NOTA - RADIOATTIVITA' INTRODUZIONE

La radioattività naturale fu osservata per la prima volta nel 1896 da Henri Becquerel, studiando il fenomeno della fluorescenza di alcuni sali di uranio, noto casualmente che i campioni che stava analizzando emettevano una radiazione penetrante simile a quella descritta un anno prima da Roengten.

Successivamente si constato che gli atomi che emettono radiazioni sono instabili e decadono formando nuovi atomi.

Nel tempo si stabili che esistono tre distinti tipi di radiazioni naturali indicate come radiazioni e sono: alfa a, beta b e gamma g.

Sappiamo che in natura esistono elementi radioattivi, che cioè emettono delle particelle dannose per il nostro organismo. Ma vediamo cosa sono in fisica questi materiali radioattivi.

Essi sono degli elementi il cui nucleo è particolarmente instabile e, emettendo una particolare particella, possono trasformarsi nel nucleo di un altro elemento, possono cioè decadere.

Questo decadimento non è casuale, ma accade secondo una legge chiamata del decadimento radioattivo.

Si tratta di una funzione esponenziale che permette di calcolare, dato un campione radioattivo con un numero iniziale di nuclei instabili N₀, il numero di nuclei decaduti N(t) nel dato tempo t: N(t) = N₀ e^(-λt). Il parametro λ, chiamata costante di decadimento, è tipico di ogni elemento e determina la velocità del processo di trasformazione.

Dalla legge del decadimento radioattivo deriva la definizione del tempo di dimezzamento, un parametro comunemente utilizzato per valutare la velocità di decadimento di un elemento radioattivo. Definito come il tempo necessario perché il numero di nuclei instabili di un campione si dimezzi, è dato da: T(⅟₂) = (ln 2)/λ, dove ln rappresenta il logaritmo naturale.

Il tempo di dimezzamento può variare molto da un elemento all’altro: esistono specie radioattive con valori di T(⅟₂) dell’ordine del secondo e altre con valori dello stesso parametro paragonabili all’età della Terra.

Esistono diversi tipi decadimenti radioattivi: i principali sono il decadimento alfa e il decadimento beta. Nel decadimento alfa viene emessa una particella alfa, che altro non è che un nucleo di un atomo di elio (He).

Questo tipo di decadimento fa diminuire di due unità il numero atomico Z e di quattro unità il numero di massa A. In questo modo l’atomo figlio, decaduto in un altro elemento, occuperà due posizioni in meno nella tavola periodica rispetto all’atomo padre.

Ad esempio l’uranio-238, un isotopo dell’uranio, decade, emettendo una particella alfa, in un elemento con numero atomico 90 e numero di massa 234, che corrisponde al torio.

Il decadimento beta esiste invece in due versioni: beta meno e beta più. Nel decadimento beta meno un neutrone del nucleo instabile si trasforma in un protone, emettendo nell’ambiente un elettrone e una piccola particella priva di carica, l’antineutrino.

Con questo decadimento l’atomo aumenta il proprio numero atomico di una unità, trasformandosi nell’elemento che lo segue nella tavola periodica, mentre il numero di massa resta uguale.

Nel decadimento beta più un protone si trasforma in un neutrone, liberando un positrone (un elettrone di carica positiva) e un neutrino elettronico. In questo modo il numero atomico dell’atomo instabile diminuisce di una unità, trasformandolo nell’elemento che lo precede nella tavola periodica.

Pericolosità delle particelle alfa a, beta b e gamma g.

Ogni volta che si considera il rischio di un danno biologico da conseguente contaminazione da radiazioni, si possono distinguono due diversi modi di contaminazione con la materia organica:

Per la natura di scarsa penetrazione in sostanze dense, le particelle a emesse da radioelementi, anche quelle di più alta energia, riescono al massimo a penetrare lo strato morto della pelle del corpo umano e non raggiungono il tessuto vivente per cui non  si può riscontrare un rischio di danno biologico.

Tuttavia per la contaminazione interna, essa rappresenta un pericolo più grave.

Come abbiamo già indicato per la sua scarsa penetrazione nelle sostanze dense, si concentra tutto sullo strato superficiale, e depositarsi con un'alta concentrazione, dal momento che tutta l'energia delle (a) verrà assorbita in quella zona, non potrà distribuirsi su una massa più grande di tessuto, quindi la radiazione (a) si fissa in un organo, del corpo umano, e potrà esserne gravemente danneggiato.

Le particelle (b) non sono altro che elettroni, emessi dai nuclei instabili dei atomi radioattivi.
Questa emissione può essere caratterizzato sia da elettroni negativi, che da elettroni positivi (positroni).
Con il termine di particella (b) si identificano sia i elettroni negativi che quelli positivi, in quanto differiscono solo dal segno della carica, avendo la stessa massa a riposo.

Contrariamente a quanto avviene per le particelle (a), le particelle (b) non vengono emesse con una energia fissa e ben determinata, ma variano in uno spettro continuo fino ad il suo valore massimo di energia, valore caratteristico per ogni radioisotopo.

Anche per gli elettroni che interagiscono con la materia riducono la loro energia fino a perdere il loro movimento cinetico, provocati da questi due fattori:

• urto - effettuato con gli elettroni orbitali, questo porta a una perdita di energia che si tramuta in eccitazione e ionizzazione.
  
• interazione - con i nuclei che si tramutano in emissione di raggi-X (questo processo avviene prevalentemente quando i raggi (b) hanno energie elevate).
  
  

Poiché le particelle beta (b) hanno una massa molto più piccola rispetto a quelle alfa (a), le interazioni tra le due risultano meno frequenti e quindi la ionizzazione specifica dei raggi (b) rimane più bassa, a parità di condizioni con quelle delle particelle (a).

Nell'aria i valori di ionizzazione variano per gli elettroni (particelle (b)) da 60 a 7.000 coppie ioni/cm, contro le corrispondenti da 10.000 a 70.000 coppie ioni/cm, per le particelle (a).

Il potere frenante degli elettroni diminuisce quando il numero atomico Z della sostanza assorbente aumenta, in relazione al fatto che le sostanze ad elevato Z hanno una minore densità di elettroni: questi elettroni, inoltre, sono legati più strettamente al nucleo.

Tuttavia al crescere di Z, aumenta anche la diffusione multipla degli elettroni, che comporta un aumento del loro percorso effettivo nella sostanza.

Questi due processi tendono a bilanciarsi uno con l'altro così che la densità di una sostanza dà un'idea della sua bontà ad arrestare gli elettroni.

E' anzi prassi comune esprimere la penetrazione degli elettroni in mg/cm² , in questo caso risulta all'incirca indipendente dal tipo di composto organico assorbente.

Da parte della materia l'assorbimento delle particelle (b), segue una legge precisa che comporta il  decadimento esponenziale caratterizzato dal coefficiente di assorbimento della massa m.

I raggi b può essere identificato come un rischio provocando danni biologici per l'irradiazione esterna che per la contaminazione interna.

Le radiazioni (g) al pari delle precedenti, sono neutre e si propagano alla velocità della luce c = 3 x 10⁸ m/s.  I raggi g risultano essere molto penetranti e per la loro natura sono fotoni generati nei fenomeni di rilassamento del nucleo, non subiscono deviazioni per effetto del campo magnetico poichè si trattano di radiazione elettromagnetica, cosi come i raggi-X.

Così come questi ultimi, vengono anche denominati “fotoni” in quanto portatori di un “quanto”, radiazione elettromagnetica o di luce. I rischi del danno biologico e genetico conseguenti alle radiazioni X e (g), sono strettamente connessi alla loro elevata capacità di penetrazione che gli permette di penetrare in aria e nel tessuto organico. Dal punto di vista della contaminazione interna, il fatto che i raggi X e g sono molto penetranti.

Durante l'irraggiamento i fotoni rappresentano un alto grado di pericolosità per due motivi: