Un po' di fisica nucleare: La radioattività

L’atomo

La radioattività La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è un fenomeno naturale, presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi. 

Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla). L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo.

La radioattività: isotopi La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici che conosciamo. Quello che cambia da un elemento all’altro è il numero dei protoni e dei neutroni che l’atomo contiene. Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato “numero atomico” e si indica con la lettera Z. L'elemento chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio...

Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata numero di massa. I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A (ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono chiamati isotopi.

La radioattività: i decadimenti Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la loro trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi. 

La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Questa trasformazione è chiamata decadimento radioattivo.  Di una certa quantità di sostanza radioattiva è praticamente impossibile stabilire in che istante decadrà il singolo atomo ma si può prevedere statisticamente il decadimento complessivo di di tutti gli atomi che compongono la quantità di sostanza

La radioattività: la vita media Il tempo medio che occorre aspettare perché un singolo atomo di un elemento radioattivo decada viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni.

Radiazioni alfa, beta e gamma Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni.  alfa beta gamma

La radioattività – Decadimento a In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A) emette una particella a (= un nucleo di elio = 2 protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4).

Le radiazioni a sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta

La radioattività – Decadimento b Decadimento b: Il nucleo emette un e- e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso numero di massa A.

Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle a, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici

La radioattività – Decadimento g Decadimento g: Il nucleo non si trasforma ma passa in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la radiazione gamma accompagna spesso quella a o b.

Al contrario delle radiazioni a e b, le radiazioni g sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo. Utilizzo: terapie oncologiche

La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Questa trasformazione è chiamata decadimento radioattivo.  Di una determinata quantità di un elemento radioattivo è praticamente impossibile stabilire in che istante decadrà il singolo atomo ma si può prevedere statisticamente il decadimento complessivo di tutti gli atomi radioattivi

N = numero di atomi presenti al tempo t; Legge del decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica: dN /dt = -l N N = numero di atomi presenti al tempo t; l = costante di decadimento: probabilita’ che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unita’ di tempo.

La legge del decadimento radioattivo: N(t) = N0e-lt N0 = numero di nuclidi presenti all’istante t = 0

T1/2= ln2/l tempo di dimezzamento: Un parametro molto importante e’ il il tempo dopo il quale il numero iniziale di nuclei radioattivi e’ diventato la meta’: T1/2= ln2/l Come si ricava questo risultato?

L’ attivita’ di una sorgente radioattiva e’ definita come il numero di decadimenti nell’unità di tempo. Essa si misura in Bequerel (Bq) che equivale ad un decadimento al secondo. L(t) = lN(t)

Approssimazione utile Se il tempo di misura e molto piccolo in rapporto con T1/2, il numero di decadimenti è:

Pu Np L’AMERICIO 241 decad. a decad. b 241 237 94 93 T1/2=13 anni T1/2 = 433 anni Viene considerato stabile perché ha un tempo di dimezzamento di 2,2 106 anni.

Come vediamo le particelle??? Esistono diversi tipi di rivelatori di particelle che sfruttano diversi meccanismi: alcuni sono elettronici (sfruttano un segnale elettrico indotto dalla particella), altri “memorizzano” la sua traccia, ecc.