Quando senti il ​​termine "radioattivo" probabilmente pensi "cattive notizie, "forse sulla falsariga della ricaduta di una bomba atomica.

Ma i materiali radioattivi sono effettivamente utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni benefiche. In medicina, aiutano abitualmente a diagnosticare e curare la malattia. L'irradiazione aiuta a mantenere un certo numero di alimenti liberi da insetti e parassiti invasivi. Gli archeologi li usano per capire quanti anni potrebbe avere un manufatto. E la lista continua. Allora cos'è la radioattività?

È l'emissione spontanea di radiazioni quando il centro denso di un atomo – chiamato nucleo – si trasforma in un altro. Sia sotto forma di particelle che di onde elettromagnetiche chiamate raggi gamma, la radiazione trasferisce energia lontano dal nucleo atomico.

Attraverso esperimenti, i fisici nucleari hanno visto circa 3, 000 diversi tipi di nuclei fino ad oggi. teorie attuali, anche se, prevedere l'esistenza di circa 4, 000 in più che non sono mai stati ancora osservati. Intorno al mondo, migliaia di scienziati, incluso me, continuare a studiare questi minuscoli costituenti della materia, mentre i governi spendono miliardi di dollari per costruire nuove potenti macchine che produrranno nuclei sempre più esotici – e forse alla fine più tecnologie che miglioreranno ulteriormente la vita moderna.

La nascita della fisica nucleare

Il fisico francese Henri Becquerel scoprì la radioattività naturale nel 1896. Stava cercando di studiare come i sali di uranio fosforesciano, cioè, emettono luce - quando sono esposti alla luce solare. Becquerel pose un campione di uranio su una lastra fotografica ricoperta di carta opaca e lo lasciò alla luce diretta del sole. Il piatto si è appannato, che ha concluso era dovuto all'esposizione al sole.

Grazie ad alcuni giorni di tempo nuvoloso, anche se, Becquerel ha lasciato tutto il suo allestimento in un cassetto buio. Sorprendentemente, la lastra fotografica ancora appannata, anche in assenza di luce. La luce del sole non aveva nulla a che fare con la sua precedente osservazione. Era la radioattività naturale dei campioni di uranio che aveva questo effetto. Quando i nuclei di uranio decadono, cioè trasformati in nuclei diversi – emettevano spontaneamente onde luminose che si registravano sulle lastre fotografiche.

La scoperta di Becquerel ha inaugurato una nuova era della fisica e ha lanciato il campo della scienza nucleare. Per questo lavoro, vinse il Premio Nobel nel 1903.

Da allora, gli scienziati nucleari hanno svelato molti dei meccanismi interni del nucleo atomico, e hanno sfruttato la sua incredibile energia sia per usi buoni che sfortunatamente non così buoni. Le scoperte della fisica nucleare ci hanno dato modi per guardare all'interno dei nostri corpi in modo non invasivo, modi per creare energia senza inquinamento atmosferico, e modi per studiare la nostra storia e il nostro ambiente.

A livello atomico

I nuclei atomici conosciuti appartengono a 118 elementi diversi, alcuni di loro si trovano in natura e alcuni di loro sono stati creati dall'uomo. Per ogni elemento della tavola periodica ci sono molti diversi "isotopi, " dalla parola greca "ισότοπο, " che significa "stesso posto, " implicando lo stesso posto nella tavola periodica degli elementi.

Per essere lo stesso elemento, due isotopi devono avere lo stesso numero di protoni:la particella subatomica carica positivamente. È il loro numero di neutroni, particelle subatomiche prive di carica, che può variare in modo significativo.

Per esempio, l'oro è l'elemento 79 della tavola periodica, e tutti gli isotopi dell'oro avranno lo stesso metallo, aspetto giallastro. Però, ci sono 40 isotopi noti dell'oro che sono stati scoperti, e si teorizza l'esistenza di altri circa 20. Solo uno di questi isotopi è lo "stabile, "o naturale, forma d'oro che potresti indossare sull'anulare in questo momento. Il resto sono isotopi radioattivi, noto anche come "isotopi rari".

Gli isotopi rari hanno ciascuno proprietà uniche:vivono per periodi di tempo diversi, da una frazione di secondo a qualche miliardo di anni, e rilasciano diversi tipi di radiazioni e diverse quantità di energia.

Per esempio, i moderni rilevatori di fumo utilizzano l'isotopo Americio-241, che emette un tipo di radiazioni chiamate particelle alfa che hanno un raggio molto breve. La radioattività non può viaggiare per più di un paio di pollici in aria. Americio-241 vive per poche centinaia di anni.

D'altra parte, l'isotopo Fluoro-18, che è comunemente usato nelle scansioni PET mediche, vive solo per circa 100 minuti - abbastanza a lungo per completare la scansione, ma abbastanza breve da evitare di irradiare inutilmente il corpo sano per un lungo periodo. La radiazione elettromagnetica secondaria che proviene dal Fluoro-18 è sotto forma di raggi gamma a lungo raggio, che gli consente di viaggiare fuori dal corpo e nelle fotocamere PET.

Queste diverse proprietà nucleari rendono unico ogni isotopo raro, e i fisici nucleari devono progettare esperimenti specializzati per studiarli separatamente.

A caccia di altro

L'attuale ricerca scientifica nucleare si sforza di sviluppare nuove tecniche per scoprire nuovi isotopi, comprendere le loro proprietà, ed eventualmente produrli e raccoglierli in modo efficiente.

La produzione di isotopi rari non è un compito facile; richiede grandi macchine che facciano viaggiare i nuclei, e si scontrano tra loro, a velocità prossime a quella della luce. Durante queste collisioni i nuclei possono fondersi insieme, o possono rompersi l'un l'altro, produrre nuovi nuclei, potenzialmente con combinazioni inedite di protoni e neutroni.

I fisici nucleari dispongono di apparecchiature dedicate - rivelatori - in grado di osservare questi nuclei appena formati e le radiazioni che emettono, e studiarne le proprietà. Per esempio, presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory dove lavoro, il mio gruppo ha sviluppato un rivelatore di raggi gamma estremamente efficiente che abbiamo chiamato SuN.

La maggior parte degli isotopi conosciuti emettono radiazioni gamma quando decadono. Vogliamo sapere quanta energia viene rilasciata in questo processo, quanti raggi gamma diversi vengono emessi e come l'energia viene condivisa tra loro, e quanto tempo ci vuole perché avvenga il decadimento. SuN può rispondere a queste domande su qualunque isotopo stiamo studiando.

In un tipico esperimento, impiantiamo un fascio di isotopi rari al centro del Sole. I rari isotopi decadranno spontaneamente dopo un breve periodo di tempo, circa un secondo o meno, ed emettono la loro radiazione caratteristica. SuN rileva questi raggi gamma emessi. È nostro compito come sperimentatori nucleari mettere insieme il puzzle di come sono stati emessi quei raggi gamma e cosa ci dicono sulle proprietà del nuovo isotopo.

Questi tipi di tecniche di produzione e rilevamento sono complesse e costose, e quindi ci sono solo una manciata di laboratori di isotopi rari al mondo in grado di produrre e studiare le specie nucleari più esotiche.

È impossibile prevedere quali nuove scoperte nella ricerca di base avranno un impatto sulla vita delle persone. Chi avrebbe potuto sapere 100 anni fa, quando l'elettrone è stato scoperto, che per alcuni decenni quasi tutte le case del mondo sviluppato avrebbero avuto una macchina elettronica – altrimenti nota come tubo a raggi catodici – per guardare la televisione? E chi avrebbe potuto immaginare che la scoperta della radioattività avrebbe portato alla fine all'esplorazione dello spazio alimentata da decadimenti radioattivi?

Nello stesso modo, non possiamo prevedere quali scoperte di isotopi rari cambieranno il gioco, ma con più della metà degli isotopi previsti ancora inesplorati, per me le possibilità sembrano infinite.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.