Radioattività

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Introduzione

Radioattività Proprietà di alcuni nuclei atomici di subire trasformazioni spontanee mediante l’emissione di particelle subatomiche o di onde elettromagnetiche estremamente penetranti. Il fenomeno fu scoperto nel 1896 dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel, il quale osservò accidentalmente che i sali di uranio emettevano radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica, nonostante questa fosse protetta da uno schermo opaco ai raggi luminosi.

Per definizione, una specie nucleare (un nuclide) si dice radioattiva se subisce trasformazioni spontanee in tempi inferiori a 10¹⁰ anni; altrimenti è considerata stabile. Nel complesso dei nuclidi esistenti in natura, la maggior parte di quelli stabili con il numero di massa A minore di 50 ha un numero di neutroni (N) circa uguale a quello di protoni (Z), mentre quelli con A maggiore di 50 hanno un numero di neutroni leggermente maggiore di quello di protoni. Inoltre, la massima stabilità si osserva per i nuclidi caratterizzati da Z ed N entrambi pari.

I nuclei stabili possono diventare radioattivi se sottoposti a opportuna sollecitazione, ad esempio mediante il bombardamento con particelle alfa o neutroni. In questo caso si parla di radioattività indotta o artificiale.

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I primi studi sulla radioattività

Le ricerche iniziate da Becquerel furono riprese dagli scienziati francesi Pierre e Marie Curie, i quali nel 1898 scoprirono che la proprietà di emettere radiazioni penetranti non dipende dallo stato chimico o fisico di un elemento, ma è intrinseca di alcuni nuclidi, e diedero al fenomeno il nome di radioattività. Analizzando l’intensità della radiazione emessa per mezzo di una camera di ionizzazione, essi riconobbero che la pechblenda aveva un’attività maggiore dei sali usati da Becquerel. Poiché al tempo non si conoscevano elementi sufficientemente radioattivi da giustificare l’intensità delle emissioni osservate, i due coniugi dedussero che il minerale analizzato conteneva, oltre all’uranio, altre sostanze ignote estremamente instabili; scoprirono quindi due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio.

La radioattività del torio venne osservata successivamente dalla stessa Marie Curie, mentre quelle dell’attinio e del radon vennero scoperte nel 1899 rispettivamente dal chimico francese André-Louis Debierne e dai fisici britannici Ernest Rutherford e Frederick Soddy.

A Rutherford si deve inoltre la prima distinzione operata nell’ambito delle emissioni radioattive: egli riconobbe la differenza tra le particelle alfa, che penetrano solo per alcuni millesimi di centimetro nell’alluminio, e le particelle beta, caratterizzate da un potere penetrante cento volte maggiore. Esperimenti successivi, fondati sull’osservazione delle radiazioni in presenza di campi elettrici e magnetici, rivelarono l’esistenza di una terza componente ad alta energia, quella costituita dai raggi gamma.

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Legge del decadimento radioattivo

Oggi si conoscono diversi tipi di decadimento radioattivo; differiscono per modalità di attuazione, energia e forze coinvolte, ma seguono tutti la stessa legge di decadimento. Si tratta di una funzione esponenziale, che permette di calcolare, dato un campione con un numero iniziale di nuclei instabili N₀, il numero di nuclei decaduti N(t) al tempo t:

N(t) = N₀ e^-λt

Il parametro λ, chiamato costante di decadimento, è specifico per ogni nuclide e determina la velocità del processo di trasformazione.

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Tempo di dimezzamento

Dalla legge del decadimento radioattivo deriva la definizione del tempo di dimezzamento, un parametro comunemente utilizzato per valutare la velocità di decadimento di una specie radioattiva. Definito come il tempo necessario perché il numero di nuclidi instabili di un campione si dimezzi, è dato da:

T_1/2 = (ln 2)/λ,

dove ln rappresenta il logaritmo naturale, o logaritmo in base e. Il tempo di dimezzamento può variare molto da nuclide a nuclide: esistono specie radioattive con valori di T_1/2 dell’ordine del secondo, e altre con valori dello stesso parametro paragonabili all’età della Terra. Ad esempio, lo iodio 131 ha un tempo di dimezzamento di circa 8 giorni, il cobalto 60 di 5,3 anni e l’uranio 238 di 4,5 miliardi di anni.

Spesso, in luogo del tempo di dimezzamento, si indica la “vita media” di un radionuclide, che equivale al periodo di tempo necessario affinchè il numero di nuclei instabili si riduca a circa il 37% del suo valore iniziale (vedi Emivita).