Ho pensato di lasciare la risposta sul futuro di Fukushima, del Giappone e dell’energia a Simone, certamente più esperto di me in materia. Farò invece una serie di post sulla radioattività e sulla radioprotezione. In questo primo post parlerò della radioattività.
A causa dell’incidente avvenuto in Giappone alla centrale di Fukushima, abbiamo avuto modo di sentir parlare molto spesso di radiazioni, radioattività e radioprotezione.
Sebbene siano tutte parole ormai entrate nel gergo comune, usato da stampa e media con disinvoltura, è spesso difficile capire cosa veramente vogliano dire i numeri e le unità di misura legate a queste parole. In passato ho già scritto un post, generico, sugli effetti delle radiazioni ionizzanti sull’uomo. Oggi, invece, cominciamo con alcune definizioni.
La radioattività, o decadimento radioattivo, è la trasformazione spontanea di un nucleo in un altro nucleo, caratterizzato da minore energia. Il decadimento radioattivo è quindi accompagnato da un’emissione energetica atta a mantenere il bilancio energetico della reazione. Il modo in cui avviene la trasformazione del nucleo e il rilascio energetico è variabile, e dipende dalle caratteristiche del nucleo iniziale (per esempio se è ricco o povero di neutroni).
La trasformazione del nucleo, può avvenire per “decadimento alpha“, ovvero con rilascio di una particella alfa, che altro non è se non un nucleo di elio (due neutroni e due protoni). Questo decadimento ha luogo quando il rapporto tra neutroni e protoni è troppo basso. Poiché questa particella molto massiva deve liberarsi da un nucleo fermo, a riposo, deve “caricarsi” di tutta l’energia possibile per poter rompere la barriera di potenziale che la tiene legata al nucleo progenitore.
Per questa ragione il nucleo figlio non è quasi mai in stato eccitato (quasi qui è la parola chiave). Questo è importante perché se il nucleo è eccitato dovrà rilasciare energia e lo può fare in solo due modi: emissione di raggi gamma o conversione interna.
Oppure può avvenire per decadimento beta, ovvero con l’emissione di un elettrone.
La radiazione detta beta negativa consiste nell’emissione di un elettrone nucleare. Ricordiamo che questo elettrone non ha nulla a che vedere con gli elettroni atomici che vivono negli orbitali dell’atomo. Questi elettroni hanno provenienza direttamente dal nucleo, generati dalla trasformazione elementare di un neutrone in un protone. Per mantenere valido il computo dell’energia è necessario emettere anche un’altra particella durante questa reazione, il neutrino. A causa della bassissima capacità di interazione del neutrino con la materia, questa particella non è mai considerata durante i discorsi di radioprotezione.
Esistono anche nuclei che sono detti emettitori beta positivi. Questa radiazione è a prima vista molto strana. Si tratta infatti dell’emissione di un elettrone positivo (positrone) e di un neutrino, a conseguenza della trasformazione di un protone in un neutrone. La reazione è strana in quanto il neutrone, da solo, ha già un’energia superiore al protone.
Questa reazione quindi può accadere solo in nuclei con configurazioni di energie di legame molto particolari, tali che la reazione, nel suo complesso nucleare (non cioè a livello elementare) risulti avere un bilancio energetico positivo. Molto simile all’emissione beta è il decadimento radioattivo chiamato cattura K. In questo caso, il nucleo affamato di neutroni, se non riesce a trasformare un protone in neutrone via decadimento beta+, può catturare un elettrone atomico, nello specifico quello dell’orbitale K, che è il più basso.
L’elettrone può così interagire con un protone, per creare un neutrone e un neutrino. Cosa succede allora? C’è un “buco” tra gli elettroni atomici. Uno degli elettroni negli orbitali più energetici, quindi, si sente in dovere di scendere al livello K, e così facendo emette un fotone (generalmente nella frequenza dei raggi X).
Come accennato prima, quando un nucleo si trova in stato eccitato (per esempio come conseguenza delle reazioni di disintegrazione), emette energia sotto forma di “emissione gamma“. Questi raggi gamma non sono altro che fotoni. Le particelle che compongono il nucleo sono disposte in livelli energetici, proprio come accade per gli elettroni attorno al nucleo.
Quando il nucleo si diseccita emette quanti di energia (fotoni) in corrispondenza dei livelli energetici. Vi sono anche nuclei che sono, naturalmente, emettitori gamma. In questo caso il nucleo eccitato non è propriamente instabile, ma si dice “metastabile”. Un tipico caso è il Cesio 137, con un’emivita di 30.17 anni, emettendo un fotone a 662 keV (in questo caso, si dice radiazone X “dura”, e non gamma, che è definta nell’ordine dei MeV). Può anche succedere che un nucleo emetta un raggio gamma in conseguenza ad un’emissione beta positiva. Se il positrone emesso, infatti, incontra un elettrone, la sua anti-particella, si annichilisce, trasformando l’energia delle due particelle in un fotone.
Un altro modo di dis-eccitamento del nucleo è la conversione interna. In questo caso il nucleo trasferisce la propria energia in eccesso ad un elettrone orbitale (di solito dell’orbitale K o L) che a sua volta si eccita e viene espulso dall’atomo. Di nuovo, prendiamo l’esempio del Cesio 137. Esso si trasforma per emisisone beta- in Bario137 eccitato (la cui vita media è 2.55 minuti).
Nel 94,4% dei casi questo si disecciterà emettendo un fotone gamma (i 662 keV di prima). Nel 10.6% dei casi questo fotone darà luogo a conversione interna. Quando l’elettrone è espulso, deve essere sostituito da un altro elettrone, che precipita ed emette un fotone. Questo fotone, meno energetico, può a sua volta “scalzare” un elettrone orbitale. Questo elettrone viene detto ” effetto Auger“, ma non è interessante nel computo della radioprotezione perché non è rischioso per l’uomo.
Quando si parla di nuclei radioattivi si cita spessi il tempo di dimezzamento, o emivita. La ragione è che questo numero è una caratteristica imprescindibile del nucleo, non modificabile. Se contiamo il numero di decadimenti al minuto di un nucleo, noteremo come dopo un certo tempo questo numero verrà dimezzato. Prendiamo per esempio lo iodio131. Facciamo una misura della sua attività oggi, e la ripetiamo di giorno in giorno. Noteremo che dopo 8 giorni questo numero sarà ridotto della metà. Dopo altri 8 giorni, avremo di nuovo la metà, e così via. Tutti i processi radioattivi seguono questa legge.
Quando prendiamo una quantità di un elemento, per sapere quandi nuclei ci sono dobbiamo moltiplicare il numero atomico (ovvero il numero di nucleoni: nell’uranio238 è 238) per il Numero di Avogadro. Verremmo così a sapere che un grammo di uranio 238 contiene 2.5×10^{21} nuclei di uranio. La quantità di materia non corrisponde però alla quantità di radioattività. Se prendiamo il Torio234, che ha un peso atomico molto simile, vedremo che la sua radioattività è molto diversa. Infatti poiché l’emivita del torio è di soli 24.1 giorni, al contrario dei 4.5×10^9 anni dell’uranio, per avere la stessa quantità di radioattività tra i due elementi dovremmo prendere 1 grammo di torio e ben 680000 tonnellate di uranio! Per questo quando si parla di isotopi su vuole avere un’idea della loro attività e non solo della quantità di isotopo che abbiamo. L’unità standard (SI) della quantità di elementi radioattivi (attività) è il bequerel (Bq), definito come quella quantità di isotopo che dà luogo a una disintegrazione al secondo. In passato (ma ancora oggi fuori dall’ambito scientifico) si usava il Curie (Ci), definito come l’attività corrispondente a una massa di 1g di Radio226. La conversione tra curie e bequerel è: 1Ci = 3.7×10^{10}Bq (per convenzione il fattore di conversione è esattamente 3.7×10^{10}).
Se accanto ad un nucleo che decade vi è un’altra sorgente di attività (per esempio il nucleo figlio è anch’esso instabile) il computo della radioattività totale sarà più complesso. In questo caso, per sapere l’attività finale del sistema, è necessario risolvere delle equazioni differenziali. Un esempio di tale sistema sono le catene di decadimento naturali. Una catena di decadimento ha luogo quando il prodotto del decadimento di un nucleo è a sua volta radioattivo. Vi sono in natura tre grandi famiglie, più una estinta, generate a partire da un nucleo capostipite che decade in un nucleo instabile, che a sua volta produce un nucleo instabile, e così via, fino a quando non si produce un nucleo stabile. Tutte le famiglie, tranne quella estinta, finiscono in un isotopo del Piombo. Le famiglie sono illustrate nella figura qui sotto.
La prima serie è quella del Torio, che parte dal Torio232, con una vita di dimezzamento di 1.39×10^10 anni. Questa serie si conclude con il Piombo208, stabile. Tra gli elementi generati in questa catena c’è il Radon220. Questo elemento è presente in natura sotto forma gassosa e con una vita media di soli 3.8 giorni. È un emettitore alpha e quindi può essere pericoloso. Come vedremo nei prossimi post, infatti, sebbene le particelle alpha non siano in grado di attraversare materiali, possono essere pericolose se l’emettitore è ingerito, come può accadere respirando Radon. La seconda famiglia è quella dell’Uranio, che ha come capostipite l’Uranio238. Da notare come anche questa catena contenga il Radio226 che decade dopo 1602 anni in Radon222. La terza serie è quella dell’Attinio, che comincia con l’Uranio235. Poiché l’Uranio235 ha un tempo di dimezzamento relativamente breve se confrontato con la vita dell’Universo, gli elementi presenti in questa catena sono estremamente rari in natura (la proporzione attuale di Uranio235 in natura è 0.25%).
L’ultima famiglia è quella del Nettunio (Np237), il primo dei transuranici, con una vita media di “appena” 2.25×10^6 anni. A causa della vità così breve del capostipite di questa famiglia, rispetto alla vita dell’Universo, i mebri di questa serie sono quasi tutti estinti. È però possibile ricreare il Np237 in laboratorio, ridando vita a questa famiglia.
Adesso che sappiamo come funzionano i decadimenti radioattivi, ci troviamo a dover capire le particelle emesse in questo modo: le alpha, beta e gamma.
Quando una particella attraversa della materia, rilascia energia. Per ogni particelle si può definire una quantità chiamata “stopping power” ovvero la quantità di energia che perde per unità di lunghezza (dE/dX). Questa quantità è importantissima in quanto da essa dipende il tipo di schermatura necessario per una particella, ma anche l’effetto che ha sul corpo umano.
Una particella alpha, per esempio, può percorrere solo 6/7 cm in aria, prima di perdere tutta la propria energia e scomparire. Così, un elettrone beta, potrà percorrede circa 5/7 metri. I fotoni invece possono percorrere diversi chilometri in aria, prima di perdere la propria energia.
Ma questo, lo vedremo nel prossimo post!
diofa, non c’ho capito un cazzo, cmq fiko sto articolo, detta legge!
si fa presto a dire radioattivo…
io una serie di domande:
So che esistono radiazioni ionizzanti e non ionizzanti, di cui solo le prime sono pericolose. Da un evento come Fukushima (o Chernobyl, o Three Miles Island, o altro..) cosa può uscire?
Il tempo di dimezzamento come si inserisce nel discorso della radioattività? Se dal reattore fossero usciti fuori prodotti molto radioattivi ma con emivita di 2 ore (per dire) sarebbe stato meglio o peggio di prodotti con emivita di 30 anni ma a bassa radioattività?
Il “livello di radioattività” intorno alla centrale cosa indica? La presenza di particelle alfa, beta e gamma? Queste emissioni avranno un loro “range” di efficacia, immagino.. nel senso, se sei a una certa distanza puoi considerarti al siguro… o no?
tanto per cominciare ;-)
ciao e grazie!
*sicuro
Ciao Eleonora, sappi che almeno un paio di fisici ti leggono ;) . Allora, bene, e alcuni commenti: qui non vedo una definizione di eV (e MeV). Sul tempo di dimezzamento farei anche notare meglio che la quantità di materiale radioattivo si dimezza dopo un’emivita di tempo, che è ovvio, ma è meglio scriverlo, e così via finché puff. Immagino ci sarà anche un articolo sulla radioprotezione. Ignoro se pianifichi anche un articolo sulla radioterapia, non sarebbe male coprire anche quest’argomento.
novo:
Le radiazioni ionizzanti e non ionizzanti le ho spiegate nei relativi post:
http://www.appuntidigitali.it/4862/effetti-delle-emissioni-radioattive-sul-corpo-umano/
e
http://www.appuntidigitali.it/4935/effetti-della-radiazione-non-ionizzante-sulluomo/
Anche le radiazioni non ionizzanti possono essere pericolose: sottoporti troppo a lungo alla radiazione ultravioletta del Sole può portare al melanoma.
Le radiazioni di cui si parla a Fukushima sono ionizzanti, e sono del tipo descritto in questo post. Finora ho descritto solo la radioattività, che si misura in bequerel. Il “livello di radioattività” dovrebbe (dico dovrebbe perché nei giornali fanno molta confusione e spesso indicano grandezze diverse) essere proprio questo, ovvero la quantità di isotopi radioattivi espressi in bequerel. Spesso, invece fanno riferimento alla dose assorbita, che è una grandezza diversa che tratterò nel prossimo post.
Per quanto riguarda la domanda sull’emivita:
“Se dal reattore fossero usciti fuori prodotti molto radioattivi ma con emivita di 2 ore (per dire) sarebbe stato meglio o peggio di prodotti con emivita di 30 anni ma a bassa radioattività?”
La domanda posta così è un po’ fuorviante. La radioattività tiene conto del rate di emissione, quindi dell’emivita. Per questo, come nell’esempio del post, 1 ora di esposizione ad 1 grammo di Torio234 corrisponde a 1 ora di esposizione a 680000 tonnellate di uranio. D’altro canto, se una zona è contaminata da Torio, basterà aspettare qualche settimana perché sia di nuovo pulita come prima. Al contrario, se è contaminata da Cesio137, per esempio, che ha un’emivita di circa 30 anni, bisogna aspettare molte molte decine di anni. Dopo 60 anni avrai 1/4 della quantità iniziale. Dopo 90 1/8 e così via. Questo però se l’uomo non tocca nulla, ovviamente, ci sono metodi di decontaminazione.
Ma ne parleremo alla prossima puntata :P
@TwoMinds
Hai ragione non ho definito gli elettronvolt (l’ho fatto negli altri articol però…). È un lapsus freudiano a usarli come il pane: come dire che la velocità della luce è uguale a 1 :P
Aggiungo il link a wikipedia.
Il tempo di dimezzamento l’ho descritto come: “Se contiamo il numero di decadimenti al minuto di un nucleo, noteremo come dopo un certo tempo questo numero verrà dimezzato. ”
Per quanto riguarda i prossimi post ne farò certamente uno sulla radioprotezione. Per la radioterapia sarebbe interessante, ma ho scarse basi. Se vuoi collaborare, contattami!
Salve, non ho ben capito la beta positiva, forse perchè non ho capito molto in generale; comunque si passa da un nucleo con un tot di energia ad un nucleo con un tot in meno di energia, questa è la radioattività. L’energia va persa con una emissione di raggi gamma, o x ecc. a seconda del materiale.
La beta positiva invece è strana perchè c’è una perdita di energia ma in maniera un pò contorta? Se il neutrone ha una energia maggiore, nel complesso com’è che il nucleo atomico si ritrova ad avere meno energia di prima? C’è un neutrino emesso sia nella b- che nella b+, mentre ( presumo come sconseguenza di un processo inverso ) un positrone nella b+, invece che un elettrone come nella b-. Questo positrone è sempre nucleare? Ma soprattutto, ha un valore energetico superiore rispetto al fratello negativo? Non credo, se non sbaglio si tratta di materia e anti materia, dovrebbero essere gemelli. Come si inserisce nel modello ( si dice così? ) della fisica attuale questo processo, si incastra bene o ci va un pò forzato, e quindi da lo spunto per elaborare teorie diverse?
Un’ultima cosa, viene emessa materia, come dicevamo, in più anche fotoni, i quali sarebbero i raggi gamma o x, ma non ho capito se sono cose distinte o se sono la stessa cosa; dovrebbero essere due cose distinte, no? Quello di cui ci si preoccupa maggiormente ( considerando anche quanto detto sullo sfuggente neutrino ) sono i rilasci di nergia fotonica, se così si può dire. Insomma, forse non capisco bene la distinzione fra materia ed energia? Non sono due concetti ambigui, ambivalenti, complemetari?
Poi avrei altre domande.. in natura, Considerando anche lo spazio, dov’è che avvengono le varie reazioni, soprattutto le beta negative, oppure se sono solo riprodotte da noi artificialmente, per così dire; poi, come fa a caricarsi di energia una particella per disgiungersi dall’altra ( come nel decadimento alpha ) da dove prende questa energia in più, ecc.. ah e poi come interagiscono le particelle emesse in questi processi con gli atomi del nostro corpo..va beh, comunque grazie per l’articolo, questa rubrica è sempre molto interessante. leggo anche le altre comunque, ma questa mi garba di più.
Jackasos:
1) Hai ragione per quanto riguarda i neutrini: nella beta negativa si emette un anti-neutrino. Spesso si ignora questo fatto (come ho fatto io) perché per l’analisi della radioattività non cambia nulla e neutrino e antineutrino possono essere trattati nello stesso modo.
2) Beta positiva: a livello elementare non può avvenire spontaneamente. Non importa quanto a lungo osservi un protone, questo non si trasformerà mai in un neutrone se non gli fornisci energia tu. All’interno di un nuceo questo è diverso, perché bisogna considerare l’energia di legame, ovvero l’energia meccanica che tiene assieme le particelle. Se il nucleo figlio ha un’energia di legame maggiore del nucleo progenitore, il decadimento beta+ può avvenire. Il positrone emesso è di origine nucleare, come l’eletrtone del beta-. Hanno la stessa origine, sono fratelli.
3) Ci sono vari tipi di radiazioni. Per l’emissioni alpha e beta si emettono particelle con massa. Nel caso di emissione X o gamma, si emettono fotoni. Ciascuna particella si comporta diversamente quando interagisce con la materia: dipende dalla massa, dalla carica e da altri parametri che descrivono la “carta d’identità” della particella (lo spin, per esempio). Tutte le particelle, però, che abbiano o non abbiano massa, seguono le stesse leggi. Quando parliamo di interazione delle radiazioni con il corpo umano, che siano particelle massive o fotoni, descriviamo un’interazione elettromagnetica. In fisica, l’energia è quantistica, ovvero suddivisa in unità distinte: i fotoni. Queste unità sono particelle, come tutte le altre.
4) Le catene di decadimento che ho descritto avvengono in natura. Sono le catene presenti sulla Terra, e rappresentano una parte di quella che viene chiamata “radiazione di fondo”, ovvero una radiazione presente in natura con la quale conviviamo da sempre. L’uomo non ha inventato niente: tutte le reazioni che riproduciamo, anche in acceleratori complessi come l’LHC (figuriamoci nelle centrali) sono tutte reazioni che esistono in Natura. Non tutte avvengono sulla terra, ma nel nostro pianeta abbiamo esempi naturali di ogni genere di emettitore.
Il Radon che io sappia è molto pericoloso, può concentrasi negli scantinati che non sono ben arieggiati, generalmente lo trasporta l’acqua di sorgente.
a proposito di radiazioni e del dopo disastro
vi ripropongo
Un sogno Akira Kurusawa
grazie delle risposte! aspetto la prossima parte :D
Il Radon non è presente anche nel tufo?
Ne sento parlare spesso ma non ho trovato nulla di esaustivo in rete.
Può essere in qualche modo pericoloso se si ha un’abitazione costruita con questo materiale?
Il radon può essere molto dannoso, un percentuale considerevole di tumori al polmone sono causati dal radon. È presente nel tufo e nelle rocce porose. Il lato positivo è che è facile aventare il rischio areando bene la casa ogni 2 /3 giorni. Scriverò un post a riguardo….
OK, grazie, molte cose mi sono più chiare, in più ne ho apprese alcune, per esempio non sapevo che i fotoni non avessero massa, e il mio problema di distinzione fra materia ed energia stava tutto nel mio definire materia ciò che ha massa ed energia ciò che non ne ha; che tra l’altro ora che ci penso è pure una sciocchezza, perchè gli elettroni hanno massa, e la corrente elettrica.. già, ma appunto la corrente elettrica non è propriamente energia, la si definisce comunemente così associando questo concetto alla corrente, credo; in realtà presumo ci sia una definizione ben precisa in fisica di cosa sia energia.
Non sapevo poi che questi processi fossero parte della radiazione di fondo. Quando studiai geografia astronomica al liceo ( un anno solo la facemmo, come da programma ) mi pare appresi solo che fosse una radiazione particolare e distinta che pervadeva tutto l’universo, e che fosse una traccia dell’ipotizzato big bang, ma magari approfondimmo poco, anzi, sicuramente, o forse ricordo male, o forse appresi male. Grazie di nuovo per le risposte.
Jackaos:
La radiazione di fondo di cui parli tu è un’altra: è il fondo cosmico a microonde: http://www.appuntidigitali.it/4766/la-prima-luce-delluniverso/
e
http://www.appuntidigitali.it/11297/i-segreti-del-big-bang-nellintervista-al-ricercatore-di-planck-dott-maris/
:)
articolo molto interessante :)
@Jackaos ed Eleonora:
mi permetto di fare un’osservazione.
Scusa Eleonora ma la frase “l’energia è quantistica, ovvero suddivisa in unità distinte: i fotoni” è vaga e fuorviante, quindi vorrei chiarire a beneficio di Jackaos.
Innanzitutto la tradurrei come: L’energia di un’onda elettromagnetica è quantizzata, cioè viene ceduta in “pacchetti”. Questo si comprende pensando l’onda come composta da particelle dotate di energia definita, i fotoni.
Eviterei di dire che i fotoni sono “unità di energia”. Sono particelle di massa nulla e Possiedono energia, come ogni altro oggetto fisico (particella o campo). Ma l’energia in sé è una proprietà, non un ente fisico.
I fotoni descrivono solo l’interazione elettromagnetica. Per esempio, invece, l’energia cinetica di un elettrone libero non è quantizzata (può assumere qualunque valore, a seconda della velocità) e non ha nulla a che fare con il fotone.
Sulla radiazione di fondo: Jackaos hai confuso la radiazione cosmica di fondo, che permea l’universo, con il fondo di radioattività naturale, che è questo qui http://it.wikipedia.org/wiki/Fondo_di_radioattivit%C3%A0_naturale
PS: i raggi cosmici, citati nel link che ti ho dato, sono un’altra cosa ancora :)
Purtroppo ho osservato, in giro per internet, gente fare una gran confusione mescolando allegramente i concetti di energia, radiazione, campo, pensiero (non sto scherzando..), spirito (!), anima… quindi dobbiamo stare attenti a misurare le parole :)
Gent.le Eleonora,
che cosa può comportare una situazione in cui venga rilevato nel terreno, del plutonio?
Posto il seguente articolo di un blogger (con le fonti in calce), in merito alla questione:
PLUTONIO NEL TERRENO DI FUKUSHIMA E LE FALLE DEI SISTEMI DI SICUREZZA…
grazie per ogni eventuale approfondimento
Elyah
Il plutonio è un emettiore alpha, presente in natura allo stato solido. Vi è una percentuale di Plutonio naturale sulla Terra, ma quello misurato a Fukushima è con molta probabilità originato dal melting parziale del reattore 3, l’unico che utilizzava un carburante con una parte di plutonio. La percentuale attualmente misurata, comunque è ancora entro la dose naturale, per cui non rappresenta *ancora* un rischio considerevole. Essendo un emettitore alpha, è sufficiente uno schermo sottilissimo per ripararsi dalle radiazioni (basta un foglio di carta) ma diventa molto pericoloso se viene ingerito. Il rischio principale, nel caso di Fukushima, è che se la quantità di Plutonio rilasciata aumenta a livelli molto più alti, può infiltrarsi nelle falde acquifere o venir trasportato in forma di pulviscolo nell’aria. In questo caso, se si ingerisce per via respiratoria o per bocca, il decadimento avviene all’interno del corpo e quindi può causare tumori o vari danni. Ha un’emivita di 24,000 anni, quindi per avere una quantità di radioattività elevata è necessario avere molto plutonio.
Altre informazioni si trovano qui:
http://www.guardian.co.uk/world/2011/mar/29/plutonium-fukushima
Grazie mille. Articolo chiaro anche se ha acceso altre domande che spero verranno fugate nel tuo prossimo articolo. Brava!
A proposito di Radon, sembra che sia la seconda causa di tumore al polmone dopo il fumo delle sigarette