La
radioattività consiste
nella disintegrazione spontanea di nuclei atomici, con emissione di particelle
subatomiche e di onde elettromagnetiche. Il fenomeno fu scoperto nel 1896
dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel, il quale osservò che l'uranio
emetteva delle radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica,
benchè protetta da uno schermo opaco ai raggi luminosi.
Le
ricerche iniziate da Becquerel vennero riprese dagli scienziati francesi Marie
e Pierre Curie, i quali nel 1898 scoprirono che la proprietà di emettere radiazioni
penetranti era una proprietà dell'atomo e non dipendeva dallo stato chimico
o fisico dell'elemento, e diedero al fenomeno il nome di radioattività. Analizzando
l'intensità della radiazione emessa per mezzo di una camera di ionizzazione,
essi riconobbero che i minerali dell'uranio, in modo particolare la pechblenda,
avevano un'attività radioattiva maggiore rispetto ai sali usati da Becquerel.
Poiché non esistevano elementi noti sufficientemente radioattivi da giustificare
le radiazioni osservate, essi dedussero che i minerali analizzati fossero
composti da sostanze ignote estremamente instabili. Dopo una serie di esperimenti
chimici sulla pechblenda, scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio
e il radio. La radioattività del torio venne osservata successivamente dalla
stessa Marie Curie, mentre quelle di attinio e radon vennero scoperte nel
1899 rispettivamente dal chimico francese André Louis Debierne e dai fisici
inglesi Ernest Rutherford e Frederick Soddy.
Si comprese subito che la radioattività era la sorgente di energia
più concentrata fino ad allora mai osservata. I Curie misurarono il calore
associato al decadimento del radio, e stabilirono che 1 g di radio produce
circa 420 J di energia all'ora, e che tale effetto prosegue incessantemente.
Si ricordi, per confronto, che la combustione di 1 g di carbone produce un
totale di 33.600 J di energia. A seguito di questi risultati, la radioattività
attirò l'attenzione degli scienziati di tutto il mondo e nei decenni successivi
molti aspetti del fenomeno vennero studiati ampiamente.
Ernest
Rutherford scoprì che vi sono almeno due componenti nelle emissioni radioattive:
le particelle alfa, che penetrano solo per alcuni millesimi di centimetro
nell'alluminio, e le particelle beta, caratterizzate da un potere penetrante
100 volte maggiore. Esperimenti successivi, nei quali la radiazione venne
sottoposta a campi elettrici e magnetici, rivelarono la presenza di una terza
componente ad alta energia, i raggi gamma. In un campo elettrico le particelle
beta vengono fortemente deflesse verso il polo positivo, quelle alfa sono
deflesse in misura minore verso il polo negativo, mentre la traiettoria dei
raggi gamma non risente dell'effetto del campo. Ne deriva che le particelle
beta sono dotate di carica negativa, le particelle alfa trasportano cariche
positive (e hanno massa maggiore delle particelle beta) e i raggi gamma sono
elettricamente neutri.
La
scoperta che il radio decade producendo radon fu la prova conclusiva che il
decadimento radioattivo è accompagnato da una trasformazione chimica dell'elemento
instabile. Esperimenti sulla deflessione dei raggi alfa in un campo elettrico
permisero di stimare il valore del rapporto tra carica e massa delle particelle
alfa, che risultò circa la metà di quello dello ione idrogeno. Da ciò i fisici
dedussero che queste particelle sono composte da atomi di elio ionizzati (privati
di due elettroni). Lo ione elio, infatti, ha massa quadrupla rispetto allo
ione idrogeno e, quindi, il rapporto carica/massa è circa metà di quello dello
ione idrogeno. La validità di questa ipotesi fu confermata da Rutherford:
egli fece decadere una sorgente alfa vicino a un vaso di vetro sottile in
cui era stato praticato il vuoto; le particelle alfa potevano attraversare
il vetro e quindi rimanevano intrappolate nel vaso, nel quale dopo pochi giorni
si rivelava la presenza di elio. In seguito si dimostrò che le particelle
beta sono elettroni e che i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche
ad alta energia.
La scoperta della radioattività segnò l'inizio di una serie di sistematiche
ricerche sulla natura dei costituenti della materia.
Nel 1911, a seguito degli esperimenti di diffusione di particelle
alfa da parte di lamine metalliche, Rutherford ipotizzò che l'atomo fosse
composto da un nucleo centrale nel quale era concentrata la maggior parte
della massa, mentre gli elettroni orbitavano intorno al nucleo stesso, coprendo
una regione di spazio circa 10.000 volte maggiore, che perciò risultava pressochè
vuota.
Da allora, l'ipotesi nucleare si è sviluppata in una teoria complessa
della struttura atomica, che spiega in modo soddisfacente l'intero fenomeno
della radioattività. Si è trovato che l'atomo è costituito da un denso nucleo
centrale, circondato da una nuvola di elettroni; a sua volta il nucleo è composto
da protoni, di numero pari a quello degli elettroni (per bilanciarne la carica
negativa), e da neutroni, che sono particelle neutre aventi approssimativamente
la stessa massa dei protoni.
Una particella alfa è composta da due neutroni e due protoni e pertanto
può essere emessa solo dal nucleo di un atomo. Quando un nucleo decade perdendo
una particella alfa, si forma un nuovo nucleo, più leggero del precedente.
Un isotopo dell'uranio con numero di massa 238, ad esempio, si trasforma nell'atomo
dell'elemento con numero di massa 234, avente due protoni e due neutroni in
meno, ovvero in un isotopo del torio. Il torio 234 è a sua volta un elemento
instabile e decade con emissione di particelle beta. L'emissione è dovuta
alla trasformazione di un neutrone in un protone, per cui comporta un aumento
della carica nucleare (o equivalentemente numero atomico) di un'unità. Poiché
la massa dell'elettrone è trascurabile rispetto a quella dei nucleoni, l'isotopo
che proviene dal decadimento del torio 234 ha numero di massa 234 e numero
atomico 91 ed è pertanto un isotopo del protattinio.
Radiazione alfa, beta e gamma
Nei
decadimenti alfa e beta vengono di solito emessi quasi simultaneamente anche
raggi gamma. Questi ultimi non posseggono né carica né massa, quindi la loro
emissione non causa un cambiamento delle proprietà chimiche dell'atomo, ma
solo la perdita di una determinata quantità di energia sotto forma di radiazione.
L'emissione di raggi gamma è una compensazione da parte del nucleo allo stato
instabile in cui si viene a trovare a seguito dell'emissione di particelle
alfa e beta.
Alcuni isotopi decadono con pura emissione gamma. Questa situazione
si verifica quando un isotopo esiste in due diverse forme, chiamate isomeri
nucleari, che hanno numero atomico e numero di massa identici, ma differente
energia. L'emissione di raggi gamma accompagna la transizione dell'isomero
di alta energia a quello di energia minore. L'isotopo protattinio 234, ad
esempio, esiste in due distinti stati energetici, e l'emissione di raggi gamma
segnala la transizione da uno stato all'altro.
La velocità delle particelle alfa e beta emesse durante un decadimento
è estremamente alta. In particolare, a ciascun isotopo di un elemento chimico
corrisponde una determinata velocità delle particelle emesse: così, le particelle
alfa prodotte dal decadimento del polonio 210 compiono nell'aria un percorso
di circa 4 cm prima di arrestarsi, mentre quelle del polonio 212, nelle medesime
condizioni, viaggiano per 8,5 cm. La misurazione della distanza percorsa dalle
particelle alfa permette dunque di identificare gli isotopi emittenti.
Le particelle beta vengono espulse a velocità molto elevate e quindi
percorrono nella materia distanze maggiori, anche se il meccanismo che ne
determina l'arresto è sostanzialmente simile. Tuttavia, a differenza delle
particelle alfa, quelle beta sono emesse entro un intervallo piuttosto ampio
di velocità, e i nuclidi da cui provengono sono riconoscibili attraverso la
misura di un grafico che riporta il massimo e il valore medio delle velocità.
La distribuzione delle energie delle particelle beta ha reso necessaria l'ipotesi
dell'esistenza di una particella neutra e priva di massa chiamata neutrino,
che accompagna ogni decadimento beta.
I
raggi gamma sono dotati di un elevato potere penetrante, e in alcuni casi
possono attraversare parecchi centimetri di piombo prima di subire un sensibile
rallentamento.
La radiazione alfa, beta e gamma interagisce profondamente con la
materia, provocando una intensa ionizzazione. Questo fenomeno, estremamente
accentuato per le particelle alfa, meno per le beta e ancora meno per le gamma
(essendo radiazione neutra, non riesce a indurre facilmente la ionizzazione),
è particolarmente evidente nei gas. In un centimetro di percorso in aria,
i raggi beta producono da t a z della ionizzazione prodotta dalle particelle
alfa, mentre per i raggi gamma questo valore è ridotto ancora di cento volte.
Sull'effetto ionizzante della radiazione si basa il principio di
funzionamento di molti strumenti, come il contatore di Geiger-Müller e altre
camere a ionizzazione, che vengono usati per misurare le intensità delle singole
radiazioni e le velocità di decadimento delle sostanze radioattive.
La velocità di disintegrazione di un elemento instabile viene misurata
in Curie, dove 1 Curie è uguale al numero di disintegrazioni primarie cui
dà luogo un grammo di radio nell'intervallo di tempo di un secondo. Il valore
è stato determinato sperimentalmente: il risultato, pari a 3,71 × 1010, è stato arrotondato
a 3,7 × 1010 e reso indipendente da ogni successiva
misura.
Vi sono modalità di decadimento radioattivo diverse da quelle sopra
descritte. Alcuni isotopi emettono positroni, ovvero particelle identiche
agli elettroni, ma di carica opposta. Questa emissione viene comunemente considerata
decadimento beta, ma è chiamata emissione "beta più" per distinguerla
da quella più comune di elettroni negativi. Si pensa che l'emissione di positroni
sia dovuta alla conversione, nel nucleo, di un protone in un neutrone, con
la conseguente diminuzione di un'unità del numero atomico.
Un'altra modalità di decadimento, nota come cattura K, consiste nella
cattura da parte del nucleo di uno degli elettroni extra-nucleari più interni,
seguita dalla trasformazione di un protone in un neutrone, con il risultato
della diminuzione di un'unità del numero atomico. Il processo è osservabile
solo attraverso l'emissione di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica
(raggi X) causata dalla rimozione dell'elettrone dalla sua orbita. Questo
tipo di decadimento è responsabile della trasformazione del potassio 40 in
argo, e ciò spiega perché quest'ultimo sia più abbondante nell'atmosfera terrestre
degli altri gas nobili.
L'uranio 235 e altri isotopi degli elementi transuranici artificiali
decadono secondo un processo di fissione spontanea, nel quale il nucleo si
scinde in due frammenti con conseguente emissione di un'enorme quantità di
energia.
A metà degli anni Ottanta, è stato osservato un modo singolare di
decadimento, in cui gli isotopi del radio di massa 222, 223 e 224 emettono
un nucleo di carbonio 14 piuttosto che decadere nel modo consueto con emissione
di radiazione alfa.
Tempo di dimezzamento
Il
decadimento di alcune sostanze, come l'uranio 238 e il torio 232, sembra continuare
indefinitamente senza una sensibile diminuzione del numero di disintegrazioni
al secondo. Altre sostanze radioattive mostrano invece una decisa riduzione
dell'attività di decadimento col passare del tempo; tra queste vi è l'isotopo
torio 234 (originariamente chiamato uranio X), la cui velocità di disintegrazione
si dimezza in 25 giorni. Questo intervallo di tempo, caratteristico di ogni
specie radioattiva, viene detto "tempo di dimezzamento" ed esprime
il tempo nel quale (in media) una determinata quantità di un elemento instabile
si riduce a metà del valore originario. Il tempo di dimezzamento può essere
talmente lungo da non essere misurabile con precisione con i metodi disponibili:
il torio 232, ad esempio, ha un periodo di semitrasformazione di circa 14
miliardi di anni. Spesso, anzichè il tempo di dimezzamento, si indica la "vita
media" di un elemento, che equivale al periodo di tempo necessario affinchè
il numero di atomi si riduca a circa il 37% del suo valore iniziale.
Serie radioattive
Quando
l'uranio 238 decade, emettendo una particella alfa, si forma il torio 234;
questo a sua volta decade con emissione di una particella beta formando il
protattinio 234. Il protattinio 234 emette una particella beta, e si trasforma
in un nuovo isotopo dell'uranio, con numero di massa 234. Quest'ultimo si
disintegra con emissione alfa per formare il torio 230, che a sua volta decade
emettendo delle particelle alfa e formando il radio 226.
Questa serie radioattiva, chiamata serie dell'uranio, prosegue in
modo analogo, e attraverso ulteriori cinque emissioni alfa e quattro emissioni
beta, arriva al prodotto finale, un isotopo non radioattivo (stabile) del
piombo, con numero atomico 82 e numero di massa 206. Ogni elemento della tavola
periodica situato fra l'uranio e il piombo è rappresentato in questa serie,
e ogni nuclide è caratterizzato dal suo caratteristico tempo di dimezzamento.
I membri della serie hanno tutti una caratteristica comune: i loro numeri
di massa (divisibili esattamente per quattro, una volta che sia stato loro
sottratto il numero 2) possono essere espressi dalla semplice formula 4n +
2, dove n è un numero intero.
Altre serie naturali sono quella del torio, detta serie 4n perché
i numeri di massa di tutti i suoi membri sono esattamente divisibili per 4,
e quella dell'attinio, o serie 4n + 3. Il capostipite della serie del torio
è l'isotopo torio 232 e il suo elemento finale è l'isotopo stabile piombo
208. La serie dell'attinio comincia con l'uranio 235 (chiamato attinuranio
dai primi ricercatori) e si conclude col piombo 207.
Una quarta serie, la serie 4n + 1, nella quale tutti i membri sono
radioisotopi artificiali, è stata scoperta in anni recenti: il termine iniziale
è l'isotopo curio 241, l'elemento finale è il bismuto 209 e contiene l'isotopo
dell'elemento plutonio a più lungo tempo di dimezzamento.
Datazioni
Il
fenomeno della radioattività naturale, ovvero del decadimento di specie atomiche
instabili esistenti in natura, permette di stabilire l'età del nostro pianeta.
Un metodo di datazione delle rocce si basa sul decadimento dell'uranio
e del torio; il processo di disintegrazione di questi due elementi è iniziato
fin dalla formazione dei loro minerali e ha prodotto particelle alfa che sono
rimaste intrappolate (come atomi di elio) all'interno delle rocce stesse.
Determinando accuratamente le quantità relative di elio, uranio e torio contenute
in una roccia è possibile calcolare da quanto tempo è in atto il processo
di decadimento, e quindi l'età della roccia.
Un altro metodo è basato sulla determinazione dei rapporti tra le
concentrazioni degli elementi iniziali e finali delle serie radioattive; in
particolare si misura il rapporto tra uranio 238 e piombo 206 o tra torio
232 e piombo 208 presenti nella roccia.
Questi e altri metodi attribuiscono alla Terra un età di circa 4,65 miliardi di anni, valore confermato sia dall'analisi di meteoriti cadute sulla superficie terrestre, sia dai campioni di rocce lunari prelevate dall'Apollo 11 – durante l'allunaggio del luglio 1969 – che forniscono un età molto simile anche per tutti gli altri pianeti del sistema solare.
Tutti gli isotopi, esistenti allo stato naturale, di elementi situati
nella tavola periodica oltre il bismuto sono radioattivi; inoltre in natura
esistono isotopi radioattivi di bismuto, tallio, vanadio, indio, neodimio,
gadolinio, afnio, platino, piombo, renio, lutezio, rubidio, potassio, idrogeno,
carbonio, lantanio e samario. Nel 1919 Rutherford scoprì che alcuni isotopi
naturali stabili potevano venire trasformati in specie isotopiche instabili
per mezzo di reazioni nucleari provocate. Bombardando azoto ordinario gassoso
(azoto 14) con particelle alfa, egli realizzò la prima reazione nucleare indotta
artificialmente: trovò che i nuclei di azoto catturano le particelle alfa
ed emettono un protone ad altissima velocità, trasformandosi infine nell'isotopo
stabile dell'ossigeno di numero di massa 17. Il processo può essere descritto
mediante la reazione: ¨N+¸He→©O+§H dove, come è convenzione, i numeri atomici dei
nuclidi sono riportati in basso a sinistra accanto ai simboli chimici, mentre
il numero di massa è scritto in alto a sinistra; la particella alfa e il protone
che partecipano alla reazione sono rappresentati rispettivamente come un nucleo
di elio e un nucleo di idrogeno.
Solo nel 1933, però, fu dimostrato che tali reazioni nucleari possono
condurre alla formazione di nuclidi radioattivi. Fu in quell'anno appunto
che i chimici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie prepararono la prima
sostanza radioattiva artificiale bombardando l'alluminio con particelle alfa.
I nuclei di alluminio catturano le particelle alfa ed emettono neutroni, trasformandosi
in un isotopo del fosforo, che in un intervallo di tempo relativamente breve
decade con emissione di positroni. I Joliot-Curie produssero pure un isotopo
dell'azoto a partire dal boro e un isotopo dell'alluminio partendo dal magnesio.
Da allora sono state scoperte numerose reazioni nucleari, e tutti
i nuclei degli elementi della tavola periodica sono stati bombardati con diverse
particelle: particelle alfa, protoni, neutroni, deutoni (nuclei di deuterio,
l'isotopo dell'idrogeno di massa 2). Il risultato di questa intensa attività
di ricerca è l'attuale conoscenza di oltre 400 sostanze radioattive artificiali.
Un notevole impulso a questi studi venne dalla costruzione degli acceleratori
di particelle, che accelerano le particelle proiettile a velocità enormi,
aumentando così la probabilità della loro cattura da parte dei nuclei bersaglio.
Lo studio delle reazioni nucleari e le ricerche sulla radioattività
artificiale, specie fra gli elementi pesanti, sono all'origine della scoperta
della fissione nucleare e del conseguente sviluppo della bomba atomica. Queste
ricerche hanno però trovato applicazioni anche nel settore scientifico, industriale
e militare. Sono stati scoperti elementi chimici che non esistono in natura
e, grazie allo sviluppo dei reattori nucleari, sono stati prodotti radioisotopi
di quasi tutti gli elementi della tavola periodica, utilizzati principalmente
(come sorgente di radiazione e come traccianti) nella ricerca chimica, biologica
e medica.
Particolarmente
importante tra gli isotopi radioattivi artificiali è il carbonio 14, che ha
periodo di dimezzamento di 5730 ± 40 anni. La disponibilità di questa sostanza
ha permesso lo studio di numerosi aspetti dei processi biologici, ad esempio
la fotosintesi. Inoltre, una piccola quantità di carbonio 14 è presente nell'atmosfera
terrestre e tutti gli organismi viventi ne assorbono tracce durante la loro
vita. Dopo la morte, questo assorbimento cessa, e la concentrazione del carbonio
radioattivo diminuisce rispetto ai valori iniziali. Stime dell'età dei reperti
archeologici, come ossa e mummie, sono state possibili mediante misurazioni
della concentrazione del carbonio 14 in essi contenuta.
Nell'analisi
per attivazione con neutroni, un campione è reso radioattivo mediante bombardamento
con neutroni in un reattore nucleare: le impurità della sostanza in esame,
non rivelabili con altri mezzi, vengono trovate analizzando il tipo particolare
di radioisotopi prodotti nel processo. Altre applicazioni degli isotopi radioattivi
si hanno nella terapia medica, nella radiografia industriale e in dispositivi
particolari come le sorgenti di luce fosforescente, gli eliminatori statici,
i misuratori di spessore e le batterie nucleari.
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