Radioattività tra possibilità e rischi

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L’atomo radoattivo

[chimica, fisica]

Tutti i nuclei atomici, escluso quello dell’idrogeno, hanno più di un protone. Ciò che lega i nucleoni

forza di Coulomb*

e impedisce loro di separarsi per la è la cosiddetta o

forza nucleare forte forza

Quando un nucleo ha un grande numero di protoni e pochi neutroni che li separano,

adronica.

questa forza diminuisce e il nucleo può risultare instabile.

Una possibile conseguenza di questa instabilità può essere la fissione, però solo un isotopo naturale,

l’uarnio-235, segue questa via. Tutti gli altri isotopi instabili acquistano stabilità emettendo piccoli

frammenti nucleari e spesso, contemporaneamente, radiazioni elettromagnetiche ad alta energia.

radionuclidi.

Gli isotopi i cui nuclei emettono particelle o radiazioni sono chiamati L’emissione è

radioattività decadimento radioattivo

chiamata o e le sostanze che decadono sono dette

radioattive. Gli isotopi naturali radioattivi sono circa una cinquantina su 350 isotopi naturali.

I nuclei radioattivi decadono in un altro nucleo (trasmutazione: trasformazione di un isotopo in un

altro) mediante l’emissione di radiazioni. Si osservano tre tipi di radiazioni:

- Radiazioni alfa

- Radiazioni beta

- Radiazioni gamma

*secondo la quale la forza elettrica esercitata da una carica su un’altra è inversamente proporzionale al quadrato della

distanza e direttamente proporzionale al prodotto delle cariche per una costante chiamata costante di Coulomb.

k

F = q1 q2 / r^2 dove = 9 * 10^9 N m^2 / C^2

k k

Radiazioni alfa

Le radiazioni alfa sono costituite da uno sciame di nuclei di atomi di elio, chiamate particelle alfa.

Le particelle alfa sono costituite da 2 protoni, 2 neutroni e hanno carica 2+ perché sprovviste di

elettroni. In genere i nuclei che tendono a trovare stabilità mediante il decadimento alfa sono per lo

più nuclei molto pesanti (generalmente con un numero atomico > di 83). Perdendo due protoni

l’elemento indietreggia di due posizioni nella tavola periodica degli elementi. Nella maggior parte

dei casi il discendente di un nucleo radioattivo è spesso radioattivo anch’esso e decade con

catena di decadimento

decadimento alfa o beta, o con entrambi; pertanto si parla di di un isotopo,

intendendo la sequenza di decadimenti che tale atomo percorre. Quasi tutte le catene di

decadimento finiscono con un isotopo del piombo, che è un elemento stabile.

Le particelle α, quando sono emesse, escono dall’atomo ad una velocità che è circa un decimo di

quella della luce. La loro massa, però, impedisce alle particelle alfa di andare molto lontano:

nell’aria riescono a viaggiare solo per alcuni centimetri perchè collidono con le molecole presenti,

catturando elettroni e trasformandosi cosi in atomi di elio neutri. Per lo stesso motivo le particelle

alfa non riescono a penetrare attraverso la pelle, ma ad un esposizione intensa può provocare

ustioni. 3

Un esempio di radiazione alfa lo si ha con l’uranio-238 che diventa torio-234 con la liberazione di

elio-4. 42 4

A A −−

X Y He

→ + 2

Z Z

Radiazioni beta

Le radiazioni beta sono costituite da sciami di elettroni, chiamati particelle beta.

Il decadimento beta si verifica per i nuclei che hanno troppo o troppo pochi neutroni per la stabilità.

-Se un nucleo ha troppi neutroni nel processo di decadimento un neutrone del nucleo si trasforma

in un protone con la liberazione di un elettrone (particella beta negativa).

β ν

A A −

X Y

→ + +

1

Z Z +

Un esempio di radiazione beta con l’emissione di un elettrone lo si ha con il trizio-3 che diventa

elio-3 e libera un elettrone.

-Se un nucleo ha troppi pochi neutroni, allora nel processo di decadimento un protone si trasforma

positrone

in un neutrone con l’emissione di un (particella beta positiva). I positroni sono particelle

con la massa di un elettrone e una carica positiva. Essi non hanno vita lunga in quanto, appena

colpisce un elettrone, essi si distruggono a vicenda generando due fotoni di radiazione gamma

chiamati fotoni di radiazione annichilente. β ν

A A +

X Y

→ + +

1

Z Z −

Un esempio di radiazione beta con l’emissione di un positrone lo si ha con il cobalto-54 che decade

in ferro-54 (stabile) ed emette un positrone.

Gli elettroni e i positroni emessi nel decadimento beta non esistono nel nucleo, ma vengono creati

nel processo di decadimento. Nel decadimento beta il numero di massa resta invariato, mentre il

numero atomico aumenta o diminuisce di uno.

Le particelle beta negative (elettroni) hanno numero di massa uguale a 0, numero atomico uguale a

-1 e carica uguale a 1-. Anche le particelle beta positive ( positroni) hanno numero di massa uguale

a 0, ma hanno numero atomico uguale a +1 e carica uguale a 1+.

Poiché gli elettroni hanno una massa più di 7000 volte minore di quelle delle particelle alfa, una

particella beta ha una minore probabilità di collidere con le molecole presenti nella materia in cui

penetra. Le molecole beta possono percorrere fino a 300cm, ma solo le particelle beta con più alta

energia riescono a penetrare la pelle. 4

Radiazioni gamma

Le radiazioni gamma sono costituite da fotoni ad alta energia emessi da alcuni radionuclidi, in

questo modo un nucleo in uno stato eccitato ( per mezzo emissione di particelle alfa o beta) decade

in uno stato di energia minore e più stabile.

I fotoni gamma hanno energie molto elevate, sono privi di massa e di carica, e di solito la loro

emissione si verifica molto rapidamente; la si osserva solo perché di solito essa segue un

decadimento alfa o beta.

Le radiazioni gamma sono estremamente penetranti e possono essere bloccate soltanto con schermi

fatti di materiale molto denso, come il piombo.

L’unità di energia più comunemente usata per descrivere l’energia delle radiazioni è l’elettonvolt.

elettronvolt (eV)

1 è l’energia di un elettrone quando viene accelerato da una differenza di

potenziale (ddp) di 1 volt: 1 eV = 1,602*10^(-19) J

Un esempio di decadimento gamma lo abbiamo con il cobalto-60, usato nella terapia del cancro,

che genera fotoni con energia di 1,173 MeV.

DOSIMETRIA [chimica, fisica] 5

I fisici hanno sviluppato molti metodi per rilevare, registrare e misurare le radiazioni generate da

radionuclidi.

La maggior parte sono basati sulla capacità di formare ioni quando penetrano nella materia, cioè

alla ionizzazione (cioè generazione di particelle cariche elettricamente) prodotta .

Per misurare questi effetti si usano due diverse grandezze:

-La dose assorbita

-La dose equivalente

dose assorbita rad

-Per misurare la di radiazione da un certo materiale si usa comunemente il

absorded dose).

(radiation 1 rad corrisponde all’assorbimento di 10^(-5) J per grammo di tessuto.

gray

Nel Sistema Internazionale l’unità di dose assorbita è chiamata (Gy); 1 gray corrisponde a 1 J

di energia assorbita da un chilogrammo di materiale assorbente:

1 rad = 10^(-5) J / g 1 Gy = 1 J / Kg 1 Gy = 100 rad

Uno degli inconvenienti del rad è determinato dal fatto che il danno causato dalla radiazione

assorbita è funzione non solo della sua energia, ma anche del tipo di radiazione; i neutroni sono ad

esempio 10 volte più pericolosi delle radiazioni beta con la stessa energia ed intensità. rem

Per tener conto di queste differenze, gli scienziati hanno introdotto una unità chiamata

equivalent man).

(radiation for Una dose in rem viene calcolata moltiplicando la dose in rad per un

fattore che tiene conto della efficacia del tipo di radiazioni nel causare danni:

1 rem = 1 rad * QF

dove QF (fattore di qualità) è un fattore che è stato tabulato per le particelle alfa, per i protoni e per i

neutroni di diverse energie. sievert

L’unita SI della dose equivalente è il (Sv), definito come il prodotto del gray per il fattore di

qualità: 1 Sv = 1 Gy * QF

Quando le dosi sono calcolate in rem, il pericolo totale a cui qualcuno è stato soggetto può essere

calcolato semplicemente sommando i rem corrispondenti a ciascuna radiazione.

La nostra conoscenza degli effetti di grandi dosi di radiazioni deriva principalmente da studi

effettuati sulle vittime delle esplosioni nucleari:

dosi < di 25 rem sull’intero corpo non hanno effetti immediati

dosi > di 100 rem danneggiano i tessuti emopoietici (che producono sangue)

dosi > di 500 rem sono letali

Se le dosi sono tra i 100 e i 500 rem, si raddoppia la possibilità di morire di tumore.

DECADIMENTO RADIOATTIVO [fisica]

Nel 1900, Rutherford scoprì che il numero di particelle radioattive emesse da una sostanza

nell’unita di tempo non era costante nel tempo, ma diminuiva esponenzialmente. Risulta che il

numero di decadimenti in un intervallo Δt è proporzionale al numero di atomi presenti.

Sia il numero di nuclei radioattivi presenti in un certo tempo ci aspettiamo che il numero di

N t,

nuclei che decadono in un certo intervallo di tempo Δt sia direttamente proporzionale a e a Δt.

N

A causa di questi decadimenti, il numero diminuirà; la variazione di ΔN, è data da:

N N, 6

ΔN = - λN * Δt

costante di decadimento.

dove λ è la costante di proporzionalità chiamata La variazione nel tempo

di (ΔN / Δt), è direttamente proporzionale a questo fatto è caratteristico del decadimento

N, N:

esponenziale.

Risolvendo l’equazione: ΔN = - λN * Δt ℮ ^ (- λ *

N = N * t)

0

è il numero di nuclei nell’istante 0.

Dove t =

N

0 attività

Il numero di nuclei che decadono in ogni dato intervallo di tempo è chiamata R:

R = - ΔN / Δt

vita media

L’inverso della costante di decadimento λ è chiamato τ:

τ = 1 / λ

Ogni atomo “vive” per un tempo preciso prima di decadere e la rappresenta appunto la

vita media

media aritmetica sui tempi di vita di tutti gli atomi della stessa specie.

tempo di dimezzamento emivita

Il o è definito come il tempo impiegato dal numero di nuclei

t1/2

e dell’attività per ridursi della metà. E’ legato alla vita media dalla relazione:

= 0,693 τ = 0,693 / λ

t1/2

Dopo ogni intervallo di tempo pari a un tempo di dimezzamento, il numero di nuclei rimasti e

l’attività sono scesi a metà dei loro precedenti valori.

I tempi di dimezzamento dei nuclei radioattivi sono molto diversi. Per il decadimento alfa, essi

variano da una frazione di secondo a milioni di anni; per il decadimento beta, arrivano fino a ore o

giorni; per il decadimento gamma, i tempi di dimezzamento sono minori di un nanosecondo. 7

DATAZIONE [scienze della terra, biologia]

La radioattività trova largo uso in molti ambiti, come nella medicina, nell’agricoltura, nell’industria,

nella scienza, etc…; ma forse il più famoso tra questi è senza dubbio l’uso che se ne fa nella

datazione di rocce, fossili, reperti e manufatti antichi.

Lo studio del decadimento radioattivo delle rocce permette di avere una datazione assoluta

dell’oggetto di indagine. Gli isotopi più usati per la datazione assoluta sono il carbonio-14 (che si

trasforma in azoto in un tempo di dimezzamento di circa 5570 anni), il potassio-40 (che diventa

argon in 1,3 miliardi di anni), e, infine, l’uranio-238 (che si trasforma in piombo in 4,5 miliardi di

anni.

carbonio-14

Il è utilizzato esclusivamente per datare materiali che derivano, direttamente o

indirettamente, da organismi. Esso è infatti presente negli organismi viventi in concentrazione

costante, infatti il carbonio viene prodotto nell’atmosfera dall’azione dei (che

raggi cosmici

liberano neutroni) sull’azoto atmosferico. Il carbonio così formato migra verso gli strati più bassi

dell’atmosfera dove può ossidarsi in diossido di carbonio (CO2). Per mezzo della fotosintesi delle

piante, il carbonio entra nella catena alimentare e viene incorporato nelle ossa. Quando gli 8

organismi muoiono il loro contenuto di carbonio-14 si riduce per decadimento radioattivo. Il reperto

risulterà quindi tanto più antico quanto minore sarà la radioattività del carbonio-14.

Con questo metodo si possono datare oggetti con età compresa tra 1000 e 30000 anni.

potassio-40

Il viene utilizzato per la datazione di che si spingono molto più indietro nel

fossili

tempo, in quanto ha un tempo di decadimento di 1,3 miliardi di anni.

238.