Radioattività
| Processi nucleari |
|---|
|
Processi di decadimento radioattivo:
|
|
Nucleosintesi |
| Fisica |
|
Portale Fisica |
La radioattività o decadimento radioattivo, è un insieme di processi tramite i quali dei nuclei atomici instabili (nuclidi) emettono particelle subatomiche per raggiungere uno stato più stabile.
Ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni e neutroni, e da un certo numero di elettroni che gli orbitano intorno. Essendo tutti carichi positivamente i protoni tendono a respingersi per via della forza di Coulomb e, se non ci fossero altre forze che li tengono insieme, i nuclei non potrebbero mai formarsi.
In effetti i protoni sono tenuti insieme da quella che si chiama forza nucleare forte. Questa forza ha una struttura piuttosto complessa e, per tenere insieme i protoni, ha bisogno anche della presenza dei neutroni. Quando le forze all'interno del nucleo non sono bilanciate (ovvero il nucleo è instabile) questo tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l'emissione di una o più particelle. Storicamente (in seguito agli studi di Marie Curie) i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi principali:
A questa prima classificazione, in seguito ad ulteriori investigazioni sul fenomeno, si sono aggiunte l'emissione di neutroni, l'emissione di protoni, la cattura elettronica e la fissione spontanea. Mentre il decadimento alfa ed 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 eccitati dello stesso nucleo e comporta solo la perdita di energia.
| Indice |
Tempo di Decadimento
Il momento esatto in cui un atomo instabile decadrà in uno più stabile è assolutamente casuale ed 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. Il numero di decadimenti che ci si aspetta avvenga in un intervallo dt è proporzionale al numero di atomi presenti. Questa legge può essere descritta tramite la equazione differenziale del primo ordine :
con questa soluzione :
- N(t) = N0e − λt
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, poi perché 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 tappresentata 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 t1 / 2. 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 son 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 − 6 secondi.
Fonti di radioattività
I raggi cosmici
Vedi articolo principale Raggi cosmici
Il fondo radioattivo naturale
Radiografie, TAC ed altri esami medici
Il Radon
Effetti della radioattività
L'effetto delle radiazioni nucleari su materiale non vivente è dovuto sostanzilamente a due cause: la ionizzazione e conseguente rottura dei legami chimici e la trasmutazione di alcuni nuclei in altri elementi.
Effetti sui materiali
La trasmutazione rende necessaria una attenta scelta degli acciai e delle leghe metalliche destinate ad operare in ambienti radioattivi, perché ne cambia la composizione chimica e può far loro perdere le necessarie caratteristiche di resistenza meccanica; anche il cemento va incontro agli stessi inconvenienti, seppure in modo meno marcato. Inoltre, i nuclei trasmutati sono in parte anch'essi radioattivi; perciò il materiale, se esposto in via permanente alle radiazioni, con il passare del tempo accumula al suo interno isotopi instabili e diventa sempre più radioattivo. Questo è il motivo principale per cui le centrali nucleari hanno un limite di vita operativa prefissato (alcuni decenni), al termine del quale devono essere smantellate.
Inoltre la radioattività è in grado di rendere inutilizzabile un circuito elettronico basato su semiconduttori, trasmutando gli atomi di silicio e alterando le deboli concentrazioni di elementi droganti da cui tali componenti elettronici derivano le loro capacità.
Effetti biologici
L'effetto biologico è dovuto invece in massima parte alle proprietà ionizzanti: distruggendo i legami fra molecole, le radiazioni danneggiano le cellule generando radicali liberi. Ma soprattutto alterano le grandi macromolecole del DNA e dell'RNA, causando danni genetici e (negli organismi pluricellulari) l'insorgere di tumori. Tale effetto è prodotto principalmente dalle radiazioni gamma, più energiche e penetranti delle particelle alfa e beta.
Da notare che non tutte le specie animali e vegetali hanno la stessa suscettibilità alle radiazioni: per esempio gli scarafaggi possono sopportare senza gravi danni tassi di radioattività molto al di sopra di quelli letali per l'uomo, e un batterio, il Deinococchus Radiodurans, sopravvive a dosi di radiazioni 1000 volte superiori alla dose letale per l'uomo.
Effetti nell'uomo e negli animali superiori
Gli effetti delle radiazioni ionizzanti si suddividono in "Effetti Deterministici" ed "Effetti Stocastici"(ICRP 60 International Commission on Radiological Protection)). I primi sono effetti che derivano dalla inattivazione cellulare indotta a seguito di irraggiamento delle strutture vitali della cellula. Tali effetti sono clinicamente osservabili al superamento di un valore di dose detto "dose soglia". Al superamento di tale valore l'effetto compare e la sua gravità aumenta al crescere della dose; ecco perché vengono definiti anche "Effetti Graduati".Un semplice effetto deterministico è l'eritema semplice oppure la cataratta. Gli effetti stocastici, a differenza di quelli deterministici, originano dalla modificazione cellulare a seguito dell'interazione della radiazione ionizzante con il nucleo cellulare, e più in particolare, con la struttura del DNA. In tal caso, dopo l'interazione con l'evento ionizzante, tale struttura potrà essere danneggiata in maniera reversibile o irreversibile, a seconda che la cellula possa essere in grado, con i propri meccanismi riparatori, di riparare correttamente il danno. Nel caso in cui la struttura del DNA venisse riparata in maniera errata, ci si troverebbe sempre in presenza di una cellula attiva ma con la capacità di dar vita, mediante il fenomeno della duplicazione cellulare, a cellule geneticamente modificate che dopo un certo periodo (periodo di latenza) potranno dar luogo a patologie come tumori o leucemie. Negli effetti stocastici non si può parlare di soglia di comparsa in quanto la cellula potrà reagire in maniera diversa al danno indotto.La radiazione potrà non danneggiare il DNA, potrà danneggiare strutture vitali, inattivando la cellula, potrà danneggiare in maniera reversibile il DNA, potrà danneggiare in maniera irreversibile il DNA, inducendo potenzialmente danni diversi con effetti biologici diversi.
Misura della radioattività
Voci correlate
- Isola di stabilità
- Modello a guscio
Radioattività
Radioattività