La radioattività, o decadimento radioattivo, è un insieme di processi fisico-nucleari attraverso i quali alcuni nuclei atomici instabili (radionuclidi) decadono trasmutandosi in altri nuclei aventi energia inferiore emettendo radiazioni ionizzanti. Questi processi avvengono in accordo con i principi di conservazione della massa-energia, della quantità di moto e del momento angolare.
I decadimenti radioattivi seguono la legge matematica nota come andamento esponenziale negativo, secondo la quale esiste per ciascuno di essi un tempo caratteristico che viene di solito espresso come vita media o come emivita (o tempo di dimezzamento) di quella specie radioattiva. Vita media ed emivita sono quantità tra loro proporzionali: l'una o l'altra possono essere usate per descrivere la rapidità del processo di decadimento e godono entrambe della proprietà di non dipendere dalla quantità iniziale della specie radioattiva.
Il processo di decadimento continua più o meno velocemente nel tempo finché gli elementi via via prodotti, eventualmente a loro volta radioattivi, non raggiungono una condizione di stabilità attraverso la cosiddetta catena di decadimento.. La radioattività ha consentito lo sviluppo di numerose tecnologie nucleari impiegate principalmente in ambito medico (medicina nucleare), industriale, militare e agricolo.
Storia
La scoperta dei raggi X avvenne da parte di Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895. Nel 1896 Antoine Henri Becquerel, durante uno studio sulle relazioni intercorrenti tra fosforescenza e raggi X, scoprì la radioattività naturale dell'uranio. Nel 1898 Marie Curie e Pierre Curie scoprirono, selezionando la pechblenda, (in italiano nota come uraninite) gli elementi radioattivi polonio e radio.
Gli esperimenti di Becquerel consistevano nell'esporre alla luce del sole una sostanza fosforescente disposta su un involucro di carta opaco in cui vi era una lastra fotografica destinata a rivelare l'emissione non luminosa della sostanza. La scelta cadde sul solfato di uranio, che sviluppava una fosforescenza molto viva. Gli esperimenti mostravano che la lastra fotografica veniva impressionata dopo una debita illuminazione, il che confermava l'ipotesi di Becquerel. Ben presto, però, Becquerel osservò un fenomeno del tutto nuovo e inatteso: si accorse che la lastra veniva impressionata anche al buio. Becquerel, quindi, ipotizzò che la sostanza continuasse ad emettere radiazioni derivate dall'illuminazione anche dopo la fine dell'esposizione ai raggi solari. Dopo ripetuti esperimenti con materiali diversi, verificò che le radiazioni non dipendevano dalla caratteristica della fosforescenza della sostanza, ma dal materiale.
Questa scoperta aprì un nuovo filone di ricerca orientata a determinare l'eventuale presenza in natura di altri elementi che presentassero la stessa proprietà dell'uranio e, soprattutto, la natura di ciò che veniva emesso.
Fu Marie Curie che iniziò a misurare la radiazione dell'uranio mediante la piezoelettricità, scoperta dal marito Pierre in collaborazione con suo fratello Jacques, facendo ionizzare l'aria tra due elettrodi e provocando il passaggio di una piccola corrente, di cui misurava l'intensità in rapporto alla pressione su un cristallo necessaria a produrre un'altra corrente di intensità tale da bilanciare la prima. Il sistema ideato funzionò, tanto che Pierre Curie abbandonò il suo lavoro per affiancare la moglie in tali ricerche. Fu proprio Marie a proporre il termine radioattività per indicare la capacità dell'uranio di produrre radiazioni e dimostrò la presenza di tale radioattività anche in un altro elemento: il torio. Con il marito Pierre, saggiando il contenuto di uranio della pechblenda al fine di raffinare tale elemento, rilevò che alcuni campioni erano più radioattivi di quanto lo sarebbero stati se costituiti di uranio puro e ciò implicava che nella pechblenda fossero presenti elementi in quantità minime non rilevate dalla normale analisi chimica e che la loro radioattività fosse molto elevata.
Il passo successivo fu quello di esaminare tonnellate di pechblenda (delle miniere di Joachimstal in Cecoslovacchia), che vennero stipate in una baracca nella quale era stata installata un'officina e, nel 1898, si isolò una piccola quantità di polvere nera avente radioattività pari a circa 400 volte quella di un'analoga quantità di uranio. In tale polvere era contenuto un nuovo elemento dalle caratteristiche simili al tellurio (sotto il quale venne successivamente sistemato nella tavola periodica), che fu chiamato polonio in onore della Polonia, paese natale di Marie. La scoperta fu annunciata dal suo amico Gabriel Lippmann con una nota all'Accademia delle Scienze di Parigi. L'ulteriore lavoro conseguente al rilievo che quest'ultimo elemento, il polonio, non potesse giustificare gli alti livelli di radioattività rilevati, condusse, sempre nel 1898, alla scoperta di un elemento ancor più radioattivo del polonio, avente proprietà simili al bario e dal quale fu separato mediante cristallizzazioni frazionate, che fu chiamato radio, dal latino radium, ovvero "raggio". Anche tale scoperta fu oggetto di una nota scritta in collaborazione con Gustave Bémont, che aveva lavorato con i coniugi Curie. Il resoconto di tale lavoro divenne nel 1903 la tesi di dottorato di Marie Curie.
Ai tempi della scoperta non si conoscevano gli effetti nocivi sulla salute delle radiazioni, e agli inizi del secolo furono reclamizzati tanti prodotti additivati con radio, decantandone proprietà salutari. La stessa Marie Curie negò sempre la sua pericolosità, mentre oggi i suoi abiti, libri e strumenti sono avvicinabili dagli studiosi solo con le dovute protezioni radiologiche.
Descrizione
Stabilità
Ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni, neutroni e da un numero di elettroni che gli orbitano intorno, equivalente a quello dei protoni. Essendo tutti carichi positivamente i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb e, se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili. A rendere invece stabili i nuclei atomici è la cosiddetta forza nucleare forte.
Quando le forze all'interno del nucleo non sono però perfettamente bilanciate (ovvero il nucleo è instabile) questo tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l'emissione di una o più particelle.
Molti dei nuclidi esistenti in natura sono stabili, però alcuni nuclidi naturali e buona parte di quelli artificiali sono instabili. Tale instabilità induce la spontanea trasformazione, cioè decadimento, in altri nuclidi; questa si accompagna con l'emissione di particelle subatomiche. I nuclidi soggetti a decadimento sono chiamati nuclidi radioattivi, radionuclidi o, con riferimento all'elemento chimico di appartenenza, radioisotopi. La disintegrazione (o decadimento radioattivo) comporta la trasformazione di un atomo radioattivo in un altro atomo, il quale può essere anch'esso radioattivo oppure stabile.
La maggior parte dei nuclidi teoricamente possibili è instabile, solo una stretta fascia di rapporti Z/A (numero atomico su numero di massa, cioè numero di protoni su somma di neutroni e protoni) risulta invece stabile. In particolare, per numeri atomici bassi (fino a circa Z=20) sono stabili gli isotopi che hanno un rapporto Z/A di circa ½ (cioè hanno lo stesso numero di protoni e neutroni); per atomi più pesanti il numero di neutroni deve eccedere leggermente il numero di protoni. Per Z > 82 non ci sono isotopi stabili.
Meccanismo
Storicamente (in seguito agli studi di Ernest Rutherford) i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi principali: decadimento alfa decadimento beta decadimento gamma
A questa prima classificazione, in seguito a ulteriori investigazioni sul fenomeno, si sono aggiunte l'emissione di neutroni, la cattura elettronica, l'emissione di protoni e la fissione spontanea. Mentre il decadimento alfa e il decadimento beta cambiano il numero di protoni nel nucleo e quindi il numero di elettroni che vi orbitano attorno (cambiando così la natura chimica dell'atomo stesso), il decadimento gamma avviene fra stati dello stesso nucleo e comporta solo la perdita di energia.
Vita media
Il momento esatto in cui un atomo instabile decadrà in uno più stabile è ritenuto casuale e impredicibile. Ciò che si può fare, dato un campione di un particolare isotopo, è notare che il numero di decadimenti rispetta una precisa legge statistica. L'attività, cioè il numero di decadimenti che ci si aspetta avvenga in un intervallo dt, è proporzionale al numero N di atomi (o nuclei) presenti.
Sia un elevato numero di nuclei radioattivi (radionuclidi) di una data sostanza al tempo , la funzione di nuclei che decade nell'intervallo di tempo infinitesimo è data da
dove è detta costante di decadimento; è caratteristica della sostanza in questione e rappresenta il numero medio di decadimenti del singolo nucleo nell'unità di tempo. La variazione del numero di nuclei nell'intervallo è data da
da cui l'attività risulta essere
che è un'equazione differenziale del primo ordine. La soluzione fornisce il numero di nuclei non ancora decaduti al tempo ,
che rappresenta un decadimento esponenziale. Bisogna notare che questa rappresenta solamente una soluzione approssimata, in primo luogo perché rappresenta una funzione continua, mentre l'evento fisico reale assume valori discreti, poiché descrive un processo casuale, solo statisticamente vero. Comunque, poiché nella gran parte dei casi N è estremamente grande, la funzione fornisce un'ottima approssimazione.
Oltre alla costante di decadimento λ il decadimento radioattivo è caratterizzato da un'altra costante chiamata vita media. Ogni atomo vive per un tempo preciso prima di decadere e la vita media rappresenta appunto la media aritmetica sui tempi di vita di tutti gli atomi della stessa specie. La vita media viene rappresentata dal simbolo τ, legato a λ dalla: . Un altro parametro molto usato per descrivere un decadimento radioattivo è dato dalla emivita o tempo di dimezzamento t½. Dato un campione di un particolare radionuclide, il tempo di dimezzamento ci dice dopo quanto tempo saranno decaduti un numero di atomi pari alla metà del totale ed è legato alla vita media dalla relazione: .
Queste relazioni ci permettono di vedere che molte delle sostanze radioattive presenti in natura sono ormai decadute, e quindi non sono più presenti in natura, ma possono essere prodotte solo artificialmente. Per avere un'idea degli ordini di grandezza in gioco, si può dire che la vita media dei vari radionuclidi può variare da 109 anni fino a 10−12 secondi.
L'insieme degli elementi ottenuti per decadimenti successivi costituisce una famiglia radioattiva. In natura esistono tre famiglie radioattive principali: la famiglia del radio (di cui fa parte l'U-238 e per questo talvolta chiamata anche serie dell'uranio), quella dell'attinio e quella del torio.
Misura della radioattività La radioattività si misura mediante l'attività dell'isotopo che la genera. L'attività si misura in: Becquerel Rutherford Curie (obsoleto) GRapi (mineralogia) Sievert Gray (unità di misura) Rad (unità di misura) Röntgen (unità di misura)
Fonti di radioattività