Radioattività

La Radioattività

Il fenomeno della radioattività venne

scoperto casualmente nel 1896 da

Becquerel , professore di fisica al

Museo di Storia Naturale di Parigi.

Questi stava studiando fenomeni di

fluorescenza relativi ai sali di

Uranio. Egli si chiedeva se

quando la luce ordinaria eccita la

fluorescenza di una determinata

sostanza, non si generino

contemporaneamente raggi X

capaci di attraversare corpi opachi

alla luce. Antoine Henri Becquerel

Attuale Museo di Storia

Naturale con sede a Parigi

L’esperimento di Becquerel consisteva nell’esporre ai raggi

del sole i sali di Uranio e vedere se

contemporaneamente il materiale era in grado di

impressionare lastre fotografiche avvolte in spessa carta

nera. Il 24 Febbraio del 1896 il fisico francese

comunicava trionfalmente all’accademia delle scienze

una memoria che doveva diventare famosa: un sale

fluorescente di Uranio, il solfato doppio di Uranile e

Potassio emetteva,se esposto alla luce, una radiazione

capace di impressionare una lastra fotografica attraverso

un foglio di carta nera: I raggi X.

• Come accade molte volte in Fisica, capita di

lasciarsi fuorviare da risultati apparenti e non

esaminare fino in fondo la natura dei propri

esperimenti.

• Dopo l’esperimento, Becquerel mise le sue

lastre in un cassetto e preso da altre faccende

ve le lasciò per vari giorni. Quando lo scienziato,

qualche giorno dopo, sviluppò una delle lastre

che aveva riposto nel cassetto tre giorni prima

ebbe una gran bella sorpresa… La lastra

fotografica era ancora impressionata, pur non

essendo esposta alla luce del sole. Questo

poteva voler dire una sola cosa: La fluorescenza

e l’emissione di onde elettromagnetiche ad alta

frequenza dipendevano esclusivamente da una

PROPRIETA’ ATOMICA dell’Uranio.

• I coniugi Curie si deve l’introduzione

del vocabolo “radioattività” per

indicare la proprietà delle sostanze

in grado di emettere raggi

Becquerel, come allora venivano

chiamati .

• I due ricercatori scoprirono che in

Natura esistono elementi molto più

radioattivi dell’Uranio e che altri

possono essere ottenuti

artificialmente tramite lunghi e

faticosi processi chimici. La loro

pazienza fu evidentemente

ricompensata poiché nel Luglio 1898

annunciarono la scoperta del

Polonio e pochi mesi dopo quella di

un elemento ancora più radioattivo:Il

Radio. I coniugi Curie

Cosa è esattamente la

radioattività?

• a radioattività, o decadimento radioattivo, è un insieme di processi

tramite i quali dei nuclei atomici instabili (nuclidi) emettono

particelle subatomiche per raggiungere uno stato di stabilita'.

• Ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni e neutroni, e da un

certo numero di elettroni che gli orbitano intorno. Essendo tutti carichi

positivamente i protoni tendono a respingersi per via della

forza di Coulomb e, se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non

sarebbero stabili.

In effetti i nuclei atomici sono tenuti coesi dalla cosiddetta

forza nucleare forte. Questa forza richiede anche la presenza dei neutroni

per manifestarsi. Quando le forze all'interno del nucleo non sono

bilanciate (ovvero il nucleo è instabile) questo tende spontaneamente a

raggiungere uno stato stabile attraverso l'emissione di una o più particelle.

Storicamente (in seguito agli studi di Marie Curie) i decadimenti nucleari

sono stati raggruppati in tre classi principali:

• decadimento alfa

• decadimento beta

• decadimento gamma

• Decadimento Alfa (a): Consideriamo un nucleo con

numero atomico Z e numero di massa A. In seguito ad

un decadimento alfa, il nucleo emette una particella a,

cioè un nucleo di elio composto da due protoni e due

neutroni, e si trasforma in un nucleo diverso, con numero

atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Un esempio è

il decadimento dell’uranio-238 in torio-234. Le radiazioni

alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono

essere completamente bloccate da un semplice foglio di

carta.

• Decadimento Beta (b): Il nucleo emette un elettrone e un

antineutrino di tipo massa A. Un esempio è il

decadimento del Cobalto-60 elettronico (vedi sezione sui

neutrini) e si trasforma in un nucleo con numero atomico

(Z + 1) ma stesso numero di in Nichel-60. Le radiazioni

beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono

essere completamente bloccate da piccoli spessori di

materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di

alluminio).

• Decadimento Gamma (g): Il nucleo non si

trasforma ma passa semplicemente in uno stato

di energia inferiore ed emette un fotone. La

radiazione gamma accompagna solitamente una

radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo

l'emissione alfa o beta, il nucleo è ancora eccitato

perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora

raggiunto la nuova situazione di equilibrio: di

conseguenza, il nucleo si libera rapidamente del

surplus di energia attraverso l'emissione di una

radiazione gamma. Per esempio il cobalto-60 si

trasforma per disintegrazione beta in nichel-60,

che raggiunge il suo stato di equilibrio emettendo

una radiazione gamma. Al contrario delle

radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono

molto penetranti, e per bloccarle occorrono

materiali ad elevata densità come il piombo.

Alcune delle caratteristiche dei tre decadimenti

radioattivi alfa,beta e gamma

Come le particelle alfa, beta e i raggi gamma vengono deviati da un campo

magnetico(figura a sinistra) ed i loro poteri di penetrazione(figura a destra).

Dalla radioattività alla bomba atomica: la

fissione nucleare e il suo protagonista.

• E’ proprio Enrico

Fermi,fisico italiano, a

dare uno fra i più

importanti contributi per la

scoperta della fissione

nucleare dell’Uranio, sulla

base della quale si

costruirà la prima bomba

atomica. Enrico Fermi

La teoria della reazione a catena

• La fissione nucleare è una

reazione nucleare in cui il nucleo di

uranio 235, plutonio 239 o di altri

elementi pesanti adatti vengono

divisi tramite il bombardamento con

neutroni o altre particelle elementari

in frammenti in un processo che

libera energia. È la reazione

nucleare più facile da ottenere, ed è

comunemente utilizzata nei

reattori nucleari e nei tipi più

semplici di bombe atomiche, quali le

bombe all'uranio (come quella di

Hiroshima) od al plutonio (come

quella che colpì Nagasaki). Tutte le

bombe a fissione nucleare vengono

militarmente etichettate come

Bombe A.

• Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile (se

produce fissione con neutroni di qualsiasi energia cinetica) o

fissionabile (se la fissione è possibile solo con neutroni di elevata

energia cinetica, detti veloci) assorbe un neutrone si fissiona

producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale

reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di

neutroni e decadono beta in una catena di decadimenti fino a che

arrivano ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono

prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi. L'energia

complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di 235U è di

211 MeV, una quantità elevatissima data dalla formula

•

• dove la prima massa è la massa del nucleo di 235U mentre la

seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni

prodotti, mentre c è la costante che rappresenta la velocità della luce

nel vuoto (299.792.458 m/s).

• I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli

atomi di uranio 235 vicini, se ciò avviene possono produrre una

nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo

a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il

numero di fissioni aumentano esponenzialmente, se tale numero è

uguale a 1 si ha una reazione stabile.

Los Alamos e il

“Manhattan Project”

• Il Progetto

Manhattan fu il

programma di ricerca

condotto, dagli

Stati Uniti durante la R. Oppenheimer

seconda guerra mond

iale Los Alamos National Laboratory oggi(foto sopra)

, che portò alla e nel 1945(foto sotto)

costruzione della

prima bomba atomica

. Fu diretto dal fisico

statunitense

Robert Oppenheimer.

Le due bombe e…

• La prima (Little Boy), sganciata su Hiroshima,

era composta da uranio-235, un isotopo

dell'uranio che venne separato fisicamente dal

più prevalente uranio-238, che non è adatto

per l'uso in una bomba. La separazione venne

effettuata principalmente per diffusione

gassosa dell'esafluoruro di uranio (UF6), ma

anche con altre tecniche. Il grosso di questo

lavoro di separazione venne svolto all' La bomba detta “Little boy” Hiroshima

Oak Ridge National Laboratory .

• La bomba sganciata su Nagasaki (Fat Man)

invece, consisteva principalmente di plutonio-

239, un elemento sintetico che è preferibile far

diventare critico solo tramite implosione. La

progettazione di un meccanismo per

l'implosione fu al centro degli sforzi dei fisici

del Los Alamos National Laboratory . Le

proprietà dell'uranio-238, che lo rendono

inadatto per l'uso diretto in una bomba

atomica, sono utilizzate nella produzione di

plutonio. Usando neutroni sufficientemente

lenti l'uranio-238 assorbe neutroni e si

trasmuta in plutonio-239. La produzione e La bomba detta “Fat man”

purificazione del plutonio furono al centro

degli sforzi compiuti in tempo di guerra e nel Nagasaki

dopoguerra all'Hanford Site, usando tecniche

sviluppate in parte da Glenn Seaborg .