Radioattività in fisica: significato e definizione

Radioattività in fisica: significato e definizione A cura di Brunella Appicciafuoco.

Significato e definizione della radioattività, il processo fisico nucleare del decadimento radioattivo dei nuclei, e la descrizione dei fenomeni più noti

1Il nucleo atomico

Marie Curie (1867 – 1934)
Marie Curie (1867 – 1934) — Fonte: ansa

Con la scoperta della radioattività naturale, che si deve a Marie Curie, gli studiosi del settore iniziarono a concentrarsi sulle proprietà del nucleo atomico poiché tale fenomeno risultava connesso proprio alla struttura interna dell’atomo. Le sostanze radioattive che venivano via via scoperte dovevano essere collocate nella tavola periodica degli elementi.   

 

2Gli isotopi

Tavola periodica
Tavola periodica — Fonte: istock

Il punto chiave che fu individuato consistette nell’aver individuato sostanze che pur essendo caratterizzate da una diversa massa atomica, avevano le stesse proprietà chimiche. Ricordiamo che il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni. Mentre il numero dei protoni, definito numero atomico (Z), è fisso per tutti gli atomi di uno stesso elemento, lo stesso discorso non vale per i neutroni.  

Uno stesso elemento può infatti presentarsi in più forme isotopiche, può cioè essere costituito da atomi che differiscono solo nel numero dei neutroni (N).  

Rappresentazione grafica di un atomo
Rappresentazione grafica di un atomo — Fonte: shutterstock

Gli isotopi (dal greco, stesso luogo) sono quindi costituiti da atomi che hanno lo stesso numero atomico e diverso numero di massa (A), essendo quest’ultimo la somma di protoni e neutroni (A = Z + N). Un nuclide è invece una singola specie atomica caratterizzata da un numero definito di protoni e neutroni.    

Sulla base di queste osservazioni, il chimico inglese Frederick Soddy (1877-1956) fece osservare che quando due strutture atomiche di massa diversa hanno lo stesso numero atomico, rappresentano lo stesso elemento e devono pertanto occupare lo stesso posto nella tavola periodica.     

Massa atomica del cloro
Massa atomica del cloro — Fonte: istock

L’isotopia rappresentò quindi un concetto nuovo che andava a modificare l’ipotesi di partenza secondo cui un elemento chimico fosse formato da atomi completamente indistinguibili: ogni specie atomica risulta infatti costituita da una miscela di nuclei (la maggior parte degli elementi ad oggi conosciuti è infatti formata da due o più isotopi) ovvero da un insieme di nuclidi non perfettamente identici tra loro.   

In generale, la massa media degli isotopi che originano da un particolare elemento viene chiamata ancora massa atomica mentre il numero intero più prossimo alla massa del singolo isotopo prende il nome di numero di massa.   

Figura A - Raggio di un isotopo
Figura A - Raggio di un isotopo — Fonte: redazione

Ad esempio, l’elemento cloro è strutturato da due isotopi aventi numero di massa rispettivamente di 35 e 37. L’elemento è quindi caratterizzato in natura da una massa atomica pari a 35,5.  

Il raggio del nucleo è considerato a simmetria sferica e aumenta all’aumentare del numero di massa. Approssimando, se si assume costante la densità della materia nucleare, il raggio di un isotopo di numero di massa A può essere definito attraverso la relazione presente nella figura A

3Energia di legame dei nuclei

Nell’ipotesi che un nucleo atomico sia formato da nucleoni, è logico pensare che la massa di un nucleo sia uguale alla somma delle masse dei nucleoni che lo compongono. In realtà, la massa di un nucleo è sempre minore della somma delle masse delle particelle costituenti: la differenza di massa è considerata come l’energia che si libera all’atto della formazione del nucleo ed è chiamata energia di legame delle particelle del nucleo.   

Joseph John Thomson, fisico britannico noto per aver scoperto l'elettrone e il protone
Joseph John Thomson, fisico britannico noto per aver scoperto l'elettrone e il protone — Fonte: getty-images

Essa può anche essere intesa come l’energia necessaria per disintegrare un nucleo. L’energia di legame può essere definita come ΔE=Δmc2, essendo Δm la differenza tra la somma delle masse delle particelle del nucleo e la massa del nucleo e c la velocità di propagazione della luce nel vuoto.  

I protoni sono particelle cariche dello stesso segno che si trovano concentrate in una zona molto piccola – il nucleo atomico – e di conseguenza soggette a repulsioni elettrostatiche. Tra tutti i nucleoni (protoni, la cui massa è 1,007276 u; e neutroni, di massa 1,008665 u) esiste anche una forza di natura attrattiva, per cui l’esistenza dei neutroni è fondamentale per la stabilità del nucleo.  

Essi distanziano i protoni abbassandone le repulsioni, sono anche in grado di stabilire delle forti attrazioni. Tra tutti i nucleoni esistono delle particolari forze nucleari di tipo attrattivo con un raggio di azione molto piccolo, dello stesso ordine di grandezza delle particelle stesse.   

Poiché all’interno del nucleo protoni e neutroni vanno progressivamente occupando dei livelli energetici, come si verifica per gli elettroni, alcune disposizioni risultano più stabili di altre.  

Il calcio è presente in natura con 6 isotopi stabili
Il calcio è presente in natura con 6 isotopi stabili — Fonte: istock

In particolare, un nuclide che presenta un numero pari di protoni o di neutroni o di entrambi è favorito energicamente risultando quindi stabile nel tempo. Una particolare stabilità si riscontra per nuclei con un numero di protoni o neutroni pari a 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126. In corrispondenza di tali numeri si ha infatti il completamento di un livello energetico nucleare. Ad esempio, l’ossigeno (Z=8) è presente in natura con tre isotopi stabili; il calcio (Z=20) ne ha sei, mentre lo stagno (Z=50) ne ha ben dieci.  

Al di sopra dell'elemento del bismuto (Z=83) non esistono più nuclidi stabili
Al di sopra dell'elemento del bismuto (Z=83) non esistono più nuclidi stabili — Fonte: istock

Se si costruisce un grafico con il numero atomico Z in ascissa, il numero di neutroni N in ordinata, si potrà osservare come i nuclidi stabili si raggruppano in una fascia. Per valori di Z fino a 20, i nuclidi più stabili sono caratterizzati da un ugual numero di neutroni e protoni (N=Z).   

Al crescere del numero atomico, c’è un discostamento da tale tendenza che indica come sia necessario un numero più alto di neutroni per mantenere stabile il nucleo. Al di sopra del bismuto (Z=83), non esistono più nuclidi stabili, indipendentemente dal numero di neutroni presenti.  

Tutti i nuclidi caratterizzati da valori che li pongono fuori dalla fascia di stabilità sono radioattivi e quindi noti come radionuclidi. Questi si tramutano spontaneamente in altri più stabili, dando così luogo ai differenti tipi di emissione radioattiva.  

4I decadimenti radioattivi

Contenitori di materiale radioattivo
Contenitori di materiale radioattivo — Fonte: istock

Un radionuclide tende a evolvere verso una situazione nucleare in cui vi sia un miglior bilanciamento tra protoni e neutroni o comunque verso un minor contenuto di energia.    

Il decadimento radioattivo è appunto l’insieme dei fenomeni che consentono a un nucleo di arrivare a una maggiore stabilità. Ne esistono diversi tipi, a seconda della composizione del radionuclide. Di seguito vengono descritti brevemente alcuni dei decadimenti radioattivi più noti.   

4.1Decadimento α

Il decadimento α è tipico dei nuclidi molto pesanti (A>200). Consiste nell’emissione di una particella α, ovvero un nucleo di elio formato da due protoni e due neutroni. In seguito all’emissione, si origina un nucleone che rispetto al radionuclide di partenza avrà un numero atomico inferiore di due unità e un numero di massa più piccolo di quattro unità.  

4.2Decadimento β-

Il decadimento β- è invece caratteristico di nuclidi che si trovano alla sinistra della banda di stabilità, che hanno cioè un eccesso di neutroni. In tale situazione un neutrone diventa un protone e viene emesso un elettrone β- accompagnato da un antineutrino elettronico (νe). Il nuclide che si forma avrà dunque un numero atomico maggiore di un’unità mentre il numero di massa resta invariato.  

4.3Decadimento β

Simbolo che indica la presenza di radiazioni
Simbolo che indica la presenza di radiazioni — Fonte: istock

Il decadimento β+ è caratteristico di nuclidi che si trovano alla destra della banda di stabilità, che hanno cioè un numero di neutroni più basso rispetto a quello necessario per assicurare la stabilità. In questo fenomeno si ha la trasformazione di un protone in un neutrone e viene emesso un positrone β+ accompagnato da un neutrino elettronico. Il nucleo che si ottiene ha quindi il numero atomico inferiore di un’unità e numero di massa invariato.   

In molti casi, i nuclei che sono andati incontro ad uno dei decadimenti descritti, rimangono eccitati e tornano al loro stato energetico fondamentale per perdita di un fotone. Poiché tra i livelli energetici nucleari vi sono differenze di energia più elevate di quelle esistenti tra i livelli energetici elettronici, il fotone liberato in questi casi è dotato di altissima energia.   

5La cinetica della radioattività

Una sostanza radioattiva può essere utilizzata per misurare il tempo
Una sostanza radioattiva può essere utilizzata per misurare il tempo — Fonte: istock

La relazione che esprime la velocità di disintegrazione dei nuclidi radioattivi è la seguente: v= λ . N dove λ è la costante di decadimento, caratteristica di una data specie, ed N è il numero dei nuclidi presenti. Un’altra relazione utilizzata per descrivere i decadimenti radioattivi è la seguente: Nt = N0 x e –λt; dove N t e N0 sono rispettivamente il numero dei nuclidi al tempo t e quello dei nuclidi al tempo zero.

La velocità con cui avviene un processo di decadimento è espressa frequentemente con il tempo di dimezzamento T ½ ovvero l’intervallo di tempo necessario affinché una data quantità di radionuclide si dimezzi. In questo senso una sostanza radioattiva, essendo caratterizzata da una propria vita media, può essere utilizzata come misuratore di tempo. 

Figura B - Legge di decadimento radioattivo
Figura B - Legge di decadimento radioattivo — Fonte: redazione

Se ad esempio una roccia contiene 238U la sua età può essere fatta risalire all’ordine di grandezza della della vita media dell’elemento radioattivo in questione. Tra la costante di decadimento e il tempo di dimezzamento esiste la relazione:     

T ½= 0,693/λ    

e quindi la legge di decadimento radioattivo può essere espressa come mostrato nella figura B.     

6Le famiglie radioattive naturali

Jöns Jacob Berzelius, chimico svedese che scoprì il torio
Jöns Jacob Berzelius, chimico svedese che scoprì il torio — Fonte: ansa

Il nuclide che si forma in un decadimento non è necessariamente stabile. Esso può infatti decadere dando luogo ad un nuovo nuclide che, a sua volta, può essere radioattivo e così via. Un radionuclide può quindi rappresentare il capostipite di una famiglia radioattiva

I più importanti radioisotopi presenti in natura possono infatti essere raggruppati in tre famiglie radioattive che prendono il nome dal proprio capostipite.

Attinio, capostipite della famiglia radioattiva
Attinio, capostipite della famiglia radioattiva — Fonte: istock

La famiglia dell’uranio ha come capostipite 238 92 U che, attraverso decadimenti α e β- si conclude con la formazione di 206 82Pb. La famiglia del torio è costituita dai radionuclidi che si ottengono a partire dal 232 90 Th e si conclude con la formazione del 208 82 Pb. Infine, la famiglia dell’attinio ha come capostipite 235 92 U e termina con il 207 82 Pb.   

In natura sono comunque presenti anche radioisotopi che non fanno parte di queste famiglie. Alcuni di questi si formano per azione dei raggi cosmici sugli elementi presenti negli strati più alti dell’atmosfera, dove si mantengono in quantità costante, nonostante essi decadano, grazie alla loro formazione continua

Senza la scoperta dei Curie la maggior parte delle attuali nostre cognizioni in fatto di radioattività ci mancherebbe ancora, e chissà per quanto tempo.

Augusto Righi