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La comprensione e il controllo delle trasformazioni chimiche

La radioattività

La radioattività (scoperta nel 1896 dal fisico francese H. Becquerel) è il fenomeno per cui un nucleo atomico instabile (radioisotopo o radionuclide) si trasforma, in seguito a emissione spontanea di radiazioni (decadimento radioattivo), nel nucleo di un elemento differente stabile, oppure passa in uno stato energetica stabile.

A seconda del processo di decadimento radioattivo, possono essere emessi i seguenti tipi di radiazioni (v. tab. 16.1):

  1. raggi α (alfa) o particelle α, formati da nuclei di elio (elioni) costituiti da due protoni e due neutroni, con carica elettrica +2;
  2. raggi β (beta) o particelle β, formati da elettroni, (β), con carica elettrica −1, o da positroni (β+), antiparticelle degli elettroni, con carica elettrica +1;
  3. raggi γ (gamma), consistenti in radiazioni elettromagnetiche di altissima energia.

In rapporto alla radiazione emessa, il nucleo atomico subisce le seguenti variazioni in unità di numero atomico Z e di numero di massa A:

  1. emissione α; Z diminuisce di 2 unità; A diminuisce di 4 unità;
  2. emissione β; Z aumenta di 1 unità; A rimane invariato;
  3. emissione β+; Z diminuisce di 1 unità; A rimane invariato;
  4. emissione γ; Z e A rimangono invariati (in molti casi l'emissione γ proviene da nuclei che, avendo subito un decadimento α o β, sono in uno stato eccitato; attraverso l'emissione di un fotone γ il nucleo passa in uno stato più stabile).

Cause della radioattività

Anche se i protoni nel nucleo atomico si respingono a causa della loro carica positiva, il nucleo atomico rimane unito, in virtù dell'interazione nucleare forte (che coinvolge anche i neutroni). Questa forza è estremamente intensa su piccolissime distanze, mentre al di fuori del nucleo atomico praticamente si annulla.

Nei nuclei degli elementi pesanti, che contengono molti nucleoni (come quelli di uranio), c'è una minore probabilità di raggiungere una condizione di stabilità; questi nuclei hanno quindi tendenza a emettere particelle radioattive per conseguire una condizione più stabile. Si è potuto inoltre osservare che si determina una condizione di instabilità quando il numero di protoni e di neutroni del nucleo è dispari.

Il decadimento radioattivo è regolato da una legge statistica, che può essere espressa mediante il tempo di dimezzamento T1/2, che rappresenta il periodo di tempo necessario perché si disintegri metà della quantità iniziale di nuclei (v. tab. 16.2). Quando decade, il nucleo di un radioisotopo si trasforma nell'isotopo di un diverso elemento, che a sua volta è spesso instabile. Nascono così catene di decadimenti (serie radioattive) che terminano quando si forma un isotopo stabile. In natura si conoscono 3 catene di decadimento: iniziano dall'uranio −238, dall'attinio e dal torio e terminano con isotopi del piombo.

La radioattività artificiale fu scoperta nel 1919 dal fisico neozelandese E. Rutherford (1871-1937).

I fenomeni di disintegrazione nucleare che avvengono spontaneamente in natura si possono riprodurre artificialmente ``bombardando'' i nuclei degli isotopi stabili con particelle subatomiche quali protoni, particelle β, neutroni, che devono venire fortemente accelerate per aumentare la loro velocità e quindi la loro energia cinetica (solo in tal modo possono vincere la notevole resistenza opposta dai campi elettrici che circondano i nuclei). Ciò si ottiene per mezzo di acceleratori di particelle (ciclotroni, sincrotoni, betatroni ecc.).

I radioisotopi artificiali hanno vari impieghi.

Il risultato più importante maturato attraverso gli studi sui fenomeni radioattivi è stato il dischiudersi della possibilità di sfruttare l'enorme quantità di energia racchiusa nei nuclei atomici.

Misura delle radiazioni

Lo strumento più noto per misurare la radioattività è il contatore Geiger-Müller, il cui funzionamento si basa sull'effetto di ionizzazione indotta da una radiazione ionizzante in un cilindro contenente gas a bassa pressione.

L'attività di una sostanza radioattiva, cioè il numero di disintegrazioni che si verificano nell'unità di tempo, viene di norma misurata in curie (simbolo Ci), dove 1 Ci = 3,7 · 1010 disintegrazioni al secondo; l'unità di misura ufficiale nel Sistema Internazionale (SI) è il becquerel (simbolo Bq), pari a una disintegrazione al secondo: 1 Bq risulta quindi uguale a 2,7 · 10−11 Ci. Le radiazioni α, β, γ interagiscono con la materia grazie al loro potere ionizzante nei confronti degli atomi e delle molecole che attraversano. Come conseguenza possono venire rotti legami chimici con grave pericolo da un punto di vista biologico, in particolare se viene danneggiato il DNA dei cromosomi delle cellule. Gli effetti biologici delle radiazioni vengono espressi in termini di dose assorbita o di dose equivalente.

La dose assorbita nel SI viene misurata in gray (simbolo Gy), dove 1 gray è una dose di radiazione che cede un joule di energia per chilogrammo di materiale: 1 Gy = 1J/kg.

La dose equivalente si misura in sievert (simbolo Sv) e rappresenta la dose assorbita da qualsiasi radiazione ionizzante che ha la stessa efficacia biologica di 1 Gy di raggi X.

Tab. 16.1: Principali caratteristiche delle particelle a, β e dei raggi γ

Tabella 16.1 PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLE PARTICELLE α, β E DEI RAGGI γ
  caratteristiche raggi α raggi β raggi γ
  natura nuclei di elio [24 He] elettroni (e o β) positroni (e+ o β+ onde elettromagnetiche (fotoni ad alta energia)
  massa 4 uma 0,00055 uma 0
  carica elettrica +2 −1 (e) +1 (e+) 0
  capacità di penetrazione relativamente debole (possono venire fermati da un semplice foglio di carta) maggiore dei raggi α (possono venire fermati da un foglio sottile di alluminio) assai elevata (per fermarli è necessaria una lastra di piombo dello spessore di diversi centimetri)
  capacità ionizzante ionizzano le molecole dei gas ionizzano le molecole dei gas ionizzano gli atomi dei tessuti biologici, causando danni alle cellule

Tab. 16.2: Tempi di dimezzamento di alcuni isotopi radioattivi

Tabella 16.2 TEMPI DI DIMEZZAMENTO DI ALCUNI ISOTOPI RADIOATTIVI
  elemento radioisotopo tempo di dimezzamento radiazione emessa
  calcio 2045Ca 164 giorni beta
  carbonio 614C 5730 anni beta
  cesio 55137Cs 30 anni beta, gamma
  fosforo 1532P 14,3 giorni beta
  idrogeno 13H (trizio) 12,26 anni beta
  iodio 53131I 8,07 giorni beta
  potassio 1940K 1,3 · 109 anni beta, gamma
  radio 88226Ra 1590 anni alfa, gamma
  sodio 1124Na 15 ore beta
  stronzio 3890Sr 28,1 anni beta
  uranio 92238U 4,51 · 109 anni alfa, gamma

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