Il
documento è protetto da copyright. E' vietato qualsiasi ulteriore atto di
utilizzazione (reimmissione in rete, diffusione, riproduzione in copia) senza la
dovuta autorizzazione o citazione della fonte di provienienza.
http://www.ibeans.it/ di Pippo Panascì
Rif. “La scienza per tutti “ Autori: Robert M.Hazen – James
Trefil
Edizione CDE Spa Milano su
licenza Longanesi & C
La
radioattività
La maggior parte dei nuclei
atomici a noi familiari sono stabili. Quasi tutti i nuclei di carbonio contenuti
nei nostri tessuti e di calcio nelle nostre ossa non sono oggi diversi da com'
erano quando furono prodotti nel cuore di una supernova miliardi di anni
fa. Alcuni nuclei non condividono peròquesta proprietà. Questi nuclei si
disintegrano spontaneamente, emettendo frammenti minori, in periodi di
tempo compresi fra microsecondi e durate paragonabili all'età della Terra. Si
dice che questi nuclei sono radioattivi, e il processo di disintegrazione viene
chiamato «decadimento radioattivo »; le particelle emesse in questo
decadimento costituiscono la radioattività. Tutti gli isotopi dell'uranio
sono radioattivi, come pure molti nuclei più leggeri, fra cui il
carbonio-14 e lo stronzio-90.
periodo di
dimezzamento
Il modo migliore per pensare al
comportamento dei nuclei radioattivi è quello di pensare ai granelli di mais per
popcorn che scoppiano sul nostro fornello. Non tutti i granelli scoppiano
assieme.
Prima ne scoppiano alcuni, poi
altri, su un intervallo di vari minuti. Non esiste alcuna teoria della
stabilità nucleare in grado di predire sempre tutti i particolari del
decadimento radioattivo.
Noi non comprendiamo, per
esempio, perché alcuni atomi impieghino miliardi di anni a decadere,
mentre altri scompaiono in pochi secondi. Possiamo però misurare il fenomeno con
grande precisione.
Se prendiamo due quantità
simili di nuclei radioattivi dello stesso tipo, esse presenteranno press'a poco
lo stesso comportamento, con singoli nuclei che decadranno in tempi
diversi.
La rapidità complessiva del
decadimento viene chiamata periodo di dimezzamento, e questo viene definito
come il tempo impiegato a decadere da metà dei nuclei appartenenti a un campione
dato. Ciò significa, per esempio, che se si hanno 100 nuclei con un periodo di
dimezzamento di un minuto, fra un minuto ne resteranno 50, fra due minuti circa
25 (metà della metà), fra tre minuti 12,5 (in media) e via
dicendo.
Il periodo di dimezzamento dei
diversi atomi è molto vario. L'uranio-238 (l'isotopo più comune
dell'uranio) ha un periodo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni: pari press'a
poco all'età della Terra.
Il più effimero dei molti
isotopi del plutonio ha invece un periodo di dimezzamento di un
miliardesimo di secondo, cosicché il suo decadimento può essere
misurato solo con rivelatori elettronici avanzatissimi. In natura esiste una
grandissima varietà di valori compresi fra questi due
estremi.
Decadimento
alfa, beta e gamma
La radiazione, scoperta per la
prima volta alla fine dell'Ottocento, fu un fenomeno sconcertante per
fisici e chimici di formazione classica. Furono individuati tre tipi diversi di
radiazione, ognuno connesso a un diverso tipo di decadimento. Gli
scienziati battezzarono questi tipi misteriosi di radiazione con le prime tre
lettere dell'alfabeto greco: alfa, beta e gamma. Noi usiamo ancor oggi
questi nomi, anche se comprendiamo molto di più su tutt' e tre i
tipi.
Quando un nucleo subisce il
decadimento alfa, emette un fascio formato da due protoni e due neutroni: il
nucleo di un atomo d'elio, detto anche particella alfa.
Dopo il decadimento alfa,
il nucleo risultante ha due protoni e due neutroni in meno rispetto a quello
originario.
Ciò comporta che il nucleo
può attrarre con la sua forza elettrica due elettroni in meno, e dopo un po' di
tempo i due elettroni in eccesso se ne vanno.
Quel che rimane, quindi, è un
atomo con due protoni e due elettroni in meno; è stato creato un atomo di un
elemento chimico diverso, detto sostanza «figlia ».
Il decadimento alfa cambia
quindi sia la massa sia !'identità del nucleo in gioco. L'uranio-238, per
esempio, decade emettendo una particella alfa, e il prodotto finale è un
atomo dell'elemento torio (per l'esattezza torio-234). Il decadimento alfa,
mutando !'identità del nucleo, modifica quindi l’identità dell'atomo
stesso.
Il decadimento alfa (e, come
vedremo fra poco, anche il decadimento beta) costituiscono una versione moderna
della pietra filosofale, il materiale che gli alchimisti medievali credevano
potesse trasmutare il piombo in oro.
Nel decadimento beta, uno dei
neutroni nel nucleo emette un elettrone e, nel corso di questo processo, si
converte in un protone. La sostanza figlia ha quasi la stessa massa della
sostanza madre, ma ha un protone in più e un neutrone in meno.
Il decadimento beta, quindi,
modifica l’identità, ma non la massa, di un nucleo.
La «particella beta» fu così
chiamata prima che ci si rendesse conto che era un comune elettrone, e oggi di
tanto in tanto si trova ancora l'espressione «raggi beta» o «particelle
beta» con riferimento a elettroni. (Un esempio di decadimento beta è quello
del potassio-40 in argo-40: vedi «La datazione per mezzo di isotopi
radioattivi».)
Uno fra i decadimenti beta più
interessanti implica non un nucleo, bensì un neutrone libero. Lasciato a sé, un
neutrone decade in un protone, un elettrone e una particella detta neutrino, con
un periodo di dimezzamento di circa 8 minuti. Di norma i neutroni compresi in un
nucleo non possono decadere in questo modo. Oggi perciò, miliardi di anni dopo
la creazione dell'universo, esistono ancora neutroni perché sono rimasti
protetti all'interno di nuclei atomici.
Infine, il terzo tipo di decadimento, ossia il
decadimento gamma, implica una riorganizzazione di protoni e neutroni
all'interno del nucleo e la conseguente emissione di radiazione
elettromagnetica sotto forma di un raggio x. Il decadimento gamma non
cambia né la massa né l'identità del nucleo.
Catene di
decadimento
La vicenda della radioattività
non si conclude di solito con un solo decadimento. Di norma un nucleo
radioattivo decade mediante un processo che produce una sostanza figlia, la
quale decade mediante un altro processo. La nuova sostanza figlia così prodotta
decadrà a sua volta e il processo continuerà con una lunga catena sino a
pervenire a un nucleo stabile. Questo processo è ben illustrato dall'uranio-238,
un elemento sorprendentemente comune nella crosta della Terra (molto più
comune, per esempio, dell'oro, dell'argento o del mercurio). Esso decade per
emissione di una particella alfa a torio-234, che decade a sua volta per mezzo
di un' emissione beta a protoattinio-234 (91 protoni e 123 neutroni), con
un periodo di decadimento di 24 giorni. Questo nucleo decade a sua volta per
mezzo di emissione beta a uranio-234, con un periodo di dimezzamento di 2
minuti, e l'uranio-234 emette una particella alfa trasformandosi in torio-230,
che ha un periodo di dimezzamento di 250.000 anni. Questa serie di decadimenti
continua sino alla formazione di piombo-208, che è un nucleo
stabile.
Un prodotto inevitabile della
catena di decadimento che ha inizio con l'uranio-238 è il gas radioattivo
rado-222. Il rado decade per mezzo di emissione alfa, e ha un periodo di
dimezzamento di circa 4 giorni. Questo gas può filtrare dal suolo nelle nostre
case, dove i prodotti del suo decadimento possono configurare un grave rischio
per la salute. Adottando una prospettiva temporale vasta, possiamo
riconoscere che il problema del rado, che può riscontrarsi in qualche
abitazione, risale in definitiva al fatto che vari miliardi di anni fa qualche
supenova produsse in grande abbondanza, nel corso della sua esplosione,
uranio-238.
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