Decadimento radioattivo e uranio impoverito

Materie:	Tesina
Categoria:	Chimica
Download:	850
Data:	27.02.2006
Numero di pagine:	7
Formato di file:	.doc (Microsoft Word)

L’atomo è la più piccola parte di un elemento che mantiene le caratteristiche dell'elemento stesso e nel contempo è la principale sorgente di radiazioni sia elettromagnetiche che corpuscolari.
Esso è composto di un nucleo e di particelle più leggere, gli elettroni, di carica elettrica negativa che gli ruotano intorno in orbite energicamente ben definite. Un elettrone, ricevendo energia, può passare da orbite interne ad orbite esterne, oppure uscire dall'atomo.
Nel primo caso l'atomo risulta eccitato, nel secondo ionizzato.
A sua volta il nucleo è costituito da protoni aventi carica elettrica positiva e neutroni, elettricamente neutri.
Protoni e neutroni hanno una massa all'incirca 1835 volte maggiore degli elettroni. Il numero di protoni determina l'elemento cui l'atomo appartiene: un atomo di idrogeno ha un solo protone, un atomo di ossigeno ne ha 8, un atomo di uranio ne ha 92.
Ogni atomo ha lo stesso numero di protoni e di elettroni e risulta elettricamente neutro. Gli atomi di uno stesso elemento, pur avendo lo stesso numero di protoni, possono avere diverso numero di neutroni, dando origine ai diversi "isotopi".
Essi sono identificati dal numero totale di particelle presenti nel nucleo.
Ad esempio, l'uranio (simbolo U) ha vari isotopi: U-238, U-235, U-233;
l'uranio-238 ha 92 protoni e (238-92) = 146 neutroni;
l'uranio-235 ha sempre 92 protoni, ma (235-92) = 143 neutroni;
l'uranio-233 ha 92 protoni e 141 neutroni.
L'elemento più semplice esistente in natura l'idrogeno (H-1) ha due isotopi: il deuterio (H-2) e il tritio (H-3). Quest'ultimo è radioattivo ed emette particelle beta negative .
In generale un isotopo il cui simbolo sia Y è caratterizzato dal numero atomico Z, pari al numero dei protoni e degli elettroni, dal numero di massa A, pari al numero totale di particelle presenti nel nucleo e dal numero N = A-Z pari al numero di neutroni.
Se l'isotopo è radioattivo, si parla di radioisotopo o anche di radionuclide.
Il Decadimento Radioattivo
l fenomeno dell'emissione di radiazione da parte di isotopi radioattivi è regolato dalla cosiddetta legge del decadimento radioattivo.
Il decadimento radioattivo è un processo per cui un nucleo radioattivo di un elemento o radionuclide si trasforma nel nucleo di un elemento diverso o raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti.
Il decadimento radioattivo non avviene in un tempo standard, ma si è notato che esso dipende dall'isotopo preso in considerazione e che, soprattutto, questo impiega sempre lo stesso tempo nel far decadere metà della sua massa nucleare, ovvero nel dimezzare il numero di atomi radioattivi di cui è costituito.
Tale tempo è detto Tempo di Dimezzamento.
Elemento
primario
Elemento
secondario
Costante di
decadimento Lambda per anno
semidurata
Rb (rubidio) 87
Sr (stronzio)87
1.391 10-11
49.82 miliardi di anni
Re (renio)187
Os (osmio)187
1.613 10-11
42.97 miliardi di anni
Th (torio)232
Pb (piombo)208
4.990 10-11
13.89 miliardi di anni
U (uranio)238
Pb (piombo)206
1.537 10-10
4.49 miliardi di anni
K (potassio)40
Ar (argon)40
5.8 10-11
1.25 miliardi di anni
Il tempo di dimezzamento può essere compreso fra le frazioni di secondo e i milioni di anni. Il numero di decadimenti che avvengono nell'unità di tempo per una data quantità di materiale viene definita " attività " del preparato.
L'unità di misura dell' attività è il becquerel (simbolo Bq ).
1 Bq = 1 disintegrazione al secondo
Il decadimento radioattivo si può, in definitiva, considerare come un "riaggiustamento" energetico che avviene dopo l'emissione di una radiazione a,b.
Si distinguono: decadimenti radioattivi di tipo alfa (a), di tipo beta (b) positivo o negativo, decadimenti radioattivi per cattura elettronica, decadimenti radioattivi gamma (g) e decadimenti radioattivi per conversione interna.
I decadimenti radioattivi. a, b e g danno origine a flussi di particelle noti, rispettivamente, come radiazioni (o raggi) a, b e g.
Decadimento alfa
Un nucleo di un elemento di numero atomico Z e di massa atomica (o peso atomico) A emette una particella alfa (a), corrispondente al nucleo dell'elio (due protoni p e due neutroni n), trasformandosi nel nucleo dell'elemento con numero atomico Z-2 e peso atomico A-4.
Tale decadimento è tipico dei nuclei più pesanti, perché la particella alfa un difetto di massa molto elevato, tanto da liberare enormi quantità di energia che portano, appunto, alla stabilizzazione
Decadimento beta
Nel decadimento radioattivo beta negativo (b-), un neutrone emette un elettrone e-, trasformandosi in un protone e facendo diventare il nucleo originario di numero atomico Z un nucleo dell'elemento di numero atomico Z+1.
Nel decadimento radioattivo beta beta positivo (b+) si ha invece l'emissione di un positrone e+ (elettrone positivo) da parte di un protone, che diviene neutrone e trasforma il nucleo in uno dell'elemento di numero atomico Z-1
In entrambi i decadimenti radioattivi beta la massa atomica non cambia poichè la massa dell'elettrone è molto minore di quella del protone e del neutrone; elettroni e positroni provenienti da un nucleo per decadimento radioattivo beta b± sono detti particelle beta (b).
Decadimento per cattura elettronica
Avviene quando un nucleo cattura un elettrone di un livello energetico interno, facendo diminuire di 1 il numero atomico del nucleo stesso con l'emissione di un raggio X, a causa del riassestamento degli elettroni rimasti.

Decadimento gamma
E' associato ai decadimenti radioattivi a e b e avviene quando il nucleo si porta su un livello di energia inferiore grazie all'emissione di un fotone g (di energia tra 10 keV e 10 MeV, maggiore dei raggi X); il numero atomico e la massa atomica non variano.
Decadimento per conversione interna
Avviene quando un elettrone assorbe l'energia emessa dal nucleo e sfugge all'atomo; il numero atomico e la massa non cambiano.
La legge del decadimento radioattivo
Qualsiasi decadimento radioattivo segue una legge che prevede una diminuzione esponenziale nel tempo del numero di nuclei non ancora decaduti, N (t), secondo la relazione
N (t) = N0 e-λt
dove N (t = 0) è il numero di nuclei iniziali e λ è la costante di decadimento caratteristica di ogni elemento (indipendentemente dalla temperatura e dai legami chimici), e che rappresenta la probabilità di decadimento di un nucleo nell'unità di tempo; il suo inverso, t, viene detto vita media del nucleo.
Il tempo occorrente perchè metà dei radionuclei decada, perchè cioè si abbia N(t) = N (t=0)/2 è detto tempo di dimezzamento o periodo di semitrasformazione.
L'Uranio Impoverito (in inglese Depleted Uranium, DU) è uno dei materiali di scarto della raffinazione dell'uranio naturale impiegato a scopi militari, all'interno di bombe nucleari, o civili, come combustibile per alcuni tipi di reattori nucleari.
L'uranio naturale è una miscela di tre isotopi, tutti radioattivi: La composizione approssimativa dell'uranio naturale, con i relativi tempi di dimezzamento è la seguente:
Tabella
Isotopo
Massa %
Tempo di Dimezzamento
U-234
0.0054 %
247 mila anni
U-235
0.7110 %
710 milioni di anni (emissione alfa)
U-238
99.2836 %
4.51 miliardi di anni (emissione alfa)
Come si può vedere, l'uranio naturale è costituito in massima parte da U-238, l'isotopo meno attivo dei tre.
Le armi nucleari e il combustibile delle centrali nucleari contengono invece una percentuale maggiore di Uranio 235, ottenuta attraverso il cosiddetto processo di arricchimento dell'Uranio.
Questo processo ha due prodotti: da una parte, un minerale di uranio arricchito nella sua frazione 235; dall'altra, un minerale di uranio arricchito nella sua frazione 238, e pertanto impoverito della frazione 235.
Per convenzione, il primo viene chiamato Uranio Arricchito, e il secondo Uranio Impoverito.
L'uranio naturale è sufficientemente radioattivo da impressionare una pellicola fotografica in circa un'ora.
L'Uranio Impoverito manifesta circa il 60% di questa attività. Impressiona una pellicola, quindi, in circa un'ora e venti.
La radioattività dell'uranio naturale deriva dal processo spontaneo di decadimento. Questo processo interessa una percentuale minima degli atomi dell'elemento.
Un grammo di Uranio-238, ad esempio, impiega 4,5 miliardi di anni a trasformarsi in mezzo grammo di U-238 mescolato a un altro mezzo grammo di piombo.
Il piombo è il risultato finale di tale processo.
Osservando lo schema di decadimento dell'U-238 , si osserva come a circa metà della catena si trovi il Radon 222, che è un gas responsabile, tra l'altro, della maggior parte della radioattività naturale alla quale siamo quotidianamente esposti (la cosiddetta radiazione di fondo).
Inoltre, bisogna notare che ognuno di questi prodotti di decadimento sarà sempre presente in tracce in un campione di uranio e che questi elementi continuano a formarsi man mano che nuovi atomi di U-238 decadono.
Questo processo continua fino a che tutto l'Uranio si è trasformato in piombo.
Come si vede dalla tabella, l'uranio in sé è un emettitore alfa; tuttavia, i suoi prodotti di decadimento sono anche emettitori beta e gamma.
Visto che in un certo quantitativo di Uranio sono sempre presenti i suoi prodotti di decadimento, alla fine l'emissione dell'Uranio Impoverito sarà principalmente alfa con tracce di emissione beta e gamma più o meno forti - ma presenti anche se comunque residuali.
L'uranio impoverito viene tuttavia classificato nella fascia più bassa di rischio fra gli isotopi radioattivi.
Per confronto, le attività specifiche dei due radioisotopi che maggiormente contribuiscono al fondo di radiazione ambientale, 40K e 222Rn, sono di circa 400 mBq/mg e 8 GBq/mg, rispettivamente.
Il DU possiede delle uniche proprietà fisiche quali la densità elevatissima (19 g/cm3, 1.7 volte maggiore della densità del piombo) ed una notevole dutttilità.
Inoltre, l’uranio è piroforico, e quindi delle piccole particelle prendono spontaneamente fuoco a contatto con l'aria.
L'importante presenza di stabilimenti nucleari che producono energia (circa il 40% dell'energia elettrica americana è prodotta in centrali nucleari), permette agli USA di possedere circa 560,000 tonnellate di "materiale di scarto" derivante da questi processi (uranio impoverito) sotto forma di esafluoruro (UF6) attualmente stoccate in cilindri in tre impianti di diffusione gassosa: Paducah, Kentucky; Portsmouth, Ohio e Oak Ridge, Tennessee.
Il plutonio nei proiettili all'uranio impoverito
All'interno di alcuni dei proiettili sparati in Kosovo, sono state trovate alcune tracce dell'isotopo u-236.
Questo significa che l'uranio impoverito utilizzato non deriva solo dal processo di arricchimento ma anche dal riprocessamento del combustibile nucleare esaurito, cioè dalle scorie dei reattori nucleari, che sono presenti in grandi quantità sul territorio americano e mondiale.
Si pensi che per smaltire le scorie fu addirittura proposto un improbabile lancio nello spazio.
La quantità totale di scorie prodotte fino ad oggi e sparse chissà dove è di milioni di tonnellate.
Le scorie nucleari prodotte dalle centrali nucleari contengono tutta una serie di radionuclidi non presenti in natura ed estremamente pericolosi per l'uomo e per l'ambiente (ad esempio il Plutonio).
Questo rende ancora più pericolosi i proiettili all'uranio impoverito.
L'ingestione di 0.5 grammi di Plutonio rappresenta una dose mortale.
Nei proiettili sembra però stata trovata una dose molto bassa dell'isotopo u-236 (circa lo 0.0028% del peso del proiettile).
Secondo uno studio, inalare una massa di circa 0.0001 milligrammi di plutonio aumenta la probabilità di morte per cancro da 200 su 1000 (rischio di mortalità per cancro escluse cause non naturali) a 201.2 su 1000.
Inoltre, persiste il forte rischio di sviluppo di entità tumorali nei nascituri.
Questo corrisponde a una diminuzione delle aspettative di vita media di circa 15 giorni.