Radioattività: cos'è, perché un nucleo decade e cosa significa tempo di dimezzamento

Un atomo instabile non ha bisogno di una spinta dall’esterno per cambiare natura. Lo spiega la NRC nel suo glossario ufficiale: un radionuclide si trasforma da sé in uno o più nuclei discendenti, i cosiddetti “figli”, liberando tipicamente una particella alfa, una particella beta o uno o più fotoni gamma dal nucleo.

Da dove viene questa spinta interna? Secondo l’EPA, quando gli atomi di un elemento hanno un eccesso di neutroni o protoni si crea energia in più nel nucleo, che diventa sbilanciato o instabile. L’EPA descrive il decadimento come l’emissione di questa energia sotto forma di radiazione ionizzante: il nucleo instabile emette radiazione formando un nuovo atomo, e il processo continua finché le forze interne si riequilibrano.

Esempio pratico: immagina un nucleo con qualche neutrone di troppo, come un sacco troppo pieno. Il nucleo non resta fermo con quel peso in eccesso: a un certo punto “libera” energia emettendo una particella, e diventa un nucleo diverso, più leggero o più stabile di prima. Quel momento di rilascio è il decadimento.

I tre tipi di decadimento: alfa, beta, gamma

Le tre forme di radiazione che un nucleo instabile può emettere non si comportano allo stesso modo una volta uscite dal nucleo. La differenza che conta per riconoscerle è la capacità di penetrare altri materiali.

Secondo l’EPA, la particella alfa è composta da due neutroni e due protoni. La NRC aggiunge che ha una capacità molto limitata di penetrare altri materiali: si ferma con un foglio di carta, con la pelle o con pochi centimetri d’aria. Per questo pesa poco da fuori; il rischio vero riguarda l’inalazione o l’ingestione.

Le particelle beta sono diverse. L’EPA le descrive come piccole e veloci, capaci di penetrare la pelle. La NRC precisa che, essendo più leggere delle alfa, viaggiano per alcuni metri in aria e attraversano la pelle, ma vengono bloccate da uno strato sottile di metallo, plastica o legno.

I raggi gamma stanno all’estremo opposto. Secondo l’EPA sono “pacchetti” di energia senza massa, fotoni capaci di attraversare il corpo umano. La NRC li descrive come capaci di penetrare la materia in modo molto efficace, tanto da richiedere diversi metri di cemento o alcuni centimetri di materiale denso come il piombo per essere fermati.

C’è un quarto protagonista che la NRC segnala a parte: il neutrone. Ha una capacità di penetrazione eccezionale ed è l’unico tipo di radiazione, tra quelli citati, che può rendere radioattivi altri oggetti tramite attivazione neutronica — una differenza che lo distingue nettamente da alfa, beta e gamma.

Il tempo di dimezzamento: una probabilità sui grandi numeri

HyperPhysics definisce il tempo di dimezzamento come una misura della tendenza del nucleo a decadere, basata puramente sulla probabilità. È una proprietà che resta fissa dall’esterno: lo stesso HyperPhysics chiarisce che vale indipendentemente dallo stato fisico (solido, liquido, gas), dalla temperatura, dalla pressione o dal composto chimico in cui si trova il nucleo.

L’EPA definisce il tempo di dimezzamento come il tempo necessario perché metà degli atomi radioattivi presenti in un campione decada o si trasformi, con valori che vanno da pochi secondi a centinaia, milioni o persino miliardi di anni secondo il radionuclide.

Il punto più controintuitivo riguarda il singolo atomo.

HyperPhysics chiarisce che il decadimento radioattivo è un processo statistico, legato all’instabilità del radioisotopo, ma completamente imprevedibile per il singolo nucleo di un campione: nessuno può sapere quando deciderà un atomo specifico, si può solo stimare il comportamento medio di una grande popolazione. I singoli decadimenti nucleari sono eventi puramente casuali, e per questo il calcolo regge solo su grandi numeri di atomi, mai sul singolo nucleo isolato.

Alcuni radionuclidi non si fermano a una sola trasformazione. La NRC descrive come l’uranio-238, per esempio, decada in prodotti a loro volta radioattivi, formando una catena di decadimento: due o più radionuclidi collegati in una serie a cascata, finché non si raggiunge un elemento stabile. L’EPA definisce questa catena come la serie di decadimenti o trasformazioni che un radionuclide attraversa prima di arrivare a una forma stabile.

Un’applicazione concreta: la datazione al carbonio-14

Il carbonio-14 è un isotopo radioattivo con un tempo di dimezzamento di 5.730 anni, misurato dall’Australian National University Radiocarbon Laboratory. Questo valore è alla base della datazione al radiocarbonio: misurando quanto carbonio-14 resta in un campione organico, rispetto a quanto ne conteneva da vivo, si stima da quanto tempo l’organismo è morto.

Il metodo fu inventato da Willard Libby verso la fine degli anni Quaranta. Grazie a questa tecnica, per la prima volta divenne possibile datare eventi avvenuti fino a circa 50.000 anni nel passato: oltre quel limite resta troppo poco carbonio-14 da misurare con affidabilità.

Da non confondere con le reazioni nucleari di fissione e fusione: lì la trasformazione nasce da un intervento esterno.

Qui, invece, il nucleo si trasforma da solo. Chi parte da zero col ragionamento scientifico può ripassare anche il metodo scientifico: fasi e tipi di ricerca, con esempi pratici.

Esposizione e contaminazione: due parole che si confondono

Il CDC statunitense distingue con precisione due concetti che nel linguaggio comune si mescolano. Quando una persona è esposta a radiazione, è l’energia a entrare nel corpo. Una persona “contaminata”, invece, ha materiale radioattivo sopra o dentro il corpo.

Esempio pratico: il CDC usa l’esempio della radiografia per chiarire la differenza. Chi fa una radiografia è esposto a radiazione — l’energia dei raggi X attraversa il corpo per un istante — ma resta senza contaminazione: dopo la lastra non c’è alcun materiale radioattivo da togliere di dosso.

Capire questa differenza aiuta anche a leggere con più attenzione il vocabolario della tavola periodica e degli elementi radioattivi che la popolano: per un ripasso della tavola si può consultare La tavola periodica: come si legge e perché è organizzata così.