Risposte veloci a domande pertinenti – prima parte

Stimolati dalla curiosità dei nostri lettori e dalle tante domande che spesso ci vengono poste sull’argomento, pubblichiamo oggi il primo di una serie di articoli di approfondimento sul tema della radioattività.
Lo schema e’ del tipo “domanda e risposta”, con la possibilità per i lettori di inserire nella pagina di commenti ulteriori richieste di approfondimento o chiarimenti sui concetti esposti.

Che cosa sono le radiazioni?

Le radiazioni sono pacchetti di energia in transito sotto forma di particelle ad alta velocità e/o onde elettromagnetiche. Nella vita di tutti i giorni incontriamo le onde elettro-magnetiche in continuazione: esse costituiscono, per esempio, la luce visibile, le onde radio, le micro-onde ed i raggi ultra-violetti e permettono il funzionamento dei televisori, la comunicazione telefonica e la trasmissione dei dati su internet. Ogni tipo di onda elettro-magnetica è caratterizzata da un particolare posizionamento nello spettro energetico. Tutti gli esempi di onde summenzionati non causano la ionizzazione degli atomi coi quali interagiscono, dato che non trasportano energia sufficiente a rimuovere gli elettroni ad essi associati. Viceversa, le radiazioni possono essere sia non-ionizzanti che ionizzanti.

Dunque, quali sono le radiazioni ionizzanti?

Le radiazioni ionizzanti sono tutte quelle caratterizzate da una quantità di energia sufficiente a ‘scalzare’ gli elettroni ‘ben saldati’ agli orbitali degli atomi che esse incontrano nel loro tragitto. La rottura del legame con liberazione degli elettroni trasforma l’atomo dalla condizione di carica nulla a quella di carica positiva o negativa, ovvero di catione o anione. Esempi di radiazione ionizzante sono i raggi gamma e i neutroni.

Cosa sono i raggi gamma?

I raggi gamma sono onde elettromagnetiche, ovvero fotoni, esattamente come le particelle di cui è costituita la luce visibile, che proviene dal sole. In questo caso, mentre la natura particellare è la stessa, cambiano l’energia associata e l’origine: i raggi gamma, rispetto ai fotoni ‘solari’, posseggono maggior energia ed hanno origine, ossia sono emessi dal nucleo degli atomi. Per la precisione, la maggiore energia è dovuta alla minore lunghezza d’onda (i.e. alla maggiore frequenza ‒ lunghezza d’onda e frequenza sono grandezze inversamente proporzionali), da cui il diverso posizionamento nello spettro elettromagnetico.

Qui occorre chiarezza. Questi raggi sono onde o particelle?

Entrambe le cose. Nella fisica a livello microscopico vige il dualismo onda-particella, una delle basi della Meccanica Quantistica [1].

Allora i neutroni?

I neutroni sono particelle dotate di massa ed insieme ai protoni costituiscono i nuclei degli atomi. A tenerli legati è l’interazione forte, ovvero un meccanismo di scambio alimentato da particelle sub-nucleari, che agisce come una “colla”, in grado di vincere la repulsione elettrica tra i protoni. I neutroni hanno carica elettrica nulla, i protoni carica positiva; il loro numero caratterizza rispettivamente il numero atomico e la massa atomica, nonché il posizionamento degli elementi nella tavola periodica; il loro rapporto caratterizza l’energia di legame da cui si individuano atomi più o meno stabili. I neutroni prendono la forma di radiazione una volta emessi, ovvero rimossi dai nuclei a seguito di interazioni o processi che comportano la disintegrazione dell’atomo [2], la fissione o la fusione (nucleare).

A voler essere precisi nella fusione nucleare non c’è disintegrazione degli atomi. O no?

La fusione nucleare è un processo attraverso il quale i nuclei di due o più atomi vengono talmente ‘ravvicinati’ che l’interazione forte vince la repulsione elettromagnetica. Si verifica, allora, un’unione tale per cui il nucleo del prodotto ha massa inferiore alla somma dei nuclei reagenti; la differenza di massa, per la nota legge di Einstein, costituisce il guadagno energetico, dal punto di vista dell’ambiente circostante. Tale guadagno può essere costituito dalla liberazione di uno o due neutroni o protoni a reazione, più o meno energetici. Tutto dipende dagli isotopi reagenti. Nel bilancio complessivo il guadagno può anche essere inferiore alla spesa sostenuta per l’innesco della reazione, in tal caso si parla di fusione endoenergetica. In tutti i casi di fusione i nuclei reagenti perdono la loro integrità iniziale.

Isotopi?

Il significato è insito nella parola stessa: dal greco “ìsos-tòpos” (uguale-posto). Essendo che il posto occupato da un elemento nella tavola periodica è determinato dal suo numero atomico, significa che esistono atomi con il medesimo numero di protoni ma diverso numero di neutroni. Molti isotopi sono radioattivi altri no, alcuni isotopi sono artificiali altri no.

Ma, in sostanza, cos’è la radioattività?

La radioattività consiste in una trasformazione di un atomo instabile, che tipicamente dà luogo all’emissione di radiazioni. Si distingue tra processi che comportano un semplice cambio di stato energetico, quelli di decadimento e quelli di disintegrazione. Il fenomeno deve il suo nome alle caratteristiche dell’elemento denominato Radio, uno degli elementi sui quali per la prima volta fu studiato. Questo non significa che il Radio ‘compia’ tutte le attività previste nella casistica dei processi radioattivi: gli isotopi instabili del Radio decadono tipicamente con emissioni di particelle alfa o beta e non sono neppure tra i più radio-attivi.

Particelle alfa?

Le particelle alfa sono agglomerati composti da due neutroni e due protoni. Sono emesse a seguito del decadimento di nuclei instabili e sono in tutto identiche ai nuclei degli atomi di Elio (numero atomico: Z = 2). Mancando gli elettroni, le particelle alfa hanno carica elettrica positiva (e = +2).

E le particelle beta?

Le particelle beta sono elettroni emessi ad alta velocità, dai nuclei di atomi instabili, in un ampio spettro di energie, ovvero con frequenza d’onda che varia a seconda del radionuclide (isotopo) emettitore e del processo. Possono anche essere dotate di carica positiva (e = +1), in questo caso sono positroni e vengono chiamate ‘beta+’.

Si possono avere emissioni ‘in combinata’?

Sì. Spesso le radiazioni gamma accompagnano quelle beta o alfa, ad esempio. Nelle fissioni si ha, invece, sempre anche emissione di radiazione gamma, oltre che dei due o tre neutroni attesi.

Alla fine, quali sono le più pericolose?

Dipende. Occorre tener conto delle loro diverse caratteristiche in termini di massa ed energia, ovvero dimensioni, velocità, lunghezza d’onda e carica elettrica, e delle interazioni con la materia circostante. In linea di massima si distingue in base al loro potere penetrante, ossia alla capacità di penetrazione della materia. Si guarda, pertanto, cosa sia in grado di fermare ciascun tipo di radiazione: le particelle alfa dotate di maggior energia vengono generalmente fermate dagli strati di cellule morte che ricoprono la nostra epidermide; mentre elevate dosi di emissioni beta possono causare forti irritazioni della pelle (eritemi), se non vere e proprie ustioni. Le stesse particelle beta non riescono, tuttavia, a superare sottili strati di metallo (e.g. fogli di alluminio) o plastica. Vanno molto oltre i raggi gamma, oppure i neutroni ad alta energia. Questi ultimi vengono tipicamente rallentati o fermati da materiali ad elevata densità, contenenti elementi in grado di sottrarre loro energia tramite urti o di catturarli/assorbirli nei loro nuclei. Nel caso in cui la sorgente radioattiva sia ingerita o inspirata, trovandosi all’interno del corpo, vengono a mancare le barriere di cui sopra; per cui, ad esempio, la pericolosità delle particelle alfa può superare quella di alcune particelle beta. In ogni caso è d’obbligo fare affidamento alla metodologia di misura della radioattività, delle dosi e dei rischi, adottata dai tecnici specializzati in Fisica Sanitaria, Medicina Nucleare e Radioprotezione, a seconda dei casi.

Qualcosa, comunque, fermerà anche i raggi gamma. O no?

Certamente. Vale lo stesso discorso dei neutroni, salvo il fatto che, avendo la radiazione gamma una natura corpuscolare di tipo fotonico, qui non si può parlare di urti. In sostanza, i raggi gamma sono come i raggi X, utilizzati nelle radiografie, e anche se dotati di maggiore frequenza d’onda possono essere schermati, per esempio, con strati di piombo di opportuno spessore. Esiste, infine, in natura un particolare composto, che nelle giuste quantità è perfettamente in grado di fermare i raggi gamma e fa allo scopo anche per tutti gli altri tipi di radiazioni: l’acqua.

Note ed ulteriori letture

[1]  Per esigenze di brevità la risposta è obiettivamente incompleta e potrebbe dare adito a critiche. Si raccomanda, dunque, di tener conto che la complessità dell’argomento richiede una distinzione tra Meccanica Quantistica, in grado di fornire una parziale predittività alle basse energie, e Teoria Quantistica dei Campi, che è coerente con la Relatività Ristretta e che permette una descrizione di fenomeni macroscopici al di fuori della portata sia della Meccanica Classica che di quella Quantistica (e.g. superconduttività, superfluidità, ferromagnetismo).

[2]  Gli isotopi emettitori di neutroni sono tutti artificiali: non vi sono emettitori naturali di neutroni. O meglio, non direttamente: bisogna tenere conto delle reazioni nucleari del tipo (α, n) e (γ, n). Gli alfa o gamma prodotti da un emettitore possono interagire coi nuclei che incontrano e dare luogo a reazioni con produzione di neutroni. Le sorgenti di neutroni comunemente utilizzate si basano appunto su questo principio. L’altra sorgente neutronica classica è la fissione. La fissione spontanea è rarissima negli elementi naturali, viceversa alcuni elementi prodotti artificialmente sono forti emettitori di neutroni per fissione spontanea. [http://dienca.ing.unibo.it/Mostacci/download/Cap_II.pdf]