Serie sulla radioprotezione: fondamenti di radioattività

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Il termine radioattività sta ad indicare la caratteristica dei nuclei atomici instabili a decadere spontaneamente emettendo radiazioni ionizzanti. Gli atomi instabili, e quindi radioattivi, vengono chiamati radionuclidi. Oltre ai materiali radioattivi, prodotti artificialmente nelle centrali nucleari e negli acceleratori, esistono in natura svariati tipi di sostanze radioattive.

Roccia contenente minerale di uranio (Fonte: Wikipedia)

Durante il decadimento radioattivo, un nucleo atomico instabile e altamente energetico tende spontaneamente a raggiungere uno stato di maggiore stabilità e a perdere energia. L’energia in eccesso viene scaricata sotto forma di radiazione.

Ogni radionuclide presenta i propri tipi di decadimento, energia di decadimento ed emivita caratteristici. Con emivita, o tempo di dimezzamento, si intende l’intervallo di tempo in cui metà degli atomi di una sostanza radioattiva decade.

Radiazione cosmica e terrestre

Le sostanze radioattive naturali sono presenti ovunque intorno a noi. La radiazione cosmica viene prodotta principalmente all’interno del Sole e di altri corpi celesti, e, passando attraverso il cosmo, giunge fino a noi; essa è costituita da protoni e da particelle alfa che possono produrre altri radionuclidi durante le interazioni nell’atmosfera terrestre. Per esempio, il carbonio-14, un isotopo radioattivo del carbonio, si forma continuamente nell’alta atmosfera per effetto della reazione dei raggi cosmici sugli atomi di azoto.

La radiazione terrestre viene emessa da radionuclidi che si trovano sul nostro pianeta. Questi sono stati prodotti prima della formazione della Terra da eventi cosmici, e sono pertanto conosciuti con il nome di nuclidi primordiali. I loro tempi di dimezzamento sono estremamente lunghi, è per questo che possono essere rilevati ancora oggi, 4,6 miliardi di anni dopo la creazione della Terra.

Nuclidi primordiali

I più noti nuclidi primordiali sono il torio-232, il potassio-40, l’uranio-235 e l’uranio-238. Decadendo, il torio e l’uranio formano nuclidi radioattivi o “figli”, i cui prodotti sono a loro volta radioattivi. Questa serie di decadimenti successivi per diverse generazioni è anche chiamata catena di decadimento.

Nella catena di decadimento dell’uranio si forma il gas nobile radioattivo radon-222, che per via della sua emivita e della sua elevata mobilità fuoriesce dal terreno sottostante le abitazioni, e può essere poi inalato dagli esseri umani. Altri radionuclidi naturali penetrano negli alimenti, e quindi nell’uomo, tramite l’acqua, le piante e gli animali.

Come si creano le sostanze radioattive artificiali

I radionuclidi artificiali derivano da reazioni nucleari provocate dagli esseri umani: fissione nucleare, attivazione o spallazione nucleare:

  • Durante la fissione nucleare un nucleo atomico pesante si scinde, con rilascio di energia, in due grandi nuclei quasi uguali ed in parecchi neutroni veloci. La reazione di fissione nucleare avviene anche spontaneamente, quindi senza influenze esterne, ma bombardando nuclei atomici come l’uranio-235 con neutroni lenti in un reattore, il tasso di fissione risulta notevolmente aumentato.
  • Si parla di attivazione quando nuclei atomici all’interno di un reattore diventano radioattivi a seguito della cattura di neutroni liberi.
  • La spallazione nucleare è un’interazione di una particella carica veloce con un nucleo atomico, come quella che può essere indotta in un acceleratore di particelle. A seconda dell’energia della particella carica, il nucleo può disintegrarsi in diversi frammenti nucleari grandi e piccoli.

Comportamento delle sostanze radioattive durante il decadimento

Sia le sostanze radioattive naturali che quelle artificiali decadono, poiché un nucleo instabile si trasforma in un altro nucleo. Se un nucleo atomico decade emettendo particelle cariche, come nel caso del decadimento alfa o beta, la carica elettrica del nucleo cambia. In questi casi, dal decadimento si creano atomi di un altro elemento con diverse caratteristiche chimiche.

Il gas nobile radioattivo radon non si lega chimicamente con altri materiali. Il radon è quindi molto volatile e non rimane nei polmoni dopo essere stato respirato, ma viene espirato rapidamente. Tuttavia, se il radon decade all’interno dei polmoni o dell’aria di una stanza, genera isotopi radioattivi figli, denominati anche sottoprodotti del radon, che hanno nuove caratteristiche chimiche e che possono legarsi ad altri atomi. I prodotti di decadimento del radon inalato vengono assorbiti nei polmoni e rimangono all’interno dell’organismo, dove, in caso di ulteriore decadimento, emettono radiazioni.

Ogni radionuclide presenta inoltre un tempo di dimezzamento tipico, cioè il tempo dopo il quale la metà dei nuclei radioattivi esistenti decade. Esso può andare da una frazione di secondo a miliardi di anni. Ad esempio, mentre l’uranio-218 (da non confondere con l’U-238) ha un tempo di dimezzamento di 6 millisecondi, il potassio-40 decade completamente dopo 1,2 miliardi anni.

 

Questo è il quinto di 14 articoli sulla radioprotezione. La sesta parte riguarda gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti.