Chimica inorganica - Radon

Radioattività ed energia nucleare

In natura tutto ha una durata vitale e dunque una fine, anche i nuclei degli atomi; il periodo che intercorre affinché ciò avvenga viene detto emivita o tempo di dimezzamento ed è il tempo che occorre affinché la metà degli individui di una popolazione scompaia.

L'idrogeno (H) è l'elemento più stabile, si pensa che abbia un'emivita più lunga dell'universo stesso. Altri nuclei, invece, presentano un'emivita più breve come il carbonio-14 (C₁₄) che viene utilizzato per le datazioni paleontologiche e geologiche.

I nuclei instabili, o radioattivi, si decompongono spontaneamente emettendo minuscole particelle ad alta velocità e dotate di un grande contenuto di energia. Il risultato di tale emissione è la trasformazione degli atomi di un elemento in atomi di un altro elemento. I nuclei che si producono con l'emissione della particella possono o meno risultare essi stessi radioattivi; i processi attraverso i quali ciò avviene sono quattro:

• Decadimento α
• Decadimento β−
• Decadimento β+ o cattura elettronica
• Decadimento γ

Decadimento α

La particella alfa (α) è una particella emessa radioattivamente e dotata di carica elettrica +2 e numero di massa 4, costituita cioè da due protoni e due neutroni, ed è equivalente a un nucleo di elio; tale particella viene scritta come He₂⁴, dove l'apice 4 è il suo numero di massa e il pedice 2 si riferisce alla sua carica nucleare (ossia il suo numero di protoni).

Quando un nucleo di radio (Ra) emette una particella α, si trasforma in un nucleo con un numero di massa pari a 226 - 4 = 222 unità e una carica nucleare pari a 88 - 2 = 86, ovvero decade; questo elemento diverso da quello di partenza, è un isotopo dell'elemento radon. Il processo può essere scritto come una reazione nucleare:

Ra₈₈²²⁶ → Rn₈₆²²² + He₂⁴ (1)

U₉₂²³⁵ → Th₉₀²³² + α     t_1/2 = 4,5 x 10⁹ anni (2)

Decadimento β−

La particella beta (β−) è un elettrone che si forma quando nel nucleo un neutrone si decompone in un protone e un elettrone. Poiché, dopo che l'elettrone ha lasciato l'atomo, il protone generato insieme ad esso rimane nel nucleo e la carica nucleare aumenta di una unità, ma poiché la somma del numero totale di neutroni e protoni non cambia, il numero di massa rimane invariato.

Per esempio, quando un atomo dell'isotopo del piombo (Pb), decade radioattivamente con l'emissione di una particella β−, la carica nucleare del prodotto diventa pari a 82 + 1 = 83, che corrisponde a quella dell'elemento bismuto, mentre il numero di massa rimane invariato:

n → p + β−

Pb₈₂²¹⁴ → Bi₈₃²¹⁴ + β− (3)

C₆¹⁴ → N₇¹⁴ + β−     t_1/2 = 4,5 x 10⁴ anni (4)

Decadimento β+

Il decadimento β+ è osservabile in nuclei ricchi di protoni e avviene quando un protone si trasforma in un neutrone emettendo un'antiparticella di elettrone: un positrone.

p → n + β+

C₆¹¹ → B₅¹¹ + β+ (5)

Decadimento γ

Un altro tipo di emissione radioattiva da parte di un nucleo atomico è quella di una particella gamma (γ), che può essere considerata come la quantità di energia concentrata in un fotone e quindi priva di massa.

Quando un protone interagisce con un elettrone si forma un neutrone con conseguente emissione di raggi γ:

p + β− → n + γ

Be₄⁷ → Li₃⁷ + γ (6)

Penetrazione delle particelle

Sebbene le particelle α e β siano energetiche, esse non possono penetrare in profondità nel corpo umano, dato che perdono sempre più la propria energia e, conseguentemente, riducono la propria velocità nella collisione con un numero sempre maggiore di atomi.

Le particelle α possono attraversare il corpo solo per pochi millesimi di centimetro e non risultano quindi penetranti, ma sono molto pericolose (v < 10% c). Ciò si deve al fatto che tali particelle sono piuttosto pesanti e quando interagiscono con la materia riducono la loro velocità, catturano da essa elettroni e vengono convertite in innocui atomi di elio gassoso.

Tuttavia, atomi radioattivi inalati o ingeriti possono causare seri danni all'interno del corpo umano. Quando emettono particelle α, se ad essere colpite fossero le molecole di DNA o gli enzimi ad esse associati, possono verificarsi casi di cancro.

Le particelle β, moderatamente penetranti (v < 90% c), si muovono più velocemente delle particelle α, dato che sono più leggere e possono percorrere circa 1 m nell'aria e 3 cm nell'acqua o nel tessuto biologico, prima di perdere l'energia in eccesso. Anche suddette particelle possono indurre notevoli danni alle cellule se vengono ingerite o inalate.

I raggi γ, molto penetranti (v=c), attraversano facilmente pareti di cemento e quindi anche la nostra pelle, tuttavia bastano pochi cm di piombo per proteggerci da essi. Le particelle γ sono le più penetranti e quindi le più dannose fra i tre tipi di particelle, riuscendo a penetrare per alcune decine di centimetri nel nostro corpo o perfino ad attraversarlo.

Quando gli esseri umani sono esposti a quantità consistenti di radiazioni ionizzanti, seppure in dosi subletali, possono sviluppare la malattia da raggi.