L'ultima sezione che abbiamo affrontato riguardava la scala degli oggetti, in particolare la nanoscala e ciò che sappiamo di atomi e molecole. Ora che comprendiamo la struttura degli atomi, in particolare il nucleo, possiamo studiare alcuni degli aspetti più interessanti di ciò che il nucleo può fare.
Uno dei rami più grandi dello studio della fisica nucleare è la radioattività, un fenomeno naturale di certi nuclei. La radioattività è ovunque intorno a noi: nel suolo, nello spazio e persino dentro di noi. Siamo costantemente esposti alle radiazioni, non solo quando dobbiamo fare una radiografia, quindi è fondamentale capire come funziona.
In questa sezione discuteremo la scoperta della radioattività, poi vedremo cosa la causa e da dove viene, e infine come interagisce con il mondo che ci circonda.

La radioattività fu scoperta nel 1896 da Henri Becquerel mentre lavorava con i raggi X. Si credeva che i materiali contenenti uranio assorbissero la luce del Sole ed emettessero raggi X. Becquerel aveva pianificato un esperimento per dimostrarlo utilizzando una lastra fotografica, poiché si sapeva che i raggi X annerivano queste lastre. Il giorno dell'esperimento il cielo era nuvoloso, quindi Becquerel suppose che l'esperimento fosse fallito. Fortunatamente, decise di sviluppare comunque la lastra fotografica e scoprì che il composto aveva emesso radiazioni nonostante l'assenza di sole, confutando la sua teoria precedente. Il passo successivo fu scoprire se si trattasse di raggi X o di un'altra forma di radiazione. Per farlo collocò la sorgente di radiazione in una camera a vuoto con un campo magnetico e una lastra fotografica, come mostrato nel diagramma. I raggi X sono noti per essere neutri, quindi non possono essere deflessi nei campi magnetici. Tuttavia, dopo aver sviluppato la lastra fotografica, essa mostrò che la radiazione era stata curvata dal campo. Quando provò con altre sorgenti trovò che la radiazione veniva deflessa in direzione opposta, oppure per niente. Questo dimostrò che esistevano tre tipi di radiazione emessa dalla materia: neutra e con cariche elettriche positive o negative.

Schema dell'apparato di Becquerel: (1) lastra fotografica, (2) collimatore, (3) materiale radioattivo, (4) presa della pompa a vuoto, (5) campo magnetico. Crediti immagine: Zoltán Elekes.

Molti scienziati dedicarono le loro carriere alla ricerca su questo nuovo fenomeno, tra cui Marie e Pierre Curie, che scoprirono gli altri elementi radioattivi: il polonio e il radio. Rutherford, lo scienziato di cui abbiamo già parlato come responsabile della scoperta dei nuclei degli atomi, lavorò anch'egli sulla radioattività, investigando i diversi tipi di sorgenti e le loro proprietà. Fu Rutherford a coniare i nomi per i diversi tipi: alfa, beta e gamma, dalle lettere dell'alfabeto greco. Abbiamo già menzionato le particelle alfa, quando furono usate per sondare l'interno degli atomi d'oro da Rutherford, ma ora le esamineremo più in dettaglio. Ma prima, sappiamo che possiamo trovare la radioattività in sorgenti come i composti di uranio, ma dove altro la troviamo e cos'è?

Sappiamo che certi elementi sono radioattivi, mentre altri non lo sono. Questo implica che la radioattività viene generata a livello atomico, quindi dobbiamo esaminare gli atomi, in particolare i nuclei, per capirlo meglio.
Esistono tre tipi di radiazione che derivano dagli atomi radioattivi: radiazione alfa, beta e gamma. Queste sono particelle o energia emesse dal nucleo dell'atomo quando il nucleo è instabile, oppure si può dire che è il decadimento degli atomi dovuto all'instabilità.
Quindi, perché certi atomi sono instabili e altri no?
Questo verrà spiegato in una sezione successiva, ma per ora diciamo semplicemente che è dovuto al numero di nucleoni nel nucleo, in particolare al rapporto di protoni e neutroni. I diversi tipi di radiazione vengono emessi per diversi tipi di instabilità. Ecco perché sorgenti diverse emettono radiazioni diverse.
L'instabilità non è limitata ai nuclei. I neutroni liberi decadono con un tempo di vita medio di circa 15 minuti, e anche i protoni potrebbero decadere eventualmente, tuttavia il tempo di dimezzamento previsto dalla teoria in questo caso è 10³⁶ anni! Quindi su scale umane, i protoni sono considerati stabili.
Ora che abbiamo un'idea di cosa sia effettivamente la radiazione, possiamo vedere dove la troviamo.

La radioattività non è limitata a quegli elementi pericolosi di cui abbiamo discusso, come l'uranio o il radio. Queste sono le sorgenti più forti che conosciamo, ma la radioattività è presente in quantità molto minori in molti altri luoghi. La radiazione che Becquerel trovò provenire dall'uranio proviene anche dalle rocce, dallo spazio, dall'aria che respiriamo, dall'acqua che beviamo, dal mare in cui nuotiamo e dai nostri stessi corpi.
Potreste essere sorpresi di scoprire che voi e tutte le persone che conoscete siete radioattivi, e potreste anche pensare che questo possa essere causato dal mondo tecnologico moderno che abbiamo sviluppato, con le centrali nucleari, i computer e l'imaging medico a raggi X, ma avreste torto. Da quando c'è vita sulla Terra, tutte le piante e gli animali sono stati radioattivi. È parte della storia della vita sulla terra. Quindi vediamo dove esattamente abbiamo trovato la radioattività in modo più dettagliato.

Il Suolo

Gli elementi radioattivi sono ovunque intorno a noi nella terra. Molti minerali, in particolare il granito, contengono alcuni composti di uranio. In effetti, l'uranio è presente nel suolo e nelle rocce in quantità simili a metalli come lo stagno, lo zinco o il tungsteno. Tuttavia, altri composti radioattivi sono molto più comuni, come il torio, che è circa tre volte più abbondante sulla Terra rispetto all'uranio. Nel diciannovesimo secolo, appena prima che l'illuminazione elettrica sostituisse quella a gas, l'ossido di torio veniva usato per far brillare intensamente le lampade a gas. Nel 21° secolo, il torio potrebbe ben essere un combustibile nelle centrali nucleari.

L'immagine mostra l'abbondanza dell'uranio nelle rocce. Mostra un peso da 10 kg accanto a tre fili con un peso combinato di 30 milligrammi. Questo è il rapporto di uranio rispetto alla roccia nella terra.
Quindi possiamo rilevare l'uranio e altri materiali radioattivi nelle rocce, e questa radiazione contribuisce in larga misura a quella che chiamiamo radiazione di fondo. Questa è quella a cui siamo soggetti per tutta la vita dal nostro ambiente. I nostri corpi hanno modi per far fronte a questo, come scoprirete più avanti.

La mappa qui sotto mostra i livelli di radiazione di fondo in alcune zone dell'Europa occidentale (crediti immagine: World Nuclear Association).
Le differenze sono dovute principalmente ai tipi di roccia di cui è composto il suolo in ciascun paese. Per esempio, nel sud-ovest dell'Inghilterra, il suolo è composto principalmente di granito e quindi la radiazione di fondo in quest'area è più alta che nella maggior parte del resto del paese, che è composto di calcare. Le aree della Francia centrale hanno livelli molto elevati di radiazione dovuti al gas radon proveniente dalle rocce. Oltre alle rocce, ci sono altri fattori che contribuiscono alla radiazione di fondo a cui siamo soggetti.

Lo Spazio

Nell'Universo esistono molte sorgenti di molti tipi di radiazione, tra cui galassie radio con getti superluminali (apparentemente più veloci della velocità della luce), buchi neri e persino solo i pianeti del nostro sistema solare. Gli astronomi usano telescopi specializzati per cercare questi tipi di radiazione, che includono raggi X e raggi gamma. Queste sorgenti emettono in tutte le direzioni e anche la radiazione proveniente da oggetti distanti centinaia di migliaia di anni luce può raggiungerci eventualmente. Ciò che rileviamo come sorgenti erratiche di radiazione si chiama raggi cosmici. Misurerete effettivamente più raggi cosmici più in alto salite. In cima alle montagne, ne verranno rilevati molti di più che a livello del mare poiché devono attraversare meno atmosfera.
I raggi cosmici sono difficili da evitare e sono a volte un grande fastidio per gli scienziati. A volte è necessario misurare una radioattività molto debole. Questo potrebbe avvenire quando si studiano sorgenti gamma molto deboli e lontane, che emettono solo una piccola quantità nella nostra direzione, oppure anche quando si studia l'espansione dell'universo e la radiazione a microonde che la accompagna.

Sarebbe inutile misurare una radioattività molto debole sulla superficie della Terra poiché sarebbe completamente oscurata dall'abbondante radiazione cosmica. Ecco perché alcuni esperimenti sono situati in miniere profonde a circa un miglio o più sottoterra, ricordando sempre di evitare il granito con molto uranio, naturalmente. Un esperimento che richiede tali misure è la rilevazione di un tipo di particella fondamentale, che farà la sua comparsa più avanti, chiamata neutrino.

L'immagine a destra mostra un rivelatore di neutrini situato 1,4 km al di sotto della cima di una montagna, in Italia.

L'Acqua di Mare

Man mano che i fiumi scorrono sulle rocce e sui suoli, portano con sé ogni tipo di sali disciolti nell'acqua. Nel tempo, man mano che l'acqua evapora al sole, i sali si concentrano. Poiché la maggior parte delle rocce contiene dell'uranio, non sorprende che i mari contengano anche sali di uranio. Questo rende il mare alquanto radioattivo, e non solo a causa dell'uranio, ma tra le altre sostanze c'è ⁴⁰K (pronunciato potassio-40) anch'esso. Questa forma di potassio è la sostanza principale che rende i nostri corpi radioattivi.
In media, l'acqua di mare contiene circa tre milligrammi di uranio in ogni mille litri, cioè ogni metro cubo. Non molto, forse, ma si dice che se il costo di estrazione dell'uranio dal mare potesse essere ridotto a circa un decimo di quello attuale, allora l'uranio potrebbe essere estratto dal mare a profitto! Se le attuali sorgenti di uranio dovessero esaurirsi, le centrali nucleari potrebbero effettivamente funzionare con uranio estratto dall'acqua di mare.

Nell'aria

L'aria che respiriamo contiene una piccola quantità di una forma radioattiva di carbonio, nota come ¹⁴C (pronunciato 'carbonio-quattordici'; troverete ¹⁴C scritto come carbonio-14 in alcuni libri). Gli atomi di carbonio-14 sono il risultato delle interazioni dei raggi cosmici nell'atmosfera. I raggi cosmici subiscono molte trasformazioni, che possono includere la produzione di neutroni termici. Questi neutroni interagiscono con gli atomi di azoto-14 nell'atmosfera in una reazione nucleare che produce atomi di carbonio-14 e protoni. Questi atomi di carbonio vanno poi a produrre molecole di anidride carbonica, che le piante estraggono dall'aria per fotosintetizzare e produrre zucchero e cellulosa, assorbendo così il carbonio-14 nel processo. Questo viene poi trasmesso a noi quando mangiamo le piante, o anche quando mangiamo animali che hanno mangiato queste piante. Il fatto che tutti gli esseri viventi assorbano carbonio-14 fino al giorno della loro morte può essere utilizzato per datare i resti di esseri viventi che sono stati nel suolo per centinaia o migliaia di anni. Questo processo richiede di pensare alla vita media degli atomi radioattivi, che verrà trattata più avanti.

In noi

Ogni giorno il cibo che mangiamo contiene due o tre grammi di potassio. Ciò significa che, per ogni chilogrammo di peso corporeo, circa 50 atomi di potassio decadono ed emettono particelle radioattive nei nostri corpi ogni secondo! Ricordate anche che quando mangiamo piante (o animali che hanno mangiato piante) assorbiamo atomi di carbonio-14 che sono anch'essi radioattivi. Ci saranno anche tracce di altri elementi radioattivi, anche uranio. Se vi capita di ingoiare dell'acqua di mare in spiaggia, assumerete una piccola quantità di uranio, poiché tutta l'acqua di mare contiene dell'uranio.
Abbiamo già discusso di come i raggi cosmici producano carbonio-14, che viene usato per produrre carboidrati quando ingerito dalle piante e quindi dagli animali, e da noi stessi. Il carbonio-14 è quindi entrato nella catena alimentare e tutti gli esseri viventi possono essere esposti ad esso.

Grandi dosi di radioattività possono essere letali e migliaia di persone morirono per le radiazioni a seguito delle bombe nucleari sganciate sul Giappone nel 1945. Più di recente, nel 1986, 28 persone furono uccise dalle radiazioni quando la centrale nucleare di Chernobyl in Ucraina esplose. Potete leggere di più su questi argomenti nella sezione Benefici e Rischi e nella sezione Storia.
Le quantità di radiazioni note per danneggiare la salute sono molto maggiori della radiazione di fondo proveniente dai raggi cosmici, dalle rocce ecc. Qualsiasi nostra cellula che potrebbe essere danneggiata da queste sorgenti può ripararsi, poiché solo poche saranno danneggiate. Per dosi maggiori di radiazioni, un gran numero di cellule vengono danneggiate oltre la riparazione, ed è per questo che può essere pericoloso.
Sappiamo che piante e animali hanno vissuto e si sono evoluti con la radioattività per miliardi di anni. Quindi se la radioattività è pericolosa dipende da quanto ne riceviamo. Persino troppo sale comune può uccidere le persone, ed è per questo che le persone alla deriva sull'oceano possono morire di sete! Come si dice, il troppo è sempre troppo.
Quindi come facciamo a sapere quanta radiazione è "troppa"? Prima dobbiamo capire i vari tipi di radiazione e quanto sia pericoloso ognuno. Scopriremo il livello che la radiazione deve raggiungere per essere pericolosa nella nostra sezione sull'attività e l'interazione con la materia.

Abbiamo scoperto cos'è effettivamente la radioattività nella sezione precedente: è il decadimento di atomi instabili e la conseguente emissione di una particella o di energia. Ora vedremo cosa rende un atomo instabile e quali tipi di radiazione esistono.

Isotopi

Sappiamo che gli atomi consistono di un nucleo composto di protoni e neutroni con elettroni che orbitano attorno al nucleo. Sappiamo anche che gli atomi sono elettricamente neutri, mentre gli ioni, che hanno perso o acquisito elettroni, sono carichi. La chiave per comprendere la radioattività sta negli isotopi.
Abbiamo parlato del carbonio-14 come radioattivo, mentre il normale carbonio-12 non lo è. Quindi in cosa differisce il carbonio-14 dal carbonio-12? La differenza sta nei loro nuclei. Perché entrambi gli atomi siano fondamentalmente carbonio devono avere lo stesso numero di protoni, o lo stesso numero atomico. Questo è ciò che rende un elemento quello che è. Se cambiamo il numero di elettroni dell'atomo, questo lo trasforma solo in uno ione. Quindi dobbiamo cambiare il numero di neutroni. Diciamo quindi che il carbonio-14 è un isotopo del carbonio-12, e ha semplicemente la differenza di avere due neutroni in più nel nucleo, quindi una massa diversa ma lo stesso elemento complessivamente.
Esistono molti isotopi di ogni elemento. Un famoso esempio è il deuterio, un isotopo dell'idrogeno con un neutrone e un protone. Questo può essere usato per fare l'acqua pesante, che ha molti usi interessanti tra cui il rilevamento di neutrini e la moderazione dei reattori nucleari.
Gli isotopi instabili sono spesso molto utili nelle procedure mediche, e possono essere usati in sicurezza grazie ai loro brevi tempi di vita prima di decadere. Un problema è che queste sostanze non possono essere trovate naturalmente sulla Terra e quindi devono essere fabbricate negli ospedali in macchine chiamate ciclotron, che accelerano gli atomi a velocità estremamente elevate lungo un percorso circolare usando elettromagneti. I ciclotron sono disponibili in molte dimensioni diverse, a seconda dell'utilizzo e dell'isotopo prodotto. Nelle macchine i nuclei vengono fatti collidere con particelle cariche e viene prodotto il radioisotopo necessario. Il termine radioisotopo è usato per gli isotopi instabili e radioattivi.
Le versioni più stabili degli elementi sono quelle che elenchiamo nella tavola periodica, cioè quelle che troviamo naturalmente e più comunemente. Tuttavia, sono veramente comuni solo grazie alla loro stabilità; gli isotopi instabili sono decaduti in altri elementi più stabili, lasciando le versioni stabili. Quindi cosa rende un isotopo più stabile di un altro?

Stabilità

Nella sezione sui nuclei, abbiamo brevemente menzionato che i nucleoni erano tenuti insieme dalla forza forte, che superava la repulsione elettrostatica tra i protoni. Questa è la chiave per capire la stabilità dei nuclei. Sia i neutroni che i protoni sono influenzati dalla forza forte, tuttavia solo i protoni si respingono a vicenda, quindi i neutroni agiscono per rafforzare la forza che tiene insieme il nucleo senza aggiungere alla repulsione elettrostatica.
Potreste pensare che più neutroni ha un nucleo, più stabile dovrebbe essere, in base a quanto abbiamo appena discusso. Tuttavia, non è così. I nuclei sono stabili solo per uno specifico intervallo di rapporti neutroni-protoni, circa 1-1,6. Al di fuori di questi rapporti, il nucleo sarà instabile e decadrà. Per esempio, l'azoto è stabile e ha un rapporto di 1: ha 7 neutroni e 7 protoni. All'altra estremità dell'intervallo, il piombo, che è anch'esso stabile, ha 82 protoni e 126 neutroni, con un rapporto di 1,54. Un grafico che mostra la regione di stabilità in funzione del numero di protoni e neutroni è mostrato qui sotto, dove Z è il numero di protoni in un nucleo, N è il numero di neutroni, A=Z+N è il numero di nucleoni, e le due curve corrispondono a (1) nuclei stabili, (2) linea P=N. Crediti grafico: Zoltán Elekes.

Menziona anche tre meccanismi di decadimento a seconda di dove si trova il nucleo nel grafico. Se un nucleo è carente di protoni, subirà il decadimento beta. Tuttavia, se è carente di neutroni, decadrà tramite il modo opposto, decadimento del positrone (chiamato anche beta più). Un'alternativa a questo è un processo chiamato cattura elettronica, in cui il nucleo "assorbe" un elettrone e si ottiene lo stesso risultato del decadimento beta più. Per i nuclei molto massicci è vantaggioso perdere massa durante il decadimento, poiché in generale, i nuclei più leggeri sono molto più stabili, quindi questi nuclei decadranno emettendo particelle alfa (due protoni e due neutroni). Quando gli atomi hanno subito il decadimento beta o alfa, cambiano il numero di protoni nel nucleo, cambiando così l'elemento stesso; un processo chiamato trasmutazione. Potreste aver sentito parlare di uno studio che gli scienziati intrapresero prima che comprendessimo gli elementi, chiamato alchimia. Quegli scienziati cercavano di trasformare altre sostanze in elementi diversi, principalmente oro, che è fondamentalmente trasmutazione e ciò che ogni nucleo instabile fa, a volte molte volte prima di diventare stabile. Ciascuno dei meccanismi di decadimento verrà discusso ulteriormente nella prossima sezione.

Energia di Legame

Un aspetto molto importante della fisica nucleare è l'energia di legame. Ci sono diversi tipi di energia di legame, ma per i nostri scopi esamineremo l'energia di legame nucleare. Questa è la quantità di energia che dovreste immettere in un nucleo affinché i nucleoni superino la loro attrazione e vengano separati in nucleoni individuali. L'energia di legame di un intero nucleo è inferiore alla somma dei suoi componenti, che è un altro modo in cui il nucleo è tenuto insieme. È energeticamente più favorevole (cioè l'energia è inferiore) per i nucleoni formare e rimanere nei nuclei piuttosto che essere separati. Un concetto all'interno di questo ramo è l'energia di legame per nucleone.

Esiste un limite alla massa di un nucleo al quale la forza forte non sarà più in grado di trattenere i nucleoni più esterni. Il nucleo più grande conosciuto è quello dell'uranio, che ha 238 nucleoni. Tuttavia, anche questo nucleo è altamente instabile, poiché sappiamo che l'uranio è radioattivo, quindi deve subire un decadimento.
Il decadimento alfa consente al nucleo di perdere massa per migliorare la stabilità emettendo una particella alfa, o nucleo di elio. Il nucleo emittente perderà quattro nucleoni, due protoni e due neutroni, e subirà la trasmutazione a causa della perdita di protoni. Queste sono le particelle alfa che furono usate nell'esperimento di scattering di Rutherford per sondare gli atomi.
Come abbiamo detto, il decadimento alfa agisce per diminuire la massa, tuttavia è solo fattibile quando l'energia di legame per nucleone non è al minimo, quindi per gli elementi con nuclei più pesanti del nichel, tuttavia, in realtà è stato osservato solo per i nuclei più massicci dell'elemento tellurio e superiori. Il decadimento alfa è un esempio di un processo chiamato 'effetto tunnel quantistico'. Il nucleo di un atomo crea un pozzo di energia potenziale, come mostrato nel diagramma, che intrappola la particella alfa che già esiste all'interno del nucleo.

L'energia della particella deve essere maggiore dell'altezza del pozzo affinché la particella possa sfuggire al nucleo. Nella meccanica classica, non sarebbe possibile che avvenga il decadimento alfa, poiché le particelle alfa non sarebbero mai in grado di lasciare il nucleo. Tuttavia, la meccanica quantistica consente questo effetto tunnel, per cui c'è una leggera possibilità statistica che la particella alfa possa esistere al di fuori del pozzo, e quindi può attraversare la barriera e apparire al di fuori del nucleo.

Una delle prime caratteristiche usate per differenziare tra i tipi di radiazione era la quantità di materiale che poteva penetrare. Le particelle alfa sono massive e hanno velocità relativamente basse, quindi è molto probabile che interagiscano con qualsiasi particella con cui vengono in contatto. Ciò significa che possono penetrare solo attraverso pochi centimetri di aria, o un foglio sottile di carta o alluminio.
Esistono molte sorgenti alfa, una delle più famose è l'uranio. L'uranio decade emettendo una particella alfa (α) e si trasmuta in torio, come mostrato dall'equazione seguente:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Questo è solo il primo passo nel decadimento dell'uranio, poiché dovrà attraversare molti altri stadi prima di diventare completamente stabile.