Radioattività tra possibilità e rischi

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Elaborato di Naccari Pietro Maria

Liceo “G. Veronese”, indirizzo scientifico sperimentale “Brocca”

Anno scolastico 2006/’07

Radioattività

Tra possibilità e rischi 2

L’atomo radioattivo

[Chimica, fisica]

Tutti i nuclei atomici, escluso quello dell’idrogeno, hanno più di un protone. Ciò che lega i nucleoni e impedisce loro di separarsi per la forza di Coulomb* è la cosiddetta forza nucleare forte o forza adronica.

Quando un nucleo ha un grande numero di protoni e pochi neutroni che li separano, 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’uranio-235, segue questa via. Tutti gli altri isotopi instabili acquistano stabilità emettendo piccoli frammenti nucleari e spesso, contemporaneamente, radiazioni elettromagnetiche ad alta energia.

Gli isotopi i cui nuclei emettono particelle o radiazioni sono chiamati radionuclidi. L’emissione è chiamata radioattività o decadimento radioattivo 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.

F = q₁ q₂ / r², dove k = 9 × 10⁹ N m² / C²

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 decadimento alfa o beta, o con entrambi; pertanto si parla di catena di decadimento 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 perché collidono con le molecole presenti, catturando elettroni e trasformandosi così in atomi di elio neutri.

Per lo stesso motivo le particelle alfa non riescono a penetrare attraverso la pelle, ma ad un’esposizione intensa possono 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_ZX → A−4_Z−2Y + ⁴₂He

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).

^A_ZX → ^A_Z+1Y + β⁻ + ν

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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 in un neutrone con l’emissione di un positrone (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 colpiscono un elettrone, essi si distruggono a vicenda generando due fotoni di radiazione gamma chiamati fotoni di radiazione annichilente.

^A_ZX → ^A_Z−1Y + β⁺ + ν

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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 quella delle particelle alfa, una particella beta ha una minore probabilità di collidere con le molecole presenti nella materia in cui penetra. Le particelle beta possono percorrere fino a 300 cm, 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 dell’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’elettronvolt.

Elettronvolt (eV)

1 eV 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

Per misurare la dose assorbita di radiazione da un certo materiale si usa comunemente il rad (radiation absorbed dose).

1 rad corrisponde all’assorbimento di 10⁻⁵ J per grammo di tessuto.

Nel Sistema Internazionale l’unità di dose assorbita è chiamata gray (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.

Per tener conto di queste differenze, gli scienziati hanno introdotto una unità chiamata rem (radiation equivalent man).

Una dose in rem viene calcolata moltiplicando la dose in rad per un fattore che tiene conto dell’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.

L’unità SI della dose equivalente è il sievert (Sv), definito come il prodotto del gray per il fattore di qualità: 1 Sv = 1 Gy × QF