Radioattività: perché alcuni atomi si disgregano

Nell'ultima settimana di febbraio del 1896, Henri Becquerel era bloccato in attesa del sole. Lavorando nel suo laboratorio al Muséum National d'Histoire Naturelle di Parigi, stava studiando dei sali di uranio fosforescenti, aspettandosi che cristalli caricati dalla luce solare potessero emettere i misteriosi nuovi raggi che Wilhelm Röntgen aveva annunciato il novembre precedente. Il suo piano era semplice: lasciare che i sali assorbissero la luce del giorno, appoggiarli su una lastra fotografica avvolta in spessa carta nera e verificare se qualcosa penetrasse l'involucro. Ma Parigi rimase coperta per giorni, e senza luce solare per caricare i suoi cristalli, Becquerel rinunciò per il momento e infilò tutto l'apparato, sale appoggiato sulla lastra avvolta, dentro un cassetto.

Quando finalmente sviluppò quella lastra il primo di marzo, vi trovò impressa con chiarezza la sagoma del sale di uranio, nitida e inconfondibile. Nessuna luce solare aveva mai raggiunto i cristalli. Qualunque cosa avesse esposto la lastra non proveniva dall'esterno dell'uranio, ma dal suo interno: un'emissione che il sale produceva interamente da sé, al buio, senza alcuna fonte di energia apparente. Becquerel si era imbattuto in una proprietà della materia che nessuno aveva sospettato: certi atomi non sono affatto stabili, e si disgregano secondo un loro ritmo, scagliando fuori radiazioni mentre lo fanno.

Questo articolo segue quel filo dal cassetto di Parigi fino all'ospedale moderno e alla datazione della Terra. Cosa esce davvero da un atomo instabile, perché alcuni decadono in minuti e altri nell'arco di miliardi di anni, e perché nulla di tutto ciò è toccato dalla chimica ordinaria del calore, della pressione e dei legami?

Un incidente in un cassetto diventa una nuova scienza

È facile sottovalutare la stranezza del risultato di Becquerel. I raggi X di Röntgen, scoperti solo pochi mesi prima, richiedevano un apparato: un tubo a vuoto, un'alta tensione, un flusso di elettroni che si schiantava contro il metallo. L'uranio di Becquerel non richiedeva nulla, restava inerte in un cassetto chiuso e irradiava lo stesso. Il tempo nuvoloso, lungi dal rovinare l'esperimento, fu ciò che rese possibile la scoperta, perché eliminò la luce solare come spiegazione e lasciò l'uranio da solo come unica fonte.

Il fenomeno trovò il suo campione in una giovane fisica di origine polacca a Parigi. Marie Skłodowska Curie, insieme al marito Pierre Curie, raccolse l'enigma di Becquerel e lo spinse molto oltre. A partire dal 1898, alla Scuola di Fisica e Chimica Industriali di Parigi, i Curie trattarono tonnellate di pechblenda, un minerale di uranio scuro proveniente dalle miniere della Boemia, separandolo chimicamente frazione per frazione e misurando l'attività di ciascuna. Alcune frazioni erano molto più attive di quanto il solo contenuto di uranio potesse spiegare, il che significava che il minerale conteneva, in quantità minime, altri elementi che irradiavano in modo ancora più intenso. Da questo lavoro meticoloso isolarono due nuovi elementi, il polonio (chiamato così in onore della patria di Marie) e il radio, quest'ultimo circa un milione di volte più radioattivo dell'uranio stesso.

Il riconoscimento che ne seguì fu storico. Marie Curie condivise il Premio Nobel per la Fisica del 1903 con Pierre e Becquerel, e nel 1911 vinse il Premio Nobel per la Chimica per l'isolamento del radio. Resta l'unica persona ad aver vinto Premi Nobel in due scienze distinte. La parola radioattività, l'emissione spontanea di particelle o radiazioni da nuclei instabili, fu sua.

Tre tipi di raggi, ordinati da un magnete

Se gli atomi instabili emettono qualcosa, la domanda ovvia che segue è cosa. La risposta non si rivelò essere una sola cosa, bensì tre, e la persona che le districò fu Ernest Rutherford. Lavorando alla McGill University nel 1899, fece passare la radiazione attraverso un campo magnetico e la osservò separarsi in componenti distinte che deviavano in direzioni diverse e di entità diverse. Un campo magnetico devia le cariche in movimento, perciò il modo in cui ciascuna componente deviava ne rivelava la carica e, approssimativamente, la massa. Rutherford chiamò le tre con le prime lettere dell'alfabeto greco: alfa, beta e gamma.

Una particella alfa è un nucleo di elio-4: due protoni e due neutroni legati insieme, con una carica di +2 e una massa di circa 4 unità di massa atomica. È pesante e lenta per gli standard delle radiazioni, e, per quanto energetica, perde quell'energia quasi immediatamente al contatto, tanto che un singolo foglio di carta o lo strato esterno morto della pelle bastano a fermarla.

Una particella beta-meno è un elettrone, ma non uno strappato agli strati esterni di un atomo. Viene creata nell'istante del decadimento, quando un neutrone all'interno del nucleo si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino, espellendo questi ultimi due. La carica è meno uno e la massa è minuscola. Essendo leggere e veloci, le particelle beta penetrano più a fondo delle alfa, ma pochi millimetri di alluminio le assorbono.

La radiazione gamma è diversa per natura. Non è affatto una particella di materia, ma un fotone ad alta energia, un pacchetto di radiazione elettromagnetica con massa nulla e carica nulla, ed è per questo che un magnete non la devia. Non avendo carica a cui aggrapparsi né massa da fermare, i raggi gamma attraversano la materia con facilità, e per attenuarli servono centimetri di piombo denso o decine di centimetri di calcestruzzo. La proprietà che li rende utili per sterilizzare strumenti e per ottenere immagini del corpo è la stessa che li rende i più difficili dei tre da schermare.

L'orologio che nulla può rallentare

Sapere cosa esce da un nucleo instabile lascia comunque aperta la domanda più profonda: quando. Un dato atomo di uranio potrebbe restare immutato per un miliardo di anni, mentre un atomo di un isotopo a vita breve potrebbe decadere nel secondo successivo, senza alcun modo di prevedere quale. Il decadimento è fondamentalmente statistico, e la legge che lo governa è il tempo di dimezzamento, il tempo necessario perché metà di un campione radioattivo decada.

L'aritmetica è pulita. Dopo un tempo di dimezzamento, rimane metà dei nuclei originali. Dopo due, un quarto. Dopo tre, un ottavo. Dopo n tempi di dimezzamento, la frazione rimasta è uno diviso due elevato alla n. Il campione non raggiunge mai del tutto lo zero; continua semplicemente a dimezzarsi. La cosa notevole è quanto sia rigido questo orologio. Il tempo di dimezzamento è una proprietà del nucleo stesso, fissa per ciascun isotopo, e non dipende dalla temperatura, dalla pressione, dai legami chimici o da quanta sostanza si abbia, il che distingue la radioattività da quasi tutto il resto di ciò che un chimico studia.

Ogni isotopo tiene il proprio tempo, e l'intervallo è impressionante. Il carbonio-14 ha un tempo di dimezzamento di 5.730 anni, l'uranio-238 si attesta intorno ai 4,5 miliardi di anni, paragonabile all'età della Terra, e lo iodio-131, un prodotto di fissione, decade in appena 8,02 giorni. Tre isotopi, tre orologi a velocità incredibilmente diverse, tutti governati dalla stessa semplice legge del dimezzamento.

Leggere il tempo stesso, da un mammut alla Terra

Poiché ogni isotopo decade a un ritmo fisso, un campione radioattivo è un orologio, e si può leggere il tempo trascorso misurando quanto è decaduto. Il trucco sta nell'abbinare l'orologio alla domanda, dato che un isotopo è utile solo per datare cose dell'ordine del suo stesso tempo di dimezzamento.

Il carbonio-14 è l'orologio del passato recente. Gli esseri viventi assorbono costantemente carbonio, compresa una traccia costante di carbonio-14 radioattivo, e smettono quando muoiono, dopodiché il carbonio-14 decade semplicemente, sicché misurare quanto ne rimane fornisce il tempo trascorso dalla morte. Con il suo tempo di dimezzamento di 5.730 anni, il carbonio-14 data in modo affidabile il materiale organico da poche centinaia di anni fino a circa 50.000 anni, oltre i quali ne rimane troppo poco per misurarlo. La tecnica fu sviluppata da Willard Libby all'Università di Chicago nel 1949, e rivoluzionò l'archeologia.

Per il tempo profondo serve un orologio molto più lento. L'uranio-238, che si dimezza solo ogni 4,5 miliardi di anni, data gli oggetti più antichi del sistema solare: i meteoriti più antichi si collocano intorno ai 4,567 miliardi di anni, e i più antichi minerali terrestri sopravvissuti, minuscoli cristalli di zircone dell'Australia occidentale, risalgono a circa 4,4 miliardi di anni. Abbina l'orologio alla scala temporale: non dateresti un mammut del Pleistocene con l'uranio, né uno zircone dell'Adeano con il carbonio.

Dentro la clinica, la scadenza dei 110 minuti

La radioattività non è soltanto uno strumento per guardare indietro; è un cavallo di battaglia della medicina moderna, dove il tempo di dimezzamento detta la logistica di un intero reparto. Si consideri la tomografia a emissione di positroni, la PET. Si basa sul fluoro-18, un isotopo che decade emettendo un positrone, la controparte di antimateria dell'elettrone, con un tempo di dimezzamento di 110 minuti. Il fluoro-18 è incorporato nel fluorodesossiglucosio, o FDG, un sosia del glucosio che le cellule più affamate del corpo assorbono avidamente.

Dopo l'iniezione al paziente, i tessuti con un'elevata richiesta di glucosio, come molti tumori, il cervello e il cuore, captano l'FDG e lo concentrano. Ogni positrone emesso percorre una distanza minuscola prima di incontrare un elettrone, momento in cui i due si annichilano e convertono la loro massa in una coppia di fotoni gamma, ciascuno con un'energia di 511 kiloelettronvolt, che schizzano via in direzioni esattamente opposte. L'anello di rivelatori dello scanner cattura entrambi e traccia la linea che li unisce, mappando dove viene consumato il glucosio.

Quell'orologio da 110 minuti regola tutto ciò che ruota attorno alla procedura. Il fluoro-18 non può essere prodotto in anticipo e conservato; nel giro di poche ore, la maggior parte di esso è sparita. Un centro PET ha quindi bisogno o di un proprio ciclotrone in loco oppure di una consegna in giornata calcolata al minuto, e qualsiasi dose non utilizzata va semplicemente persa per decadimento. La fisica del tempo di dimezzamento qui non è un'astrazione; è un calendario di consegne.

Mettere l'esposizione su un unico righello

La radiazione rende le persone ansiose, in parte perché è invisibile e in parte perché i numeri sono poco familiari. La dose assorbita dai tessuti viventi si misura in sievert, ma un modo più intuitivo per ancorare la scala è la banana. Una banana comune contiene potassio, una piccola frazione del quale è potassio-40 radioattivo, sicché mangiarne una fornisce circa 0,1 microsievert. Questo dà un righello non ufficiale ma davvero utile, la dose equivalente in banane.

I confronti sono chiarificatori. Una radiografia del torace fornisce circa 100 microsievert, all'incirca un migliaio di banane. Un volo transatlantico, dove l'atmosfera più rarefatta lascia passare più radiazione cosmica, dà intorno a 40. Il limite annuale di dose per il pubblico negli Stati Uniti, al di sopra del fondo naturale, è di 1.000 microsievert, circa diecimila banane. La malattia acuta da radiazioni non comincia se non intorno a 1.000.000 di microsievert, dieci milioni di banane, decine di migliaia di volte oltre qualsiasi incontro di routine. Vederli affiancati non rende la radiazione innocua, ma colloca onestamente ciascuna esposizione su una scala in cui una scansione e una catastrofe stanno a distanza enorme l'una dall'altra.

Perché la chimica non può toccare il nucleo

Alla base di tutto questo c'è un fatto che gli studenti trovano sistematicamente controintuitivo: il decadimento radioattivo è un processo nucleare, non chimico, e le leve ordinarie della chimica non lo raggiungono. Le velocità delle reazioni chimiche dipendono in modo marcato dalla temperatura, dalla pressione, dalla concentrazione e dai legami che un atomo forma, mentre il decadimento radioattivo non dipende da nessuna di queste. Raffreddare un campione di uranio a temperature da elio liquido non rallenta il suo decadimento, riscaldarlo fino al punto di fusione non lo accelera, e scioglierlo in acido non sposta affatto l'orologio, perché il decadimento avviene in profondità nel nucleo, ben al di sotto degli strati elettronici dove ha luogo tutta la chimica.

Le scale di energia rendono evidente la separazione. Rompere un legame chimico comporta pochi elettronvolt, mentre una transizione nucleare libera qualche megaelettronvolt, circa un milione di volte di più. Il nucleo opera in un regime diverso.

Un'ultima distinzione mette al riparo da una confusione comune: il tempo di dimezzamento non è la durata di vita. Indica quanto tempo serve perché metà di una grande popolazione decada, ma nessun singolo nucleo ha una durata di vita fissa, dato che il decadimento è puramente statistico. Questo spiega un apparente paradosso: un lungo tempo di dimezzamento rende un isotopo, a parità di grammi, meno pericoloso, perché un numero minore dei suoi nuclei decade ogni secondo. L'uranio-238, che si dimezza nell'arco di 4,5 miliardi di anni, è debolmente attivo e sicuro da maneggiare in quantità modeste, mentre la stessa massa di iodio-131, che si dimezza in otto giorni, sarebbe acutamente pericolosa.

Punti chiave

La radioattività è l'emissione spontanea di particelle o radiazioni da nuclei instabili, scoperta da Henri Becquerel nel marzo del 1896 quando dei sali di uranio si impressero su una lastra fotografica avvolta al buio, con Marie e Pierre Curie che isolarono il polonio e il radio dalla pechblenda boema nel 1898 ed Ernest Rutherford che nel 1899 ordinò la radiazione mediante deflessione magnetica in alfa (un nucleo di elio-4 di carica +2, fermato dalla carta), beta (un elettrone nato quando un neutrone diventa un protone, fermato da pochi millimetri di alluminio) e gamma (un fotone ad alta energia, privo di carica e di massa, che richiede centimetri di piombo). La spina dorsale quantitativa è il tempo di dimezzamento, il tempo fisso perché metà di un campione decada, una proprietà del solo nucleo che è indipendente da temperatura, pressione, chimica e quantità; spazia dal carbonio-14 a 5.730 anni per la datazione al radiocarbonio, passando per lo iodio-131 a 8,02 giorni e il fluoro-18 a 110 minuti per le immagini PET, fino all'uranio-238 a 4,5 miliardi di anni per la datazione della Terra, mentre la dose equivalente in banane (circa 0,1 microsievert ciascuna) colloca ogni esposizione su un unico righello onesto, e il fatto che il tempo di dimezzamento sia statistico, non una durata di vita, spiega perché un isotopo a lunga vita sia, a parità di grammi, quello più sicuro.