Radioattività naturale e applicazioni

Il pianeta su cui viviamo ha sempre avuto radioattività propria, ereditata dall’esplosione delle stelle che hanno generato gli elementi pesanti prima della formazione del sistema solare. Questa sezione descrive le catene di decadimento naturali, le principali applicazioni positive della radioattività e la figura che ne ha aperto la strada, Marie Curie.

• Le catene radioattive naturali
• Applicazioni della radioattività
• Marie Curie e la nascita della radiochimica

The planet we live on has always had its own radioactivity, inherited from the explosion of the stars that generated the heavy elements before the formation of the Solar System. This section describes the natural decay chains, the main positive applications of radioactivity, and the figure who paved the way for it, Marie Curie.

• The natural radioactive chains
• Applications of radioactivity
• Marie Curie and the birth of radiochemistry

Il pianeta su cui viviamo ha sempre avuto radioattività propria, ereditata dall’esplosione delle stelle che hanno forgiato gli elementi pesanti prima della formazione del sistema solare. Gli isotopi radioattivi a vita lunghissima — soprattutto uranio e torio — sopravvivono ancora oggi nelle rocce, miliardi di anni dopo, e continuano a decadere.

Questi nuclei pesanti non raggiungono la stabilità con un solo decadimento, ma attraverso lunghe catene radioattive: una successione di decadimenti $\alpha$ e $\beta^-$ che, passo dopo passo, li trasforma in nuclei via via più leggeri. Le tre catene principali sono quella dell’uranio-radio, quella del torio e quella dell’attinio; tutte e tre terminano in isotopi stabili del piombo, il capolinea comune dove i decadimenti si arrestano.

È a queste catene che si deve buona parte del fondo naturale di radioattività: il radon, per esempio, è un gas radioattivo che si forma come anello intermedio della catena dell’uranio presente nel sottosuolo, e può accumularsi negli edifici. Il fondo naturale non è un’anomalia, ma la condizione ordinaria in cui la vita sulla Terra si è evoluta.

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The planet we live on has always had its own radioactivity, inherited from the explosion of the stars that forged the heavy elements before the formation of the solar system. Very long-lived radioactive isotopes — chiefly uranium and thorium — still survive today in rocks, billions of years later, and continue to decay.

These heavy nuclei do not reach stability through a single decay, but through long radioactive chains: a succession of $\alpha$ and $\beta^-$ decays that, step by step, transform them into progressively lighter nuclei. The three main chains are the uranium-radium chain, the thorium chain and the actinium chain; all three end in stable isotopes of lead, the common terminus where the decays stop.

It is to these chains that much of the natural radioactive background is due: radon, for example, is a radioactive gas that forms as an intermediate link in the uranium chain present in the subsoil, and can accumulate in buildings. The natural background is not an anomaly, but the ordinary condition under which life on Earth evolved.

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Nonostante la sua fama sinistra, la radioattività ha un gran numero di applicazioni positive, dalla medicina all’esplorazione spaziale. In ciascuna si sfrutta una proprietà specifica di un isotopo ben scelto: la sua energia, la sua vita media, il tipo di radiazione emessa.

• Medicina: imaging PET con ${}^{18}$F, terapia della tiroide con ${}^{131}$I, radioterapia dei tumori con ${}^{60}$Co, brachiterapia con sorgenti impiantate.
• Datazione: ${}^{14}$C per l’archeologia ($0$–$50$ ka), ${}^{40}$K/${}^{40}$Ar per rocce di $10^6$–$10^9$ anni, U/Pb per rocce di $10^7$–$4{,}5\cdot 10^9$ anni — è così che si è misurata l’età della Terra.
• Energia: reattori a fissione (circa il $10\%$ dell’elettricità mondiale) e centrali sperimentali a fusione in arrivo.
• Sicurezza: i rilevatori di fumo domestici usano ${}^{241}$Am, la cui radiazione $\alpha$ ionizza l’aria; il fumo riduce la corrente ionica e fa scattare l’allarme.
• Esplorazione spaziale: i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG, con ${}^{238}$Pu) alimentano le sonde troppo lontane dal Sole per usare pannelli solari (Voyager 1 e 2, New Horizons).

Il filo comune è che la stessa fisica — nuclei instabili che si trasformano liberando energia e radiazione — può curare un tumore, pesare l’età di una roccia o alimentare una sonda ai confini del sistema solare. La differenza la fa l’uso che se ne sceglie.

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Despite its sinister reputation, radioactivity has a great many positive applications, from medicine to space exploration. Each one exploits a specific property of a well-chosen isotope: its energy, its mean life, the type of radiation it emits.

• Medicine: PET imaging with ${}^{18}$F, thyroid therapy with ${}^{131}$I, tumour radiotherapy with ${}^{60}$Co, brachytherapy with implanted sources.
• Dating: ${}^{14}$C for archaeology ($0$–$50$ ka), ${}^{40}$K/${}^{40}$Ar for rocks of $10^6$–$10^9$ years, U/Pb for rocks of $10^7$–$4{,}5\cdot 10^9$ years — this is how the age of the Earth was measured.
• Energy: fission reactors (about $10\%$ of the world’s electricity) and experimental fusion plants on the horizon.
• Safety: household smoke detectors use ${}^{241}$Am, whose $\alpha$ radiation ionises the air; smoke reduces the ionic current and triggers the alarm.
• Space exploration: radioisotope thermoelectric generators (RTGs, with ${}^{238}$Pu) power probes too far from the Sun to use solar panels (Voyager 1 and 2, New Horizons).

The common thread is that the same physics — unstable nuclei transforming while releasing energy and radiation — can cure a tumour, date a rock, or power a probe at the edge of the solar system. The difference lies in the use chosen for it.

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Marie Curie e la nascita della radiochimica

Manya Skłodowska, nata a Varsavia nel 1867 in una famiglia di insegnanti contestatari dell’occupazione russa, lasciò la Polonia nel 1891 per studiare a Parigi. Con il marito Pierre isolò due nuovi elementi — il polonio e il radio — dai residui di pechblenda, nel 1898. Nel 1903 ricevette il Nobel per la fisica insieme a Becquerel e a Pierre Curie. Nel 1911, ormai vedova, ricevette un secondo Nobel, questa volta per la chimica. Morì nel 1934 di anemia aplastica, con ogni probabilità per l’esposizione cumulata alle radiazioni. I suoi taccuini di laboratorio, custoditi alla Bibliothèque Nationale de France, sono ancora oggi così radioattivi da richiedere indumenti protettivi per essere consultati (Simonyi 2012).

La vicenda di Marie Curie riassume la doppia natura della radioattività agli albori: una scoperta rivoluzionaria, che aprì la strada a tutta la fisica del nucleo e alla medicina moderna, e allo stesso tempo un pericolo ancora ignoto, di cui i pionieri pagarono di persona il prezzo prima che si sviluppassero le regole della radioprotezione.

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Marie Curie and the birth of radiochemistry

Manya Skłodowska, born in Warsaw in 1867 into a family of teachers who opposed the Russian occupation, left Poland in 1891 to study in Paris. With her husband Pierre she isolated two new elements — polonium and radium — from pitchblende residues, in 1898. In 1903 she received the Nobel Prize in Physics together with Becquerel and Pierre Curie. In 1911, by then a widow, she received a second Nobel Prize, this time in Chemistry. She died in 1934 of aplastic anaemia, most probably from cumulative exposure to radiation. Her laboratory notebooks, kept at the Bibliothèque Nationale de France, are still so radioactive today that protective clothing is required to consult them (Simonyi 2012).

Marie Curie’s story sums up the double nature of radioactivity in its early days: a revolutionary discovery, which opened the way to all of nuclear physics and modern medicine, and at the same time a still-unknown danger, whose price the pioneers paid in person before the rules of radiation protection were developed.

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