Chimica inorganica - Radon

ADIOATTIVITÀ ADON ED NERGIA UCLEARE

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'H è l'elemento più stabile, si pensa che abbia un'emivita più lunga dell'universo

2

stesso. Altri nuclei invece presentano un'emivita più breve come il C che viene

14

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 ;

+

Decadimento o cattura elettronica;

− γ

La particella alfa (α) è una particella emessa radioattivamente e dotata di carica

elettrica +2 e numero e numero di massa 4, costituita cioè da due protoni e due

neutroni, ed è equivalente ad un nucleo di elio; tale particella viene scritta come He,

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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 si trasforma in un nucleo

22688 α,

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:

Ra Rn + He (1)

226 222 4

→

88 86 2

U Th + t = 4,5 x 10 anni (2)

235 23290 9

→ α

92 1/2

La particella beta è un elettrone che si forma quando nel nucleo un neutrone si

(β )

−

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 , la

21482 β −

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 −

Pb Bi + (3)

214 21483

→ β −

82

C N + t = 4,5 x 10 anni (4)

14 147 4

→ β −

6 1/2

Il decadimento , osservabile in nuclei ricchi di protoni, avviene invece quando un

β +

protone si trasforma in un neutrone emettendo un'antiparticella di elettrone: un

positrone. p n +

→ β +

C B + (5)

11 115

→ β +

6

Un altro tipo di emissione radioattiva da parte di un nucleo atomico è quella di una

particella gamma che può essere considerata come la quantità di energia

(γ)

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 + n +

β → γ

−

Be + Li + (6)

7 73

β → γ

−

4

Sebbene le particelle e siano energetiche, esse non possono penetrare in

α β

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 possono attraversare il corpo solo per pochi millesimi di centimetro e

α

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 qualora ad essere colpite fossero le

α,

molecole di DNA, o gli enzimi ad esse associati, possono verificarsi casi di cancro.

Le particelle moderatamente penetranti (v 90% c), si muovono più velocemente

β, <

delle particelle dato che sono più leggere e possono percorrere circa 1 m nell'aria e

α

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 molto penetranti (v=c), attraversano facilmente pareti di cemento e quindi

γ,

anche la nostra pelle, tuttavia bastano pochi cm di piombo per proteggerci da essi. Le

particelle sono le più penetranti e quindi le più dannose fra i tre tipi di particelle,

γ

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. I primi effetti della

malattia si osservano a carico dei tessuti che contengono cellule a rapida divisione; i

primi sintomi sono caratterizzati da nausea e da crollo del numero dei globuli bianchi.

La quantità di radiazione assorbita dal corpo umano viene misurata in unità rad (dose

di radiazione assorbita), dove 1 rad indica la quantità di radiazione che cede 0,01 joule

di energia per 1 kg di tessuto corporeo; mentre la dose biologica efficace ha come

unità di misura il rem. Una unità di misura più recente del rem è il sievert, Sv, che

equivale a 100 rem.

L'esposizione acuta a più di 25 rem causa una riduzione del numero di globuli bianchi di

un individuo; oltre 100 rem provocano nausea e perdita dei capelli, mentre una

esposizione superiore ai 500 rem comporta un 50% di probabilità di morire entro

alcune settimane. DECADIMENTO DEL NUCLEO RADIOATTIVO

In un campione di uranio-238, U, di dimensioni sufficienti a renderlo visibile, vi sono

238

circa 10 atomi, per cui occorreranno miliardi di anni per arrivare al completamento

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del processo di decomposizione di tutti gli atomi contenuti nel campione.

Dato che tutti i nuclei radioattivi si disintegrano mediante processi che cineticamente

sono di primo ordine, è opportuno esprimere la velocità di decomposizione come il

periodo di tempo necessario perché si compia la disintegrazione della metà dei nuclei

contenuti in un campione, ovvero la sua emivita o tempo di dimezzamento (t ).

1/2

Per esempio l'emivita di U è di circa 4,5 miliardi di anni, ciò significa che

238

attualmente si è disintegrata circa la metà della quantità complessiva di questo

isotopo dell'uranio presente al momento della formazione della Terra.

Molte rocce e suoli granitici contengono uranio per cui si verifica quotidianamente un

processo di decadimento radioattivo, da cui uno dei prodotti più indesiderati è il gas

radon. Ciascun nucleo di U emette prima o poi una particella con formazione di un

23892 α

atomo dell'isotopo torio, Th:

23490 U Th + He (7)

238 234 4

→

92 90 2

Questo è il primo dei 14 processi sequenziali di decadimento radioattivo cui va

incontro un nucleo di U. Di particolare interesse è quella parte di sequenza che

238

implica la partecipazione del radon, dato che tale elemento è il solo, oltre all'elio

prodotto dalle particelle ad essere gassoso e quindi mobile.

α,

L'immediato precursore del radon è il radio-226, che ha un tempo di emivita di 1600

anni e il cui nucleo decade per emissione di una particella α:

Ra Rn + He (8)

226 22286 4

→

88 2

L'isotopo Rn ha un'emivita di 3,8 giorni, un tempo sufficiente tuttavia a diffondere

222

attraverso le rocce compatte o il suolo in cui si forma.

Nonostante la modesta concentrazione di fondo, il radon presente nell'aria è tuttavia

responsabile di circa metà dell'esposizione umana a fonti radioattive.

Sebbene il radon decada in pochi giorni, esso viene costantemente rimpiazzato dal

decadimento di altro radio.

Gran parte del radon che filtra nelle case proviene dalla porzione più superficiale del

suolo (il primo metro circa), al di sotto delle fondamenta e attorno ad esse; infatti

quello prodotto a profondità maggiori probabilmente decade producendo elementi non

gassosi e quindi immobili, prima di raggiungere la superficie. Un terreno sabbioso e

privo di qualsiasi copertura consente la diffusione massima del gas radon, mentre tale

diffusione viene inibita da un suolo ghiacciato, compatto o argilloso. Il radon penetra

negli scantinati delle abitazioni attraverso fori e crepe formatesi nelle fondamenta di

cemento, e tale infiltrazione viene incrementata in modo significativo quando la

pressione dell'aria presente nel sottosuolo è piuttosto bassa.

PRODOTTI DI DECADIMENTO DEL RADON

Il radon, il membro più pesante del gruppo dei gas nobili, è un elemento chimicamente

inerte alle condizioni ambientali dove permane come gas monoatomico; come tale entra

a far parte dell'aria che noi respiriamo, allorché penetra nelle nostre abitazioni.

Il radon di per sé non rappresenta un grande pericolo; la probabilità che possa

disintegrarsi nel breve lasso di tempo in cui si trova all'interno dei nostri polmoni è

minima. I pericoli del radon risiedono invece nella radioattività dei tre elementi

prodotti in sequenza dalla sua disintegrazione: polonio, piombo e bismuto. Essi sono

detti figli, o prodotti di decadimento del radon che, a sua volta, è denominato

elemento progenitore. Rn Po + 3,8 gg (9)

222 21884

→ α

86 Po Pb + 3 min (10)

218 21482

→ α

84 Pb Bi + 27 min (11)

214 21483

→ β −

82 Bi Po + 20 min (12)

214 21484

→ β −

83

Po Pb + 1 sec (13)

214 21082

→ α <

84 Pb Bi + 22 anni (14)

210 21083

→ β −

82

Una volta inalate, alcune di queste particelle si attaccano alla superficie dei p