La radioattività

La materia è costituita da atomi che combinandosi e legandosi tra loro in diverso modo danno origine a una varietà di sostanze e strutture sotto forma gassosa, liquida e solida.

Tali elementi hanno una loro struttura interna che ne determina le proprietà chimico-fisiche e le modalità con le quali si combinano con altri elementi.

Nell’atomo si riconoscono tre tipi di particelle disposte spazialmente in modo simile a un sistema planetario: nel nucleo centrale, estremamente piccolo e compatto, risiedono i neutroni (privi di carica elettrica) e i protoni (carica elettrica positiva). Esternamente al nucleo orbitano come piccoli e leggerissimi satelliti gli elettroni. Essi sono in numero eguale a quello dei protoni, hanno carica elettrica negativa e, pertanto, da essi sono attratti rimanendo legati su orbite più o meno distanti dal nucleo.

Le caratteristiche chimiche degli atomi sono determinate dagli orbitali elettronici più esterni e quindi dal numero di protoni che costituiscono il nucleo. Vi sono elementi con atomi che, a parità di numero di protoni, possono avere nuclei con differenti numeri di neutroni. Ad esempio il carbonio può avere un nucleo composto da 12 particelle, 6 protoni e 6 neutroni (C-12) oppure da 14 particelle, 6 protoni e 8 neutroni (C-14). Nuclei diversi del medesimo elemento chimico si dicono isotopi. Gli isotopi possono essere presenti in natura o creati artificialmente dall’uomo. Alcuni isotopi dei vari elementi naturali, così come molti nuclei creati artificialmente, sono instabili, ossia tendono spontaneamente a ridisporsi in strutture nucleari energeticamente più favorevoli. In altre parole, dopo un tempo, il cui valore medio può variare per ogni tipo di isotopo dai milionesimi di secondo ai miliardi di anni, i nuclei instabili si trasformano e assumono configurazioni diverse.
 

La radioattività consiste nel processo di disintegrazione spontanea dei nuclei. Durante tale processo vengono emessi frammenti nucleari, singole particelle e radiazioni elettromagnetiche di elevata energia che, nell’interazione con la materia o i tessuti organici, sono in grado di provocare danni alle strutture molecolari e in generale provocano fenomeni di ionizzazione. Per tali ragioni i prodotti emessi dai nuclei soggetti a decadimenti radioattivi sono individuati col termine generale di “radiazioni ionizzanti”.

La parola radioattività prende il nome dall’elemento naturale radio (Ra-226), scoperto dai coniugi Curie agli inizi del ventesimo secolo, il radio è il prodotto intermedio della catena di decadimenti successivi che a partire dall’uranio (U-238) conduce fino all’isotopo stabile del piombo (Pb-206).

La trasformazione di un nucleo, ossia il “decadimento”, segue delle leggi probabilistiche con tempi che variano da elemento a elemento. Questo significa che più tempo passa e maggiore è la probabilità che il nucleo subisca il processo spontaneo di trasformazione in un altro tipo di nucleo (disintegrazione).

Ad esempio l’uranio-238 (92 protoni e 146 neutroni), uno degli isotopi presenti da sempre nella crosta terrestre, ha un nucleo instabile. Quando decade l'uranio–238 si trasforma in un isotopo del torio, il Th-234, ed emette radiazione di tipo alfa, cioè espelle un frammento composto da 4 particelle, 2 neutroni e 2 protoni legati tra loro. La quantità di U-238 si dimezza ogni 4,47 miliardi di anni. La terra ha un’età stimata intorno ai 4,5 miliardi di anni dunque l’uranio-238 attualmente presente è circa la metà della quantità originaria.

La radioattività si misura in disintegrazioni per secondo e, in onore al fisico francese Henry Becquerel che nel 1896 scoprì l’emissione spontanea di radiazioni da parte dell’uranio, la sua unità di misura è il Becquerel (Bq). 1 Bq = 1 disintegrazione per secondo.

I principali tipi di radiazioni e/o particelle sono:

• alfa
• beta
• gamma
• neutroni

Questi tipi di radiazioni e/o particelle hanno proprietà e comportamenti differenti perchè diverso è il potere di penetrazione e l’energia che rilasciano durante il loro passaggio nei differenti materiali.

Nel caso dei tessuti biologici tale interazione può portare a un danneggiamento delle cellule. Nella maggior parte dei casi il danno viene riparato dai normali meccanismi di difesa dell'organismo ma, a volte, in funzione dell’entità e della durata dell’esposizione, le cellule interessate possono risultare compromesse, con conseguenze sulla salute degli individui esposti.

Le radiazioni alfa sono nuclei di elio (He), costituiti da due protoni e due neutroni. Ad esempio l’isotopo 226 del radio (Ra-226), instabile, che ha un tempo di dimezzamento di circa 1600 anni, durante il suo processo di trasformazione verso forme più stabili, emette questo tipo di radiazioni trasformandosi nell’isotopo 222 del radon (Rn-222).

Le radiazioni alfa hanno un’energia ben definita, tipica per ogni radioisotopo che le emette, nell’intervallo che va da 4 a 7 milioni di elettronvolt (MeV).

Il potere penetrante (percorso medio prima di essere assorbite da un materiale) è molto basso: basta un foglio di carta per fermare le particelle alfa più energetiche.
 

Esistono due tipi di radiazioni beta: beta+ e beta-, costituite rispettivamente da elettroni o positroni (antiparticella dell’elettrone con carica positiva) e sono prodotte a seguito di due tipi di trasformazioni nucleari:

A causa alla presenza del neutrino (o dell’antineutrino), le particelle beta vengono emesse con uno spettro continuo in energia, caratterizzato da una energia massima (tipica di ciascun radioisotopo. Questa varia da alcune migliaia di elettronvolt (keV) fino ad alcuni milioni di elettronvolt (MeV).

Poiché la loro massa è inferiore rispetto alle particelle alfa, il loro potere penetrante è superiore: alcuni metri in aria, alcuni millimetri nei tessuti biologici.

Le radiazioni gamma sono costituite da radiazione elettromagnetica emessa da un nucleo instabile durante il suo decadimento. Ad esempio il cesio-137 (Cs-137) decade nel bario-137 che si trova in uno stato eccitato definito metastabile (Ba-137m). Il Ba-137m si trasforma nello stato stabile attraverso emissione di radiazione gamma: Ba-137m=> Ba-137 + radiazione gamma

Le energie delle radiazioni gamma variano generalmente da alcune decine di migliaia di elettronvolt (keV) fino ad oltre 2000 keV.

Essendo prive di massa il loro potere penetrante è molto superiore rispetto alle radiazioni alfa e alle radiazioni beta: fino a centinaia di metri in aria, attraversano facilmente il corpo umano e sono fermate da alcuni centimetri di piombo o decimetri di cemento.

I neutroni sono, insieme ai protoni, particelle che costituiscono il nucleo degli atomi. Le più importanti sorgenti di neutroni sono costituite dai reattori nucleari che sfruttano i processi di fissione per la produzione di energia.

Le energie dei neutroni all’interno dei reattori variano da meno di 0,1 elettronvolt (eV) fino a circa 10 MeV. L'assenza di carica elettrica dà ai neutroni un elevato potere di penetrazione della materia dipendente dalla loro energia. In natura i neutroni sono presenti per effetto delle interazioni nucleari con l’atmosfera delle particelle o radiazioni presenti nel cosmo.

La radioattività naturale è dovuta alla presenza di radiazioni provenienti dal cosmo, alle interazioni tra queste e l’atmosfera e alla presenza di molti elementi radioattivi esistenti fin dalle origini della terra, che non si sono ancora trasformati completamente e ancora non hanno raggiunto lo stato di stabilità finale.

Questi elementi sono presenti ovunque nell’aria, nel suolo, nelle acque e perfino nel nostro corpo.

Alcune determinate attività produttive che utilizzano materiali naturali possono dar luogo, durante i processi di lavorazione, a condizioni di esposizioni non trascurabili dei lavoratori o della popolazione, ad esempio per effetto del contenuto iniziale di radioattività naturale o per la produzione di residui nei quali alcuni elementi si concentrano.

La radioattività artificiale è quella che si genera a seguito di attività umane: produzione di energia da fonte nucleare, apparecchiature mediche per diagnosi e cure, apparecchiature industriali, attività di ricerca, cui vanno aggiunte le attività legate alla produzione e test di materiale bellico. In Italia tutte le applicazioni sono presenti, con le sole eccezioni della produzione di energia elettrica da fonte nucleare e di produzione di materiale bellico.

Le applicazioni che fanno uso della radioattività sono innumerevoli:

• in medicina, sia in campo diagnostico che in campo terapeutico, dove sono stati sviluppati metodi sempre più selettivi di distruzione dei tessuti patologici;
• nella produzione di energia elettrica da fissione nucleare;
• in campo industriale: controlli non distruttivi; misure di livello, spessore, densità ed umidità finalizzati al controllo computerizzato dei diversi processi di produzione industriale; impianti per sterilizzazione di prodotti e presidi medico-chirurgici;
• nel campo della ricerca: universitaria, industriale nonché medico-sanitaria; studi relativi alle nuove fonti di energia; studi sul comportamento di strutture, tessuti, cellule, microrganismi ecc. sotto l'influsso di campi di radiazioni ionizzanti; ricerca di base in fisica nucleare e subnucleare;
• in agrobiologia permettendo lo sviluppo di nuove tecniche antiparassitarie e di fertilizzazione a rilascio controllato;
• nello studio e protezione dell’ambiente, nell’archeologia, in geologia e prospezione mineraria mediante l’utilizzo della radioattività naturale o artificiale come traccianti.