Radioattività: descrizione ed ambiti di utilizzo

Di Barbara Leone.

Con il termine radioattività si intende la disintegrazione spontanea o provocata di un nucleo atomico, accompagnata dall'emissione di particelle subatomiche e di radiazioni elettromagnetiche. Il fenomeno della radioattività spontanea o naturale è stato scoperto nel 1896 da H. Becquerel che ha osservato che un sale di uranio, pur avvolto in una carta opaca, emetteva radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica posta nelle sue vicinanze. Il progresso più importante è legato agli studi dei coniugi Curie

Con il termine radioattività si intende la disintegrazione spontanea o provocata di un nucleo atomico, accompagnata dall'emissione di particelle subatomiche e di radiazioni elettromagnetiche. La radioattività residua è la radioattività provocata in un materiale per effetto di un irraggiamento radioattivo e che permane anche quando cessa l'irraggiamento. Il fenomeno della radioattività spontanea o naturale fu scoperto nel 1896 da H. Becquerel che ebbe occasione di osservare che un sale di uranio, pur avvolto in una carta opaca, emette radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica posta nelle sue vicinanze. Più tardi si scoprì che anche il torio è radioattivo ma il progresso più importante in questo campo è legato alle indagini dei coniugi Curie che nel 1898 trovarono che la pechblenda, un particolare minerale dell'uranio, presenta un'attività sensibilmente più intensa, a parità di massa, di un sale puro di uranio.

Gli elementi radioattivi vengono classificati in quattro famiglie:
- famiglia dell'uranio o del radio: inizia con l'uranio 238 e, attraverso processi successivi di decadimento, dà luogo a una successione di elementi radioattivi che finisce al piombo 206, stabile;
- famiglia dell'attinio: inizia con l'uranio 235 e si conclude con il piombo 207;
- famiglia del torio: inizia con il torio 232 e si conclude con il piombo 208;
- famiglia del nettunio: risultato di reazioni prodotte artificialmente, inizia con il nettunio 237 e termina con il bismuto 209.

In queste famiglie avvengono processi di decadimento con caratteristiche diverse:
- la radioattività alfa consiste nell'emissione di nuclei di elio (particelle alfa) costituiti da due neutroni e due protoni. Questo processo riduce di due unità la carica positiva del nucleo e origina un nuovo elemento che precede di due caselle, nella tavola periodica, quello di partenza;
- la radioattività beta consiste nell'emissione di un elettrone positivo o negativo. Questo processo altera di un'unità la carica del nucleo e produce un nuovo elemento che precede o segue quello di partenza di una casella nella tavola periodica;
- la radioattività gamma consiste nell'emissione di un quanto di radiazione elettromagnetica. Questo processo fa passare un nucleo, che inizialmente si trova in uno stato eccitato, in un nuovo stato meno eccitato o stabile.

In un dato elemento campione i singoli processi radioattivi si susseguono con una frequenza statistica che può essere più o meno elevata e che dipende esclusivamente dalla natura del materiale e non dalle condizioni fisiche e chimiche in cui si trova. Si chiama periodo o tempo di dimezzamento l'intervallo di tempo necessario affinché la metà dei nuclei presenti nel campione si sia disintegrata. Si tratta di una grandezza che può assumere valori molto diversi al variare dell'elemento: si sono misurati periodi che vanno da un millesimo di miliardesimo di secondo fino a miliardi di anni. Il fenomeno della radioattività artificiale è stato scoperto nel 1934 dai coniugi Joliot-Curie. Numerosi sono i procedimenti che consentono di produrre radioisotopi artificiali: tra i più importanti occorre citare quello scoperto e studiato da E. Fermi e dai suoi collaboratori, fondato sull'interazione tra nuclei e neutroni.

Praticamente tutti i campi della scienza e della tecnica fanno uso di isotopi radioattivi per studiare ed eventualmente modificare le strutture, il comportamento di moltissime sostanze, di cellule, di tessuti e di organismi viventi. Tra le più note applicazioni della radioattività sono quelle mediche, che formano l'oggetto della radiologia. Con l'ausilio di sostanze marcate è possibile investigare il metabolismo di sostanze alimentari, farmaci, ecc. Lo studio dei fenomeni chimici indotti dalle radiazioni forma l'oggetto della radiochimica. Uno dei più interessanti campi di applicazione, nell'ambito della biologia, è quello della genetica, che sfrutta le radiazioni come agenti mutageni. Provocando infatti mutazioni cromosomiche mediante irradiazione si possono costituire varietà e razze con caratteristiche nuove. Nel campo dell'agronomia si usano le radiazioni per sterilizzare insetti dannosi; questi, successivamente rimessi in libertà, agiscono competitivamente nei confronti di individui fecondi, realizzando una diminuzione della prolificità della specie senza turbare eccessivamente l'equilibrio ecobiologico e soprattutto limitando l'uso di insetticidi. Le radiazioni vengono pure utilizzate per la conservazione di prodotti agricoli.

Alcuni isotopi radioattivi sono usati per studiare le reazioni metallurgiche, il meccanismo della solidificazione dell'acciaio in forma, la diffusione dei metalli, ecc., in particolare, misurando l'attenuazione dei raggi gamma ?nel materiale in questione oppure usando il radioisotopo come tracciante. Questa seconda tecnica permette di seguire, per esempio, la ripartizione di un metallo in una determinata lega, con registrazione fotografica. L'impiego di sorgenti intense di cobalto 60 permette di fare vere radiografie di grossi pezzi metallici per scoprirne gli eventuali difetti interni.

Vengono inoltre realizzati apparecchi per la misurazione del livello di un liquido, viscosimetri e altri dispositivi che sfruttano in modo ingegnoso le proprietà delle radiazioni. Un dispositivo che si basa sull'attenuazione, ad esempio, permette di controllare il livello di un liquido in un recipiente a pareti opache. Un'altra applicazione è il controllo dello spessore di pezzi piatti costruiti in serie, anch'esso per misurazione dell'attenuazione della radiazione, che è funzione dello spessore dello schermo interposto tra la sorgente e il rivelatore.

La radioattività viene utilizzata anche in geologia e nello studio di civiltà antiche. È infatti possibile datare con una certa precisione un oggetto di legno o un tessuto, determinando la quantità di carbonio 14 che contengono. Il metodo si basa sul fatto che il tempo di dimezzamento del carbonio14 è noto (5.730 anni), che la sua concentrazione nell'atmosfera, nell'idrosfera e nella biosfera viene ritenuta costante, che il numero di particelle ?emesse da una sostanza in un dato intervallo di tempo è proporzionale al numero di atomi di carbonio14. Quindi il confronto, mediante un contatore di Geiger, fra l'attività di un campione d'età nota e quella di un campione d'età incognita, consente di determinare l'età di quest'ultimo.