La radioattività è il processo mediante il quale nuclei atomici instabili rilasciano particelle subatomiche energetiche o radiazioni elettromagnetiche (EMR). Questo fenomeno può trasformare un elemento in un altro ed è in parte responsabile del calore del nucleo terrestre. La radioattività ha una vasta gamma di usi, tra cui l’energia nucleare, in medicina e nella datazione di campioni organici e geologici. È anche potenzialmente pericoloso, poiché le particelle e le radiazioni ad alta energia possono danneggiare e uccidere le cellule e alterare il DNA, causando il cancro.
Decadimento radioattivo
Si dice che i nuclei atomici instabili decadano, il che significa che perdono parte della loro massa o energia per raggiungere uno stato più stabile e a bassa energia. Questo processo è più spesso visto negli elementi più pesanti, come l’uranio. Nessuno degli elementi più pesanti del piombo ha isotopi stabili, ma gli elementi più leggeri possono esistere anche in forme instabili e radioattive, come il carbonio-14. Si pensa che il calore del decadimento degli elementi radioattivi mantenga l’altissima temperatura del nucleo terrestre, mantenendolo allo stato liquido, indispensabile al mantenimento del campo magnetico che scherma il pianeta dalle radiazioni dannose.
Il decadimento radioattivo è un processo casuale, il che significa che è fisicamente impossibile prevedere se un dato nucleo atomico decadrà o meno ed emetterà radiazioni in un dato momento. Invece, è quantificato dall’emivita, che è il periodo di tempo necessario perché la metà di un dato campione di nuclei decada. L’emivita si applica a un campione di qualsiasi dimensione, da una quantità microscopica a tutti gli atomi di quel tipo nell’universo. I diversi isotopi radioattivi variano ampiamente nelle loro emivite, che vanno da pochi secondi, nel caso dell’astato-218, a miliardi di anni per l’uranio-238.
Tipi di decadimento
Per essere stabile, un nucleo non può essere troppo pesante e deve avere il giusto equilibrio di protoni e neutroni. Un nucleo pesante – uno che ha un gran numero di protoni e neutroni – prima o poi perderà peso, o massa, emettendo una particella alfa, che consiste di due protoni e due neutroni legati insieme. Queste particelle hanno una carica elettrica positiva e, rispetto ad altre particelle che possono essere emesse, sono pesanti e si muovono lentamente. Il decadimento alfa in un elemento lo fa cambiare in un elemento più leggero.
Il decadimento beta si verifica quando un nucleo ha troppi neutroni per il suo numero di protoni. In questo processo, un neutrone, che è elettricamente neutro, si trasforma spontaneamente in un protone con carica positiva emettendo un elettrone con carica negativa. Questi elettroni ad alta energia sono noti come raggi beta o particelle beta. Poiché questo aumenta il numero di protoni nel nucleo, significa che l’atomo cambia in un elemento diverso con più protoni.
Il processo inverso può verificarsi dove ci sono troppi protoni, rispetto ai neutroni. In altre parole, un protone si trasforma in neutrone emettendo un positrone, che è l’antiparticella caricata positivamente dell’elettrone. Questo è talvolta chiamato decadimento beta positivo e fa sì che l’atomo si trasformi in un elemento con meno protoni. Entrambi i tipi di decadimento beta producono particelle caricate elettricamente che sono molto leggere e veloci.
Sebbene queste trasformazioni rilascino energia sotto forma di massa, possono anche lasciare il nucleo rimanente in uno stato “eccitato”, dove ha più della sua quantità minima di energia. Perderà quindi questa energia extra emettendo un raggio gamma, una forma di radiazione elettromagnetica ad altissima frequenza. I raggi gamma non hanno peso e viaggiano alla velocità della luce.
Alcuni nuclei pesanti possono, invece di emettere particelle alfa, in realtà dividersi, rilasciando molta energia, un processo noto come fissione nucleare. Può verificarsi spontaneamente in alcuni isotopi di elementi pesanti, come l’uranio-235. Il processo rilascia anche neutroni. Oltre che spontaneamente, la fissione può essere provocata da un nucleo pesante che assorbe un neutrone. Se viene messo insieme abbastanza materiale fissile, può aver luogo una reazione a catena in cui i neutroni prodotti dalla fissione provocano la scissione di altri nuclei, rilasciando più neutroni e così via.
si utilizza
Gli usi più noti della radioattività sono forse nelle centrali nucleari e nelle armi nucleari. Le prime armi atomiche utilizzavano una reazione a catena incontrollata per rilasciare un’enorme quantità di energia sotto forma di calore intenso, luce e radiazioni ionizzanti. Sebbene le moderne armi nucleari utilizzino principalmente la fusione per rilasciare energia, questa è ancora avviata da una reazione di fissione. Le centrali nucleari utilizzano la fissione accuratamente controllata per produrre il calore necessario per azionare le turbine a vapore che generano elettricità.
In medicina, la radioattività può essere utilizzata in modo mirato per distruggere le escrescenze cancerose. Essendo facilmente rilevabile, viene utilizzato anche per tracciare l’andamento e la captazione dei farmaci da parte degli organi, o per verificarne il corretto funzionamento. Gli isotopi radioattivi sono spesso usati per datare campioni di materiale. Le sostanze organiche possono essere datate misurando la quantità di carbonio-14 che contengono, mentre l’età di un campione di roccia può essere determinata confrontando le quantità dei vari isotopi radioattivi presenti. Questa tecnica ha permesso agli scienziati di misurare l’età della Terra.
Effetti sulla salute
In un contesto sanitario, tutte le emissioni dei nuclei atomici in decadimento, siano esse particelle o EMR, tendono a essere descritte come radiazioni e sono tutte potenzialmente pericolose. Queste emissioni sono ionizzanti di per sé o interagiscono con la materia del corpo in un modo che produce radiazioni ionizzanti. Ciò significa che possono rimuovere gli elettroni dagli atomi, trasformandoli in ioni con carica positiva. Questi possono quindi reagire con altri atomi in una molecola o in molecole vicine, causando cambiamenti chimici che possono uccidere le cellule o causare il cancro, specialmente se le radiazioni hanno interagito con il DNA.
Il tipo di radiazione più pericoloso per l’uomo dipende dalle circostanze in cui si incontra. Le particelle alfa possono percorrere solo una breve distanza nell’aria e non possono penetrare attraverso lo strato esterno della pelle. Se entrano in contatto con tessuti viventi, tuttavia, sono la forma di radiazione più pericolosa. Questo può accadere se qualcosa che emette radiazioni alfa viene ingerito o inalato.
Le radiazioni beta possono penetrare nella pelle, ma vengono fermate da un sottile strato di metallo, come un foglio di alluminio. I neutroni e le radiazioni gamma sono molto più penetranti ed è necessaria una schermatura spessa per proteggere la salute. Poiché la maggior parte delle radiazioni gamma passa attraverso il corpo, è in genere meno probabile che causi malattie a bassi livelli, ma è comunque un pericolo molto serio. Se i materiali, inclusi i tessuti viventi, assorbono i neutroni, possono diventare essi stessi radioattivi.
L’esposizione a radiazioni nocive viene generalmente misurata in termini di quantità di energia assorbita dal materiale esposto, una misura che può essere applicata a tutte le forme di radiazioni ea tutti i materiali, sebbene sia più comunemente utilizzata nel contesto della salute umana. L’unità SI per l’esposizione è il grigio, dove un grigio equivale a un joule di energia assorbita per chilogrammo di materia. Negli Stati Uniti, tuttavia, viene spesso utilizzata un’altra unità, il rad, che equivale a 0.01 grigi.
Poiché diversi tipi di radioattività si comportano in modi diversi, viene utilizzata un’altra misurazione, il sievert, per dare un’idea migliore dei probabili effetti sulla salute di una data dose. Viene calcolato moltiplicando la dose in grigi per un fattore di qualità specifico per il particolare tipo di radiazione. Ad esempio, il fattore di qualità per le radiazioni gamma è 1, ma il valore per le particelle alfa è 20. Pertanto, l’esposizione del tessuto vivente a 0.1 grigi di particelle alfa risulterebbe in una dose di 2.0 sievert, e ci si aspetterebbe che abbia venti volte l’effetto biologico come un grigio di radiazione gamma. Una dose da quattro a cinque sievert, ricevuta in un breve periodo di tempo, comporta un rischio di morte del 50% entro 30 giorni.