La radioattività è l’emissione di radiazione da nuclei instabili. Questa radiazione può esistere sotto forma di particelle subatomiche (principalmente particelle alfa e beta) o sotto forma di energia (principalmente raggi gamma).
La radioattività fu scoperta accidentalmente nel 1896 dal fisico francese Henri Becquerel (1852-1908). Nei decenni che seguirono la scoperta di Becquerel, la ricerca sulla radioattività produsse scoperte rivoluzionarie nella nostra comprensione della natura della materia e portò a una serie di importanti applicazioni pratiche. Queste applicazioni includono una serie di nuovi dispositivi e tecniche che vanno dalle armi nucleari e dalle centrali nucleari alle tecniche mediche che possono essere utilizzate per la diagnosi e il trattamento di gravi malattie.
Nuclei stabili e instabili
Il nucleo di tutti gli atomi (ad eccezione dell’idrogeno) contiene uno o più protoni e uno o più neutroni. Il nucleo della maggior parte degli atomi di carbonio, per esempio, contiene sei protoni e sei neutroni. Nella maggior parte dei casi, i nuclei degli atomi sono stabili, cioè non subiscono cambiamenti da soli. Un nucleo di carbonio avrà esattamente lo stesso aspetto tra cento anni (o tra un milione di anni) come lo ha oggi.
Ma alcuni nuclei sono instabili. Un nucleo instabile è un nucleo che subisce qualche cambiamento interno spontaneamente. In questo cambiamento, il nucleo emette una particella subatomica, o un’esplosione di energia, o entrambi. Per esempio, un isotopo del carbonio, il carbonio-14, ha un nucleo composto da sei protoni e otto neutroni (invece di sei). Un nucleo che emette una particella o energia si dice che subisce un decadimento radioattivo, o semplicemente un decadimento.
Parole da sapere
Particella alfa: Il nucleo di un atomo di elio, composto da due protoni e due neutroni.
Particella beta: Un elettrone emesso da un nucleo atomico.
Raggio gamma: Una forma di radiazione elettromagnetica ad alta energia.
Isotopi: Due o più forme di un elemento con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni nei loro nuclei atomici.
Nucleo (atomico): Il nucleo di un atomo, solitamente costituito da uno o più protoni e neutroni.
Decadimento radioattivo: Il processo per cui un nucleo atomico emette radiazioni e si trasforma in un nuovo nucleo.
Famiglia radioattiva: Un gruppo di isotopi radioattivi in cui il decadimento di un isotopo porta alla formazione di un altro isotopo radioattivo.
Nucleo stabile: Un nucleo atomico che non subisce alcun cambiamento spontaneamente.
Particella subatomica: Unità di base della materia e dell’energia (protone, neutrone, elettrone, neutrino e positrone) più piccola di un atomo.
Nucleo instabile: Un nucleo atomico che subisce qualche cambiamento interno spontaneamente.
Gli scienziati non sono del tutto chiari su cosa rende un nucleo instabile. Sembra che alcuni nuclei contengano un numero eccessivo di protoni o neutroni o una quantità eccessiva di energia. Questi nuclei ripristinano quello che per loro deve essere un giusto equilibrio di protoni, neutroni ed energia emettendo una particella subatomica o un’esplosione di energia.
In questo processo, il nucleo cambia la sua composizione e può effettivamente diventare un nucleo completamente diverso. Per esempio, nel suo tentativo di raggiungere la stabilità, un nucleo di carbonio-14 emette una particella beta. Dopo che il nucleo di carbonio-14 ha perso la particella beta, è composto da sette protoni e sette neutroni. Ma un nucleo composto da sette protoni e sette neutroni non è più un nucleo di carbonio. Ora è il nucleo di un atomo di azoto. Emettendo una particella beta, l’atomo di carbonio-14 si è trasformato in un atomo di azoto.
Tipi di radiazione
Le forme di radiazione più comunemente emesse da un nucleo radioattivo sono chiamate particelle alfa, particelle beta e raggi gamma. Una particella alfa è il nucleo di un atomo di elio. Consiste di due protoni e due neutroni. Consideriamo il caso di un atomo di radio-226. Il nucleo di un atomo di radio-226 consiste di 88 protoni e 138 neutroni. Se questo nucleo emette una particella alfa, deve perdere i due protoni e i due neutroni di cui è fatta la particella alfa. Dopo l’emissione della particella alfa, il nucleo rimanente contiene solo 86 protoni (88 – 2) e 136 neutroni (138 – 2). Questo nucleo è il nucleo di un atomo di radon, non di un atomo di radio. Emettendo una particella alfa, l’atomo di radio-226 si è trasformato in un atomo di radon.
L’emissione di particelle beta dai nuclei è stata una fonte di confusione per gli scienziati per molti anni. Una particella beta è un elettrone. Il problema è che gli elettroni non esistono nei nuclei degli atomi. Si possono trovare all’esterno del nucleo ma non al suo interno. Come è possibile, allora, che un nucleo instabile emetta una particella beta (elettrone)?
La risposta è che la particella beta viene prodotta quando un neutrone all’interno del nucleo atomico si rompe per formare un protone e un elettrone:
neutrone → protone + elettrone
Ricordiamo che un protone porta una singola carica positiva e l’elettrone una singola carica negativa. Ciò significa che un neutrone, che non ha alcuna carica elettrica, può rompersi per formare due nuove particelle (un protone e un elettrone) le cui cariche elettriche si sommano e diventano zero.
Ripensate all’esempio del carbonio-14, menzionato prima. Un nucleo di carbonio-14 decade emettendo una particella beta. Ciò significa che un neutrone nel nucleo di carbonio-14 si rompe per formare un protone e un elettrone. L’elettrone viene emesso come un raggio beta, e il protone rimane nel nucleo. Il nuovo nucleo contiene sette protoni (i suoi sei originali più un nuovo protone) e sette neutroni (i suoi otto originali ridotti dalla rottura di uno).
La perdita di una particella alfa o beta da un nucleo instabile è spesso accompagnata dalla perdita di un raggio gamma. Un raggio gamma è una forma di radiazione ad alta energia. È simile a un raggio X, ma con un’energia leggermente maggiore. Alcuni nuclei instabili possono decadere solo con l’emissione di raggi gamma. Quando hanno perso l’energia trasportata dai raggi gamma, diventano stabili.
Radioattività naturale e sintetica
Molti elementi radioattivi si trovano in natura. Infatti, tutti gli elementi più pesanti del bismuto (numero atomico 83) sono radioattivi. Non hanno isotopi stabili.
Gli elementi radioattivi più pesanti sono coinvolti in sequenze note come famiglie radioattive. Una famiglia radioattiva è un gruppo di elementi in cui il decadimento di un elemento radioattivo produce un altro elemento che è anche radioattivo. Per esempio, l’isotopo genitore di una famiglia radioattiva è l’uranio-238. Quando l’uranio-238 decade, forma il torio-234. Ma anche il torio-234 è radioattivo. Quando decade, forma il protoattinio-234. Il protoattinio-234, a sua volta, è anch’esso radioattivo e decade per formare uranio-234. Il processo continua per altri undici passi. Infine, l’isotopo polonio-210 decade per formare piombo-206, che è stabile.
Anche molti elementi più leggeri hanno isotopi radioattivi. Alcuni esempi includono idrogeno-3, carbonio-14, potassio-40 e tellurio-123.
Gli isotopi radioattivi possono anche essere fatti artificialmente. Il processo usuale è quello di bombardare un nucleo stabile con protoni, neutroni, particelle alfa o altre particelle subatomiche. Il processo di bombardamento può essere realizzato con acceleratori di particelle (atom-smashers) o in reattori nucleari. Quando una delle particelle bombardanti (proiettili) colpisce un nucleo stabile, può causare che quel nucleo diventi instabile e, quindi, diventi radioattivo.