Che cosa è la radioattività e come si misura

Gianni Melegari – Che cosa è la radioattività e come si misura
Gianni Melegari
Che cosa è la radioattività e come si misura
Cosa è un nucleo radioattivo?
I nuclei degli atomi sono formati da protoni (di carica e, uguale e opposta a quella
dell’elettrone) e da neutroni (che, come dice il nome, sono neutri); tra questi due tipi di
particelle si esercita la forza nucleare forte, una forza attrattiva che è così chiamata perché
riesce a tenere protoni e neutroni legati nel nucleo, vincendo la forza elettrica repulsiva che si
esercita tra i protoni positivi.
Il numero di protoni presenti nel nucleo è il suo numero atomico; la somma tra il
numero di protoni e quello di neutroni è il numero di massa.
Nei nuclei degli atomi a cui siamo abituati (idrogeno, ossigeno, azoto, ferro) il
rapporto tra protoni e neutroni è tale da creare nuclei stabili; però esistono nuclei che, rispetto
a una situazione ideale, hanno un rapporto tra protoni e neutroni troppo alto o troppo basso.
Questi si trasformano, spesso con più passaggi successivi, fino a produrre un nucleo stabile.
Quali sono i tipi di decadimento radioattivo più comuni?
Tradizionalmente si distinguono tre categorie dei decadimenti chiamati alfa, beta e gamma.
Tutte queste sono radiazioni ionizzanti, nel senso che sono abbastanza energetiche da
ionizzare gli atomi con cui interagiscono; in questo modo possono danneggiare la materia
vivente.
•
Nel decadimento alfa il nucleo radioattivo emette una particella alfa, cioè un nucleo di
elio-4 ( 42 He ) formato da due protoni e da due neutroni: per esempio, l’uranio-234 ( 234
92 U )
si disintegra trasformandosi in un nucleo di torio-230 ( 23090Th ) e in una particella alfa:
234
92
•
U!23090Th + 42 He . Mediante un decadimento alfa un nucleo si trasforma in un altro
nucleo con numero atomico inferiore di due e numero di massa inferiore di quattro.
Nel decadimento beta un neutrone del nucleo si trasforma in un protone emettendo un
elettrone (particella beta) e un antineutrino elettronico, che è praticamente invisibile. Per
esempio, il nucleo del carbonio-14 ( 146 C ) si trasforma in un nucleo di azoto-14 ( 147 N ) con
l’emissione di un elettrone e di un antineutrino:
•
14
6
C"147 N + e # + !e . Con il decadimento
beta il numero di massa rimane invariato e il numero atomico del nucleo aumenta di uno.
Esiste anche il decadimento beta inverso, in cui un protone del nucleo si trasforma in un
neutrone con emissione di un positone (l’antiparticella dell’elettrone) e di un neutrino
elettronico. Per esempio, l’azoto-12 ( 127 N ) decade in un nucleo di carbonio-12 ( 126 C ) con
l’emissione di un positone e di un neutrino:
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12
7
N"126 C + e + + ! e . A seguito del
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•
•
decadimento beta inverso il numero di massa rimane invariato e il numero atomico del
nucleo diminuisce di uno.
Il decadimento gamma consiste nell’emissione di un fotone, simile a un fotone della luce
visibile ma molto più energetico. Tale tipo di evento può accompagnare o seguire un
decadimento di quelli illustrati sopra: spesso il nucleo che proviene dal decadimento è
generato in uno stato eccitato, che possiede un eccesso di energia, ed emette tale energia
sotto forma elettromagnetica. Quindi, dopo il decadimento gamma la struttura del nucleo
rimane invariata.
Nelle reazioni di fissione si ha l’emissione di neutroni; per esempio, un nucleo di uranio1
235 ( 235
92 U ), colpito da un neutrone ( 0 n ), può scindersi in un nucleo di tellurio-136
( 13652Te ) e in un nucleo di zirconio-97 ( 97
40 Zr ), con l’emissione di due neutroni:
235
92
1
U!13652Te + 97
40 Zr + 2 0 n . In questa reazione la somma dei numeri atomici e dei numeri di
massa dei prodotti è uguale, rispettivamente, al numero atomico e al numero di massa del
nucleo fissionato.
Qual è la legge che regola il decadimento radioattivo?
Se all’istante t = 0 s (che è l’istante iniziale della misurazione) un campione di materia
contiene N(0) nuclei radioattivi, a un istante di tempo t successivo il numero N(t) di nuclei
«superstiti» è dato dalla formula N (t ) = N (0) e " t / ! , dove in questo caso e non è la carica
elementare ma il numero di Nepero (e ! 2,71828...). La grandezza " (tau) è caratteristica di
ogni particolare nucleo radioattivo e si chiama vita media del nucleo.
Strettamente imparentato alla vita media è il periodo di dimezzamento T1/2. Come dice
il nome, T1/2 è il tempo dopo il quale il numero dei nuclei radioattivi presenti in origine si è
ridotto alla metà. La relazione tra " e T1/2 è data dalla formula T1 / 2 = ! ln 2 ; così, per esempio,
il cesio-137 ha una vita media di 43,6 anni e, quindi, un periodo di dimezzamento
T1 / 2 = " ln 2 = (43,6 anni) ! 0,693 = 30,2 anni .
Ciò significa che, se una certa zona è inquinata dal cesio-137, dopo circa 30 anni
l’inquinamento si è ridotto alla metà; ma servono ancora 30 anni circa perché la radioattività
si riduca a un quarto e 30 anni ancora per scendere a un ottavo del valore iniziale. In questo
modo, occorrono ben 200 anni perché la contaminazione scenda a 1/100 del valore originale
(questo, naturalmente, trascurando l’effetto degli agenti atmosferici che tendono a disperdere
ulteriormente gli inquinanti).
Qual è la legge che descrive quanto è «intenso» il decadimento radioattivo?
La grandezza fisica che descrive l’intensità con cui avvengono i decadimenti si chiama attività
A del campione radioattivo. L’attività misura il numero di decadimenti che avvengono
!N
nell’unità di tempo e quindi l’attività media Am è data dalla formula Am =
, dove !N è la
!t
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variazione del numero di nuclei radioattivi presenti nel campione e !t è l’intervallo di tempo
necessario perché abbia luogo la variazione !N .
Il valore istantaneo dell’attività è dato dalla relazione
N(t)
.
A=
!
Questa formula dice che l’attività cresce all’aumentare del numero di nuclei radioattivi
presenti e diminuisce all’aumentare della vita media del nuclide (cioè del suo periodo di
dimezzamento). Infatti, più grande è il valore di T1/2, più rari sono i decadimenti e quindi
minore è l’attività.
Nel sistema S.I. l’unità di misura dell’attività è il becquerel (simbolo Bq): 1 Bq è
l’attività di un campione radioattivo che subisce un decadimento al secondo.
Come si misura la quantità di radiazione assorbita da un organismo?
Ci sono due grandezze fondamentali che descrivono l’assorbimento di radiazione: la dose
assorbita e la dose equivalente.
• La dose assorbita D: se la radiazione rilascia una quantità di energia #E in un corpo di
massa m, la dose assorbita è definita come D = #E/m e misura la quantità di energia
assorbita per radiazione dall’unità di massa del corpo. Nel sistema S.I. la dose assorbita si
misura in gray (simbolo Gy). La dose di 1 Gy corrisponde a 1 J di energia assorbita da una
massa di 1 kg.
L’intensità di dose assorbita misura la dose assorbita in un dato intervallo di tempo e si
misura in Gy/s o spesso in gray all’anno (Gy/y).
• La dose equivalente H: la stessa dose assorbita D, dovuta a radiazioni diverse, provoca
danni biologici diversi. La dose equivalente si ottiene moltiplicando la dose assorbita D
per un fattore numerico che dipende dagli effetti che le diverse radiazioni hanno sugli
organismi. Per definizione, il fattore moltiplicativo è posto uguale a 1 per la radiazione
elettromagnetica (raggi X e raggi gamma) e risulta uguale a 1 anche per gli elettroni; è
maggiore invece per gli altri tipi di radiazione, fino a essere uguale a 20 per le particelle
alfa.
Nel sistema S.I. l’unità di misura della dose equivalente è il sievert (simbolo Sv).
L’intensità di dose equivalente misura la dose equivalente in un dato intervallo di tempo e
si misura in Sv/s o spesso in sievert all’anno (Sv/y).
Quali sono i valori tipici di queste grandezze fisiche?
Parliamo della dose equivalente H, che è la grandezza rilevante agli effetti biologici. Il fondo
naturale di radioattività varia da luogo a luogo ma ha un ordine di grandezza di 1-2 mSv/y.
Esso è dovuto a diversi fattori tra cui i raggi cosmici, la radioattività naturale del suolo
e dei materiali da costruzione, l’eventuale presenza di gas radon e anche la presenza di nuclidi
radioattivi nel corpo umano: per esempio, circa l’uno per cento del potassio presente in natura
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è costituito da potassio-40, che subisce decadimento beta (accompagnato dall’emissione di un
fotone gamma) con un periodo di dimezzamento pari a 1,28 miliardi di anni.
La diagnostica medica comporta spesso l’assorbimento di radiazioni; valori
esemplificativi possono essere i seguenti
radiografia dentale
0,1 mSv
mammografia
1 mSv
TAC
10 mSv
Radioterapia
fino a 40 mSv
Quindi la dose equivalente di una mammografia corrisponde a sei mesi/un anno di
esposizione alla radioattività naturale e una TAC equivale a 5/10 anni di esposizione; per
questa ragione è sempre necessario valutare la necessità di questi tipi di esami in modo da
considerarne il rapporto rischi/benefici.
Altre attività umane espongono a un assorbimento di radiazioni ionizzanti. Per
esempio, un viaggio aereo comporta una dose equivalente attorno a 0,05 mSv all’ora; la
permanenza ad alte quote comporta un aumento di esposizione ai raggi cosmici di 1-1,5
mSv/y.
Inoltre, nel tabacco delle sigarette sono presenti piombo-210 e polonio-210, che sono
nuclei radioattivi; la loro presenza nel tabacco è dovuta sia alle caratteristiche geologiche
della zona in cui la pianta è coltivata, sia alla composizione dei fertilizzanti utilizzati. Anche
se la concentrazione di questi inquinanti varia molto da caso a caso, è stato stimato che chi
fuma venti sigarette al giorno è esposto in media a un’intensità di dose equivalente pari a 10
mSv/y (pari, si dice, a trecento radiografie al torace). Ovviamente, nel caso del tabacco
l’effetto delle radiazioni si somma a tutte le altre fonti di rischio legate al fumo e interagisce
con esse.
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