungo. Nel caso dell'uranio (I) in equilibrio secolare risulta per ogni 2,8∤10⁶ atomi di uranio un atomo di radio; denotando uranio con N₁ e radio con N₂ e conoscendo per misura diretta il periodo di dimezzamento del radio T₂ che è di 1620 anni, risulta anni. Differente è il caso quando il padre vive più a lungo del figlio (λ₁<λ₂), ma il suo periodo di dimezzamento non è molto lungo (equilibrio transiente) poiché in questo caso si deve considerare λ₁≠0. Infine, quando il padre ha un periodo di dimezzamento più corto del figlio (λ₁>λ₂) non si raggiungono condizioni di equilibrio. Tutti i nuclidi radioattivi naturali appartengono a una delle tre serie radioattive denominate dell'uranio, dell'attinio e del torio dal nome dell'elemento primo della catena. Nella serie dell'uranio il numero di massa di ogni membro può essere espresso nella forma 4n+2 (con n intero), nelle serie dell'attinio e del torio il numero di massa è dato rispettivamente dall'espressione 4n+3 e 4n. Dalle tabelle delle tre serie si può notare che l'emissione di una particella α diminuisce di 2 unità la carica di un nucleo e di 4 unità il suo numero di massa mentre l'emissione di una particella β aumenta di una unità il numero di carica del nucleo mentre lascia invariato il suo numero di massa.

Radioattività artificiale

La scoperta dei Joliot-Curie (Irène e Frédéric) nel 1933 che i prodotti di alcune trasmutazioni nucleari indotte sono radioattivi, ha aperto una nuova era nella fisica nucleare. Questi nuclidi decadono spontaneamente secondo le stesse leggi che governano il decadimento radioattivo naturale; il termine radioattività artificiale si riferisce pertanto solo al modo in cui i nuovi radionuclidi o radioisotopi sono prodotti. Come nel caso dei radionuclidi naturali, i radionuclidi artificiali sono caratterizzati dalla loro vita media e dalla radiazione che emettono. Più di 1200 nuclidi radioattivi artificiali sono stati identificati e studiati mediante analisi radiochimica e fisica. I nuclidi radioattivi conosciuti, naturali e artificiali, sono tabulati in speciali grafici, con ordinata e ascissa, costituiti rispettivamente dai valori di Z ed N. Come nel caso della radioattività naturale, alcuni nuclidi artificiali radioattivi emettono raggi γ, elettroni e positroni; un terzo circa dei nuclidi attivi emette solo particelle mentre il rimanenteemette, insieme a queste, anche radiazioni γ.

Elementi transuranici

Nel 1934 Fermi suggerì la possibilità di creare elementi con carica nucleare maggiore di 92 mediante bombardamento dell'uranio con neutroni, secondo la reazione:

Se Z=93 ed esiste anche la possibilità di una successiva ulteriore emissione di un elettrone con formazione di un nuclide con Z=94. Questi elementi, che avrebbero dovuto avere Z>92, furono chiamati transuranici perché il loro posto nella tavola periodica degli elementi sarebbe stato oltre quello dell'uranio. Fra il 1934 e il 1939 furono fatti molti esperimenti per creare elementi transuranici ma questi, anche se furono probabilmente realizzati, non furono individuati; venne realizzata, invece, la fissione nucleare. Nel 1940 fu provato che bombardando l'uranio con neutroni lenti si produceva un nuovo isotopo ²³⁹U emettitore di elettroni con periodo di dimezzamento di 23 minuti e che decade in un isotopo di un nuovo elemento (detto poi nettunio) con Z=93 che, a sua volta, per emissione di un elettrone decade con un periodo di dimezzamento di 2,3 giorni in un nuovo elemento con Z=94; le reazioni sono:

Il plutonio è prodotto in grande quantità nei reattori nucleari, è un emettitore di particelle α con periodo di dimezzamento di 24.400 anni. Poco dopo la scoperta di _9₃²³⁹Np furono prodotti altri due isotopi del nettunio, _9₃²³⁷Np e _9₃²³⁸Np, bombardando _9₂²³⁸U con neutroni veloci e con deuteroni. Successivamente, bombardando ²³⁸U con deuteroni di energia fino a 100 MeV e particelle α, si ottennero in totale 10 isotopi di Np con numero di massa compreso fra 231 e 240. Il bombardamento di ₉₄²³⁹Pu con neutroni consentì inoltre la produzione di isotopi degli elementi di numero atomico 95 (americio, Am) e 96 (curio, Cm), bombardando il nuclide ₉₅²⁴¹Am con particelle α si ottennero isotopi dell'elemento 97 (berkelio, Bk) e dell'elemento 98 (californio, Cf). I nuovi nuclidi furono identificati, se ne determinò cioè il numero atomico Z e il numero di massa A, dopo processi di separazione chimica, tramite lo studio comparato delle loro proprietà radioattive e di quelle dei loro prodotti di decadimento. La produzione degli elementi transuranici continuò con il proliferare di reattori nucleari e di esplosioni nucleari e termonucleari sperimentali. Bombardando ²³⁹Pu in reattori nucleari con fasci di neutroni si realizzano successioni di catture neutroniche da parte del nuclide e decadimenti β^- del prodotto della cattura, che comportano la formazione di elementi transuranici fino al ₁₀₀²⁵⁴Fm. Catene analoghe di cattura neutronica e decadimento β^- si realizzano nelle esplosioni in cui ²³⁹Pu è esposto a fasci di neutroni. Isotopi di elementi transuranici possono anche essere prodotti bombardando uranio con atomi altamente ionizzati di ¹²C, ¹⁴N o ¹⁶O aventi sufficiente energia. Con tale procedimento sono stati prodotti isotopi di californio (98), einstenio (99) e fermio (100). Un isotopo dell'elemento 101 (mendelevio) è stato preparato bombardando ₉₉²⁵³Es con particelle α e isotopi dell'elemento 102 sono stati ottenuti bombardando isotopi di curio con atomi ionizzati ¹²C e ¹³C con energie di 60-100 MeV. Alcuni isotopi degli elementi transuranici decadono con emissione di una particella α. Nel 1939 erano conosciuti solo 24 emettitori di particelle α, tutti membri delle serie radioattive naturali. In seguito si è arrivati a catalogare oltre 150 nuclidi emettitori di particelle α. Circa 50 di questi sono tra gli elementi transuranici, altri formano la nuova serie radioattiva 4n+1 del nettunio, altri ancora sono in serie cosiddette collaterali. La serie radioattiva del nettunio conduce, come prodotto finale stabile, al bismuto ordinario (numero di massa 209) invece che a un isotopo del piombo, come nel caso delle serie dell'uranio, torio e attinio. Il periodo di dimezzamento del ²³⁷Np, il membro con vita più lunga di tutta la serie, è di 2,2^.10⁶ anni. Si considera probabile che il nettunio si sia formato al tempo della formazione della Terra, pertanto, poiché la vita della Terra è stata valutata pari a ca. 5^.10⁹ anni, la quantità di Np eventualmente ancora presente sarebbe tanto piccola da sfuggire all'individuazione. Si comprende quindi perché in natura non siano stati trovati elementi della serie 4n+1: sono tutti decaduti fino al ²⁰⁹Bi. Oltre agli elementi della serie del Np sono stati ottenuti altri nuclidi artificiali emettitori α, organizzabili in serie radioattive collaterali a ciascuna delle serie naturali 4n+2, 4n+3, 4n, e alla serie artificiale 4n+1. Un esempio di tale serie collaterale è costituito da: