LA RADIOATTIVITÀ

“UNA FACCIA DELLA NATURA”

DI FULVIA UGOLINI (corso di fisica informatica)

L’idea della stesura di questa relazione sull’origine della radioattività e sui suoi utilizzi è partita in seguito alla visita di una mostra, sull’argomento, tenuta al Polo Scientifico di Sesto Fiorentino, grazie all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e con la collaborazione del Dipartimento di Fisica di Firenze e dell’Università di Firenze, nei giorni 14 Aprile-8 Maggio ’02.

 La radioattività è un aspetto fondamentale della natura che ci circonda, è presente ovunque ed è antica quanto l’universo.

Ogni fenomeno naturale si riconduce alla proprietà dei nuclei atomici, creati nel corso dell’evoluzione dell’universo in processi che continuano tutt’ora; per proseguire con la spiegazione dobbiamo, però, brevemente affrontare la costituzione dell’atomo.

 

STRUTTURA DELL’ATOMO

 L’atomo è costituito dal nucleo, in cui è concentrata quasi tutta la massa, formata da protoni (di carica positiva) e neutroni (neutri). Intorno al nucleo disposti su orbitali si trovano gli elettroni (di carica negativa) ai quali competono diversi livelli di energia. La massa atomica di un elemento è data dall’insieme dei neutroni e dei protoni.  Il numero dei protoni costituisce il numero atomico dell’elemento.

Alcuni elementi possiedono nuclei instabili ed hanno quindi la possibilità di trasformarsi in modo spontaneo in altri nuclei, emettendo radiazioni energetiche: questi decadimenti spontanei costituiscono la radioattività.

Fu nel 1902 che E. Rutherford e F. Soddy avanzarono una teoria sulla disintegrazione radioattiva secondo la quale gli atomi degli elementi radioattivi subiscono una spontanea trasformazione in atomi di altri elementi attraverso un processo accompagnato dall’emissione di radiazioni.

Tale teoria era rivoluzionaria per quei tempi, poiché gli scienziati, fino ad allora, avevano considerato gli atomi come entità non trasformabili e non si era ancora a conoscenza di una descrizione dell’atomo in termini di nucleo e elettroni.

Gli elementi molto pesanti (cioè ad alto numero atomico) sono tutti radioattivi e i loro atomi sono instabili. I vari tipi di radiazioni emesse dai nuclei furono oggetto di studi da parte di H. Becquerel, che indirizzò la sua attenzione verso le proprietà delle radiazioni da lui scoperte fino al 1899; osservò che queste erano deflesse da un campo magnetico, parte nella stessa direzione dei raggi catodici, parte nella direzione opposta, inoltre i due tipi di raggi avevano una diversa capacità di penetrazione dei corpi solidi:

furono chiamati raggi alfa e raggi beta.

Nel 1900, P. Villard scoprì che i minerali radioattivi emettevano un terzo tipo di radiazioni, non deflesso da un campo magnetico e ad alto potere penetrante, a cui fu dato il nome di raggi gamma. 

DACADIMENTO ALFA: il nucleo emette un nucleo di elio, raggio alfa, composto da due protoni e due neutroni:

DACADIMENTO BETA: il nucleo emette un elettrone, raggio beta, ed un neutrino, aumentando il numero atomico di 1unità; il numero di massa rimane inalterato.

 

DECADIMENTO GAMMA: il nucleo passa ad una configurazione di energia inferiore emettendo un fotone, raggio gamma. La carica ed il numero di massa restano invariati.

L’attività di una sostanza radioattiva è data dal numero dei decadimenti al secondo e si misura in Becquerel (Bq). Un Becquerel è un’ unità estremamente piccola.

 I tre tipi di raggi hanno una diversa capacità penetrante dei corpi solidi, ad esempio:

raggi alfa          possono essere fermati senza troppa difficoltà da un foglio di carta, quindi molto pericolose se inalate o ingerite

 raggi beta          possono essere fermati da un foglio di alluminio, sono quindi più penetranti dei raggi alfa

raggi gamma     sono difficilmente ostacolati addirittura da un muro di cemento, possono percorrere fino a centinaia di metri in aria.

 Proprio per questa differenza di penetrazione dei corpi solidi i vari raggi vengono usati in medicina, ad esempio a scopo curativo dei tumori. A seconda della profondità a cui si trova il tumore potremmo irradiarlo di fotoni, protoni o carbone e in ognuno di questi casi avremmo risultati diversi, come vediamo nel grafico sotto riportato.

  Sull’asse delle ascisse abbiamo in cm la profondità della pelle e ad un livello tra i 9 e i 18 cm si trova un tumore, sull’asse delle ordinate abbiamo l’efficacia di ogni radiazione in una scala di valori che indicativamente va da 0 a 10.

Come possiamo notare i fotoni possiedono una grande efficacia che però si concentra sui primi centimetri di tessuto, i protoni hanno un basso livello di azione ma che comunque copre un percorso maggiore dei fotoni, ed infine i nuclei di carbonio possiede una grande efficacia precisamente direzionata sulla zona da curare. 

Poiché la radioattività è ormai parte della nostra quotidianità viste le sue molteplici applicazioni non ci rendiamo conto che questa ci circonda. Riprendendo da ciò che la mostra ci offriva possiamo fare un lungo elenco:

• SISTEMI DI CONTROLLO ANTINCENDIO
• OGGETTI LUMINESCENTI
• STERILIZZAZIONE DI ALIMENTI
• CONSERVAZIONE DELLE DERRATE ALIMENTARI
• STERILIZZAZIONE DI MATERIALI MEDICI
• INDURIMENTO DELLE PROTESI
• CONTROLLI DI SICUREZZA.

 La radioattività è utilizzata anche per analizzare, studiare e conservare opere d’arte, datarle e stabilirne la composizione; si è ricorsi, ad esempio, a metodi radioattivi per datare i cavalli di San Marco a Venezia e alcune pitture rupestri; per sterilizzare la mummia di Ramsete (con raggi gamma); per lo studio dell’ inchiostro degli scritti di Galileo Galilei che variava da mese a mese, a seconda dell’ordine.

 

FISSIONE NUCLEARE

 L’uranio 238 è l’elemento naturale con il più alto numero atomico, perciò bombardandolo con neutroni possiamo ottenere artificialmente altri elementi. Se per esempio l’U 238 acquista un neutrone si trasforma nell’U 239, un isotopo radioattivo che per emissione di particelle beta (elettroni) si trasforma in nettunio, che a sua volta, cedendo elettroni, trasmuta in plutonio. Se si bombardano  con neutroni isotopi di elementi radioattivi, i nuclei si rompono per dar luogo a elementi con massa minore e a emissione di neutroni.

Si ha così la fissione nucleare.

L’uranio 235 bombardato si scinde in cripto e bario con emissione di 3 neutroni oppure in xeno e stronzio con la stessa emissione di 3 neutroni.

I neutroni emessi producono la fissione di altri atomi e quindi la reazione a catena; perché questo avvenga occorre che i neutroni non fuggano e che vengano rallentati con elementi come H₂O o grafite.

Questo processo è molto importante per la produzione di energia nucleare.

LE CENTRALI NUCLEARI

 Durante i processo di fissione nucleare si libera, come si è detto, una gran quantità di energia: l’85% sotto forma di calore e per il resto sotto forma di raggi beta e gamma.

Tutto questo avviene in centrali nucleari, delle quali si distinguono due tipi:

q       Bowling water reactor BWR

q       Pressurized water reactor PWR

Il nocciolo dove avviene la reazione nucleare è costituito da un reattore isolato accuratamente in cui ci sono il materiale fissile e le barre di controllo che, assorbendo neutroni, sono in grado di regolare la reazione. Il vapore prodotto passa in uno scambiatore di calore in cui il calore stesso è ceduto all’acqua, che portata ad alta temperatura, è convogliata verso una turbina; questa muove un alternatore per la produzione di energia elettrica. Perché si possa produrre energia occorre che la reazione raggiunga la condizione critica che si ottiene nel momento in cui uno dei tre neutroni emessi dall’atomo, viene rallentato e gli altri vengono dispersi. Se i neutroni rallentati sono troppo pochi si può avere un arresto della reazione, se sono troppi si va verso l’esplosione atomica, come quella che avviene nelle bombe atomiche.

 L’IMPIEGO DELL’ENERGIA ATOMICA

 Il primo reattore nucleare è stato quello dovuto a Enrico Fermi, che iniziò a funzionare nel 1942 a Chicago (USA). Da allora molti paesi hanno sviluppato programmi di impiego dell’energia nucleare per la produzione di elettricità.

 ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO 1987

 LA FUSIONE NUCLEARE

 La fusione nucleare consiste nell’unione dei nuclei di due atomi e si può verificare solamente con elementi che hanno numero di massa atomica basso.

La fusione richiede una grande energia di attivazione; gli sforzi dei ricercatori di tutto il mondo sono rivolti alla messa a punto di un processo controllato di fusione che non richieda anche nella pratica l’impiego di più energia di quanta se ne possa ottenere.

Nel sole la fusione avviene a temperature di centinaia di milioni di gradi, alle quali la materia si trova allo stato di plasma in cui negli atomi gli elettroni si dividono dai nuclei.

Il principale problema  tecnico è quello del sconfinamento del plasma che non può venire a contatto con contenitori di alcun genere data la sua elevata temperatura; ne provocherebbe la vaporizzazione.

I grossi ostacoli che si presentano nella fusione a caldo possono essere aggirati nel caso che si possa produrre una fusione a freddo nella quale i nuclei del deuterio e del tritio possano fondere a temperature vicine a quelle ambientali. La reazione a freddo può essere innescata dai muoni, particelle elementari a vita breve, con massa molto piccola che però è 207 volte superiore a quella dell’elettrone.

I muoni sono presenti nell’alta atmosfera e sono riproducibili bombardando, ad esempio, il carbonio con fasci di ioni.

 A questo proposito possiamo spiegare il funzionamento di un rivelatore di muoni riprendendo la spiegazione fornita alla mostra del Polo Scientifico di Sesto Fiorentino:

 ADAMO

 (Altazimuthal Detector for Atmosferic Muons Observation)

<<É un rivelatore di particelle progettato per lo studio a terra della radiazione cosmica. I raggi cosmici sono particelle, principalmente protoni e nuclei, che investono continuamente la Terra e sulla cui origine si hanno ancora conoscenze limitate. L’interazione di queste particelle con le molecole dell’atmosfera dà luogo alla produzione di “sciami” di particelle nei quali sono abbondanti i pioni. Questi dopo circa trenta miliardesimi di secondo decadono producendo neutrini e muoni. I muoni costituiscono una delle componenti maggioritarie dei raggi cosmici che giungono fino alla superficie terrestre.

L’obiettivo di ADAMO è quello di effettuare misure precise della loro distribuzione energetica ed angolare.

L’apparato è uno spettrometro costituito da un magnete permanente cavo che produce un intenso campo magnetico (circa 0,6 Tesla) all’interno del quale sono posti tre rivelatori a microstrisce al silicio in grado di registrare il passaggio del muone con una risoluzione spaziale di 5micron. Una coppia di scintillatori segnala il passaggio del muone e attiva la sequenza di lettura dei segnali elettrici prodotti dal sistema tracciante, che sono amplificati, digitalizzati e trasmessi ad un computer, per l’elaborazione dei dati.

Alcune misure sono già state fatte a Firenze e il programma futuro prevede la ripetizione di queste misure a quote altimetriche più elevate, in modo da evidenziare le dipendenze dei flussi di muoni dalla profondità in atmosfera.

Grazie Fulvia per l'impegno che hai dimostrato.

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