Il decadimento radioattivo e la fissione nucleare in Fisica per l'Università

Il decadimento radioattivo

La radioattività, o decadimento radioattivo, è un insieme di processi fisico-nucleari attraverso i quali alcuni nuclei atomici instabili (detti radionuclidi) decadono trasmutandosi in altri nuclei aventi energia inferiore emettendo radiazioni ionizzanti.

Storicamente (in seguito agli studi di Ernest Rutherford) i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi principali:

• decadimento alfa
• decadimento beta
• decadimento gamma

A questa prima classificazione, in seguito a ulteriori investigazioni sul fenomeno, si sono aggiunte altre forme di decadimento come l'emissione di neutroni, la cattura elettronica, l'emissione di protoni.

Come vederemo in seguito, mentre il decadimento alfa e il decadimento beta cambiano il numero di protoni nel nucleo e (cambiando così la natura chimica dell'atomo stesso), il decadimento gamma avviene fra stati dello stesso nucleo e comporta solo la perdita di energia.

Decadimento alfa

Nel decadimento alfa un nucleo atomico instabile di un dato elemento chimico decade emettendo una particella a, ossia un nucleo di 4He (formato da due protoni e due neutroni), trasmutandosi in un nucleo di un altro elemento. Il nuclide così prodotto può essere stabile così, o essere ancora radioattivo e decadere a sua volta. Il decadimento alfa è tipico dei radionuclidi che presentano un eccesso di protoni rispetto ai neutroni.

a

Decadimento beta

Nel decadimento ß un elemento chimico (radioattivo) si trasforma in un altro elemento più stabile, con l'emissione di particelle elettricamente cariche (elettroni o positroni) e particelle neutre (neutrini o antineutrini), ma conservando il numero di massa.

Ad esempio: un neutrone decade in un protone, un elettrone più un antineutrino elettronico: n > p+ ++ +Ve Viene osservato anche un altro decadimento in cui un protone legato si trasforma in un neutrone legato, un positrone ed un neutrino: p>n+++ + ve

Decadimento gamma

Nel decadimento radioattivo dei nuclei atomici possono essere emessi dei raggi gamma (y), una forma penetrante di radiazione elettromagnetica. Sono costituiti da onde elettromagnetiche a lunghezza d'onda molto corta, anche più di quella dei raggi X, e molto energetiche, capaci di danneggiare giare le molecole che compongono le cellule, portandole a sviluppare mutazioni genetiche o addirittura alla morte.

Sulla Terra possiamo osservare sorgenti naturali di raggi gamma sia nel decadimento dei radionuclidi, sia nelle interazioni dei raggi cosmici con l'atmosfera; più raramente anche i fulmini producono questa radiazione.

a ₿ D Y no

I raggi alpha (a) consistono in nuclei di elio-4 ad alta velocità, e sono fermati da un foglio di carta. I raggi beta (B), costituiti da elettroni, sono fermati da un foglio di alluminio. I raggi gamma (y), costituiti da fotoni ad alta energia sono infine assorbiti da materiali molto densi. I raggi di neutroni (n) costituiti da neutroni liberi, sono bloccati da elementi leggeri, come l'idrogeno, che li rallenta e/o li cattura.

Effetti della radioattività

Il simbolo di radiazione ionizzante è costituito dal trifoglio caratteristico. Luoghi con livelli pericolosi di radiazioni ionizzanti sono indicati da cartelli con questo simbolo. I cartelli sono generalmente posizionati al limite di un'area controllata di radiazioni o in qualsiasi luogo dove i livelli di radiazione sono significativamente superiori a causa dell'intervento umano.

In alcune aree specifiche il simbolo precedente può essere sostituito da quello qui accanto.

Effetti sui materiali

L'effetto delle radiazioni nucleari su materiale non vivente è dovuto sostanzialmente a due cause:

• la rottura dei legami chimici
• la trasformazione (trasmutazione) di alcuni nuclei in altri elementi.

La trasmutazione rende necessaria una attenta scelta degli acciai e delle altre leghe metalliche destinate a operare in ambienti radioattivi, perché l'accumulo radioattivo ne cambia la composizione chimica e fisica e può far loro perdere le necessarie caratteristiche di resistenza, stabilità e durata nel tempo; anche il cemento va incontro agli stessi inconvenienti, seppure in modo meno marcato.

Inoltre, i nuclei trasmutati sono in parte anch'essi radioattivi; perciò il materiale, se esposto in via permanente alle radiazioni, con il passare del tempo diventa sempre più radioattivo. Questo è il motivo principale per cui le centrali nucleari hanno un limite di vita operativa prefissato (alcuni decenni), al termine del quale devono essere smantellate.

Inoltre la radioattività è in grado di rendere inutilizzabile i circuiti elettronici basati su semiconduttori.

Effetti biologici

L'effetto biologico è dovuto invece in massima parte alle proprietà ionizzanti: distruggendo i legami fra molecole, le radiazioni danneggiano le cellule generando radicali liberi. Ma soprattutto alterano le grandi macromolecole del DNA e dell'RNA, causando danni somatici e genetici; tale effetto è prodotto principalmente dalle radiazioni gamma, più energiche e penetranti delle particelle alfa e beta.

Il momento in cui le cellule sono più vulnerabili in rapporto alle radiazioni, è quello della riproduzione, in cui il DNA è in fase di duplicazione, le strutture del nucleo sono dissolte e gli enzimi che assicurano l'integrità del materiale genetico non possono operare. L'effetto macroscopico più vistoso della radioattività sulle cellule, quindi, è il rallentamento della velocità di riproduzione: le popolazioni di cellule che si riproducono molto rapidamente sono più vulnerabili di quelle che lo fanno lentamente. In virtù di questo fatto, gli organi più sensibili alle radiazioni sono il midollo osseo e il sistema linfatico.

A livello dell'intero organismo invece, sia nell'uomo che negli animali superiori si nota un precoce invecchiamento dell'organismo correlato alla dose totale di radiazione assorbita, sia con forti dosi istantanee che con l'esposizione prolungata a bassi livelli di radioattività.

Fissione nucleare

La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui il nucleo di un elemento chimico pesante (ad esempio uranio-235 o plutonio-239) decade in nuclei di atomi di numero atomico inferiore, e quindi di minore massa, con emissione di una grande quantità di energia e radioattività.

Può avvenire spontaneamente in natura oppure essere indotta artificialmente tramite opportuno bombardamento di neutroni. È la reazione nucleare comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nel tipo più semplice di arma nucleare (bomba A), quali la bomba all'uranio (come Little Boy che colpì Hiroshima) o al plutonio (come Fat Man che colpì Nagasaki).

235J 1 238\ X 2 235\ X O 235 235 3 O O

Schema di una reazione nucleare

1. Un nucleo di uranio-235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kripton e bario) liberando tre neutroni e dell'energia.
2. Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio-238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio-235 che si spezza in due atomi liberando due neutroni e dell'energia.
3. I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio-235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile (ovvero che fissiona con neutroni di modesta energia cinetica, detti termici) o fissionabile (ovvero che fissiona con neutroni di una certa minima energia cinetica) assorbe un neutrone, si divide producendo due o più nuclei più piccoli e un numero variabile di nuovi neutroni. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e subiscono una catena di decadimenti beta fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi.

L'energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di 235U è di 211MeV (Mega-elettronVolt), una quantità elevatissima: la maggior parte (circa 170 MeV) viene trasformata in energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione (nuovi atomi e neutroni). Circa 11MeV sono trasportati via come energia cinetica dei neutrini emessi al momento della fissione, il resto è sotto forma di energia elettromagnetica (raggi gamma). L'energia effettivamente sfruttabile come energia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione. Per raffronto in un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è un cinquantamilionesimo (1/50 000 000) di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione.

Se il processo di fissione avviene in maniera controllata è possibile sfruttare l'energia prodotta per trasformare acqua in vapore col quale azionare una turbina e generare energia elettrica. Questo è il principio di fondo del funzionamento di una centrale nucleare.

Se invece il processo avviene in modo incontrollato (reazione a catena) un gran numero di atomi si divide in un tempo brevissimo liberando una grande quantità di energia: questo è il principio della bomba atomica.

La fissione si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena, se i nuclei fissili sono tanto numerosi e vicini fra loro da rendere probabile l'ulteriore collisione dei neutroni liberati con nuovi nuclei fissili. Gli isotopi che è possibile utilizzare nella pratica sono l'uranio-235 e il plutonio- 239. Questi metalli pesanti sono i materiali fissili per eccellenza.

Il problema delle scorie radioattive

Si definisce rifiuto radioattivo ogni materiale derivante dall'utilizzo pacifico dell'energia nucleare o di altre tecnologie nucleari, che contenga isotopi radioattivi, e di cui non è previsto il riutilizzo.

Lo scarto del combustibile nucleare esausto derivante dalla fissione nucleare nel nocciolo o nucleo del reattore nucleare a fissione rappresenta la forma più conosciuta di rifiuto radioattivo, oltre che una delle più difficili da gestire in virtù della sua lunga permanenza nell'ambiente; ma anche altre attività umane portano alla produzione di questo tipo di rifiuti.

All'interno di un reattore nucleare a fissione il materiale fissile (uranio, plutonio ecc.) viene bombardato dai neutroni prodotti dalla reazione a catena; tuttavia, non si ha mai una fissione totale di tutto il "combustibile", anzi la quantità di atomi effettivamente coinvolta nella reazione a catena è molto bassa. In questo processo si generano quindi due principali categorie di atomi:

• una quota di atomi "trasmutati" che hanno "catturato" uno o più neutroni senza "spezzarsi" e si sono dunque "appesantiti"
• una parte di cosiddetti prodotti di fissione cioè di atomi che sono stati effettivamente "spezzati" dalla fissione e sono pertanto molto più "leggeri" dei nuclei di partenza (cesio, stronzio, ecc); in parte sono allo stato gassoso.