Come cercare rocce e minerali radioattivi

La maggior parte delle persone cerca di evitare la radioattività. Ma alcuni considerano un hobby rilassante e insolito andare alla ricerca – ed eventualmente collezionare – oggetti radioattivi artificiali (come ad esempio oggetti di antiquariato contenenti uranio) oppure naturali, come minerali e rocce. Dato che oggi è assai difficile reperire in commercio campioni radioattivi, questo è anche un modo con cui un fisico dilettante può procurarsi dei piccoli campioni radioattivi da usare per i suoi esperimenti di fisica nucleare, ed in particolare per l’osservazione delle particelle subatomiche in una camera a nebbia. 

La radioattività è un attributo dei minerali che contengono elementi chimici (o dei loro isotopi) radioattivi. Gli elementi radioattivi sono elementi che contengono nuclei disintegrantisi, i quali emettono – in generale – raggi alfa (cioè nuclei di elio), raggi beta (cioè elettroni) e raggi gamma (fotoni di alta energia e raggi X). L’uranio e il torio sono gli elementi radioattivi più noti. I minerali che contengono questi elementi nella loro struttura chimica saranno pertanto sicuramente radioattivi.

In natura esistono 81 diversi elementi chimici stabili. Un isotopo è una qualsiasi di due o più forme di un elemento chimico, con lo stesso numero di protoni nel nucleo o lo stesso numero atomico, ma con un numero diverso di neutroni nel nucleo o pesi atomici diversi. In natura vi sono 275 isotopi stabili degli 81 elementi chimici stabili, oltre a 800 isotopi radioattivi, e ogni elemento ha forme isotopiche conosciute. Gli isotopi di un singolo elemento possiedono proprietà quasi identiche.

Alcuni dei minerali maggiormente radioattivi.

La radioattività nei minerali è causata dall’inclusione di elementi radioattivi presenti in natura nella composizione del minerale. Naturalmente, poiché le rocce contengono più minerali, un discorso analogo si applica alle rocce. Il grado di radioattività dipende dalla concentrazione e dall’isotopo presenti nel minerale. Per la maggior parte, i minerali che contengono potassio (K), uranio (U) e torio (Th) sono radioattivi. La seguente tabella elenca tutti gli isotopi radioattivi presenti in natura.

Elementi con isotopi radioattivi e loro tempo di dimezzamento dell’attività.

AVVERTENZE. La radioattività produce radiazioni mutagene, pericolose per la salute dell’uomo. Alcuni collezionisti di minerali sono specializzati in minerali radioattivi. Sono molto attenti e prendono tutte le precauzioni necessarie. Se ad es. viene inalato molto radon, può penetrare nei polmoni e danneggiare il tessuto polmonare. È meglio non raccogliere minerali radioattivi a meno che uno non sia pienamente informato sulle precauzioni e le linee guida da seguire, cui faremo cenno in questo articolo. Praticando tale hobby, te ne assumi quindi tutte le relative responsabilità.

La radioattività di minerali e rocce

Meno dell’1% di tutte le radiazioni a cui sei esposto proviene dall’industria nucleare: la maggior parte proviene da fonti naturali, come minerali e rocce. La radioattività dei minerali è dovuta alle radiazioni alfa, beta e gamma degli isotopi instabili presenti nella loro composizione. La quantità di tale radiazione viene misurata al meglio con contatori Geiger (utilizzabili da tutti) o con contatori “a scintillazione” (usati tipicamente dai fisici e dai professionisti, essendo strumenti molto più costosi).

I tre tipi più comuni di decadimento radioattivo naturale sono l’alfa, il beta e il gamma. Quando queste emissioni sono state inizialmente osservate, gli scienziati non sono stati in grado di identificarle come particelle già note e le hanno così chiamate, usando le prime tre lettere dell’alfabeto greco: particelle alfa (α); particelle beta (β); raggi gamma (ϒ). Qualche tempo dopo, le particelle alfa sono state identificate come nuclei di elio-4, le particelle beta come elettroni ed i raggi gamma come una forma di radiazione elettromagnetica come i raggi X, ma molto più alta in energia e più pericolosa.

I tre tipi di decadimento radioattivo naturale più comuni.

Il decadimento alfa è dovuto all’espulsione di un nucleo di elio (2 protoni e 2 neutroni) dall’isotopo genitore. Questa particella alfa è accompagnata da emissioni di radiazioni gamma e da un isotopo figlio che è di due protoni e due neutroni più leggero dell’isotopo genitore. Una delle principali fonti di particelle alfa è l’elemento radon, che è un gas presente in molte rocce. Ingerire o respirare un emettitore di particelle alfa è pericoloso perché i tessuti interni non forniscono la protezione della pelle.

Il decadimento beta, invece, è dovuto all’espulsione di un elettrone da un neutrone nel nucleo genitore. Questa particella è accompagnata da radiazioni gamma e da un isotopo figlio che è un protone più pesante e un neutrone più leggero dell’isotopo genitore. Una particella beta, dunque, è semplicemente un elettrone ad alta energia che viene emesso dal nucleo. Il torio-234 è un esempio di nucleo che subisce il decadimento beta (mentre il torio-230 subisce un decadimento alfa).

Il decadimento gamma è un tipo di radioattività in cui alcuni nuclei atomici instabili dissipano l’energia in eccesso mediante un processo elettromagnetico spontaneo. Nella forma più comune di decadimento gamma, noto come “emissione gamma”, vengono irradiati raggi gamma (in pratica, fotoni) di lunghezza d’onda estremamente corta. Il decadimento gamma comprende anche altri due processi elettromagnetici: la conversione interna e la produzione di coppie interne.

Uno spettrometro gamma, strumento che permette di identificare gli isotopi radioattivi.

Il decadimento della cattura elettronica (EC), invece, è molto raro ed è il risultato del nucleo che cattura uno degli elettroni orbitali dell’atomo. Questo decadimento è accompagnato da radiazioni gamma e da un isotopo figlio che è un neutrone più pesante e un protone più leggero dell’isotopo genitore. Pertanto, tutti e tre i decadimenti – alfa, beta e gamma – producono in realtà radiazioni gamma, che sono ciò di cui più ci dobbiamo preoccupare insieme al radon, di cui parleremo fra poco.

Dei tre principali prodotti di decadimento radioattivo, infatti, la radiazione gamma provoca il maggior danno perché ha un effetto maggiore sui materiali biologici (in particolare sul DNA) ed è neutralizzata solo da una schermatura pesante. Il successivo tipo di radiazione più dannosa è costituita dalle particelle beta, che vengono assorbite da alcune decine di centimetri di aria. La radiazione meno dannosa è costituita dalle particelle alfa, che hanno un range di 20 cm o meno in aria.

I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche particolarmente penetranti.

Tuttavia, dal punto di vista della nostra esposizione a lungo termine, particolare importanza riveste quella al radon, un gas radioattivo inodore e invisibile. Esso si forma dal decadimento alfa del radio, che si genera una sua volta dal decadimento alfa dell’uranio (vedi la tabella qui sotto) o da quello del torio. Polonio e bismuto sono i prodotti, estremamente tossici, del decadimento radioattivo del radon. Vedremo più avanti come proteggersi anche dal radon, che è il pericolo più subdolo.

Le serie di decadimento del torio e dell’uranio che porta, fra l’altro, allo sviluppo del radon.

La cosiddetta “attività” è definita, in senso stretto, come il numero di decadimenti nell’unità di tempo di una determinata quantità di materiale radioattivo trovato in natura. Essa viene calcolata come la costante di decadimento λ (correlata all’emivita T) moltiplicata per il numero di nuclei radioattivi. Un chilogrammo di elemento naturale con percentuale X di isotopo radioattivo con emivita T (in sec) ha, in pratica, un’attività R (in Bq/kg) espressa dalla seguente formula:

dove N = 6,023 x 1023 è il numero di Avogadro per 1000 g / massa isotopica per l’abbondanza percentuale, ln 2 = 0,693 e T è l’emivita in secondi. L’unità di attività è il Becquerel (1 Bq = 1 decadimento / sec) o Curie (1 Ci = 3,7 x 1010 Bq). kN è quindi l’attività di 1 kg di elemento con x percenti di radioisotopo in conteggi / sec. Questi valori vengono moltiplicati per la composizione chimica di ciascun elemento nella formula empirica del minerale per determinare la radioattività teorica di quel minerale.

Come identificare i minerali radioattivi

I minerali radioattivi possono essere scoperti con strumenti speciali che rilevano le radiazioni. Il dispositivo più utilizzato per misurare queste è il contatore Geiger. Delle cariche elettriche si sviluppano in un contatore Geiger quando viene posizionato vicino a materiale radioattivo, perciò può misurare la presenza e l’intensità delle radiazioni. I contatori Geiger sono normalmente utilizzati da scienziati e specialisti, ma anche i collezionisti possono dotarsi di contatori Geiger economici.

I contatori Geiger con il migliore rapporto qualità/prezzo sono quelli della società statunitense GQ, come ad es. il modello illustrato in figura, che puoi trovare qui.

I minerali radioattivi sono instabili, il che significa che gli elementi nella loro struttura si rompono continuamente. Ciò distrugge il reticolo cristallino del minerale, facendogli perdere la sua forma cristallina. Quando ciò accade, i suoi bordi di cristallo si arrotondano e il minerale alla fine diventa amorfo. Durante questo processo, diventa anche opaco e sviluppa una lucentezza tipo pece. I minerali che hanno attraversato questo processo di scomposizione sono noti come “metamittici”.

Molti zirconi verdi, ad es. quelli dello Sri Lanka, di età precambriana – e che hanno quindi avuto oltre 800 milioni di anni di bombardamento interno – devono il loro basso indice di rifrazione e densità a questa causa e possono essere chiamati zirconi metamittici. Questo processo è molto lento e non è necessario preoccuparsi che un minerale radioattivo cristallizzato si rompa durante la sua vita. Non tutti i minerali contenenti elementi radioattivi sono metamittici: ad es. xenotime e apatite non lo sono.

Vi sono, in generale, due tipi di minerali radioattivi:

  • Quelli che sono color giallo neon o verde brillante.
  • Quelli con il tipico aspetto metamittico: opaco e con una lucentezza pece e bordi di cristallo arrotondati (o amorfi).

Una roccia contenente uranio (a sinistra) e un minerale reso fluorescente dai raggi UV (a destra) per la presenza di uranio in tracce nella forme di ione uranile.

I minerali radioattivi sono spesso simili nell’aspetto e può essere difficile distinguerli senza un’analisi radiografica. Ad esempio, uno studio che miri a determinare il contenuto e la percentuale di minerali contenuti nelle rocce può utilizzare la fluorescenza a raggi X (XRF, o X-Ray Fluorescence). Anche la diffrazione di raggi X nella polvere (XRD, o X-Ray Powder Diffraction) è una tecnica strumentale rapida e affidabile per l’identificazione dei minerali di routine e di altri materiali cristallini.

I minerali che contengono elementi di terre rare sono generalmente più radioattivi, perché il torio viene comunemente sostituito con uno o più di questi elementi di terre rare. I minerali accessori radioattivi come lo zircone possono contribuire alla radioattività di un minerale che altrimenti non sarebbe radioattivo. Molti graniti o altre rocce ignee (puoi trovare una descrizione di tali rocce qui) contengono una certa radioattività a causa di minerali accessori minori, ma altamente radioattivi.

Uno zircone metamittico. Esso è radioattivo ma a un basso livello, come ad es. il granito.

Cautele da adottare con i minerali radioattivi

I minerali radioattivi emettono varie forme di radiazione, compresi i dannosissimi raggi gamma e raggi X (che sono raggi gamma di bassa energia), ed anche i raggi alfa e beta da essi emessi non sono affatto salutari per il nostro organismo. Molti collezionisti evitano i minerali radioattivi a causa dei loro pericoli, ma se vengono seguite le adeguate precauzioni e linee guida, i pericoli vengono minimizzati e anche i collezionisti amatoriali possono raccoglierli senza eccessive preoccupazioni.

Se raccogli o possiedi minerali radioattivi, devi disporre di mezzi per misurare le radiazioni. Ciò per determinare se sono necessarie precauzioni straordinarie per conservare il minerale. Non basta, infatti, avere un contatore Geiger, ma occorre anche uno strumento o un sistema per rivelare l’eventuale presenza di radon, un gas radioattivo assai pericoloso che può essere prodotto dal decadimento di minerali radioattivi che intendiamo conservare, ad esempio, in un box isolato.

Un rivelatore di radon commerciale, che puoi trovare ad es. qui.

Oltre a un’apparecchiatura elettronica per rivelare il radon (ne esistono anche in vendita sul web, ad esempio qui), gli economici rilevatori track-etch sono un buon modo per verificare se esiste un pericolo. Prendi tre rivelatori, mettine uno nel tuo armadio con i minerali, il successivo nella stanza vicina a quella che ospita la raccolta e il terzo come “blank” di riferimento per testare il laboratorio che elaborerà i rivelatori. Il limite EPA per l’esposizione indoor al radon è di 4 pCi / litro di aria.

Il principale pericolo di esposizione ambientale da parte di minerali radioattivi deriva proprio dall’accumulo di gas radon emesso da minerali contenenti uranio e torio. I musei che espongono grandi esemplari radioattivi, pertanto, forniscono sfiati all’esterno. Una buona strategia per i collezionisti è quella di posizionare una pompa per acquario a buon mercato all’interno di un armadio minerale chiuso, che pompi aria all’esterno dell’edificio. Oppure sigillare completamente il contenitore.

Ecco alcune linee guida fondamentali da adottare per i minerali radioattivi:

  • Non raccogliere campioni di dimensioni superiori a circa 4 cm, a meno che non siano adeguatamente schermati con una speciale schermatura per raggi X e gamma.
  • Raccolto il campione, mettilo in un contenitore metallico chiuso di spessore adeguato.
  • Manipola i campioni il meno possibile; se vengono toccati, lavati le mani con sapone.
  • Non conservare mai esemplari, anche di dimensioni minime, in una stanza abitata.
  • Tieni tutti i campioni fuori dalla portata dei bambini.
  • Non mangiare, bere, fumare o dormire vicino a un minerale radioattivo.
  • Etichetta tutti i campioni radioattivi come “radioattivi”.

I materiali leggermente radioattivi vanno conservati in contenitori di metallo, quelli fortemente radioattivi in contenitori di piombo.

Limitare le dimensioni del campione è importante, poiché l’esposizione è correlata alla quantità di minerale presente. Più in generale, l’esposizione è data dal prodotto dell’intensità della sorgente per il tempo di esposizione. Pertanto, i due modi migliori per ridurre al minimo l’esposizione sono limitare il tempo di esposizione e aumentare la distanza dalla sorgente. Ma occorre anche procedere a una schermatura dei campioni da trasportare o conservare, per la nostra protezione a distanze piccole e medie.

Come schermare le radiazioni ionizzanti

Il danno ai sistemi viventi è causato dalle emissioni radioattive quando le particelle o i raggi colpiscono i tessuti, le cellule o le molecole e le alterano. Queste interazioni possono alterare la struttura e la funzione molecolare; le cellule non svolgono più la loro funzione e le molecole, come il DNA, non trasportano più le informazioni appropriate. Grandi quantità di radiazioni sono molto pericolose, anche mortali. Nella maggior parte dei casi, le radiazioni danneggiano un singolo (o un numero molto piccolo) di cellule rompendo la parete cellulare o impedendo in altro modo a una cellula di riprodursi.

La capacità delle radiazioni di danneggiare le molecole viene analizzata in termini di quello che viene chiamato “potere ionizzante”. Quando una particella di radiazione interagisce con gli atomi, l’interazione può causare la perdita di elettroni da parte dell’atomo e quindi la sua ionizzazione. Maggiore è la probabilità che si verifichi un danno da un’interazione e maggiore è il potere ionizzante della radiazione. Gran parte della minaccia dalle radiazioni dipende dalla tua capacità di proteggerti.

Le radiazioni ionizzanti provocano la rottura del DNA sia direttamente sia tramite meccanismi intermedi, provocando seri danni alle cellule. 

Dietro quanto spessore hai bisogno di nasconderti per essere sicuro? La capacità di ciascun tipo di radiazione di attraversare la materia è espressa in termini di potere di penetrazione. Più materiale può attraversare la radiazione, maggiore è il potere di penetrazione e più è pericolosa. In generale, maggiore è la massa di materiale (soprattutto metallo, meglio se piombo) presente fra te e il campione radioattivo, maggiore è il potere ionizzante e minore è il potere di penetrazione.

Confrontando  i tre tipi comuni di radiazioni ionizzanti, scopriamo che le particelle alfa hanno la massa maggiore. Le particelle alfa, infatti, hanno circa quattro volte la massa di un protone o neutrone e circa 8.000 volte la massa di una particella beta. A causa della grande massa della particella alfa, essa ha il più alto potere ionizzante e la più grande capacità di danneggiare i tessuti. Quelle stesse grandi dimensioni di particelle alfa, tuttavia, le rendono meno capaci di penetrare nella materia.

Le particelle alfa sono relativamente pesanti e abbastanza lente. Si scontrano molto rapidamente con le molecole quando colpiscono la materia, aggiungono due elettroni e diventano un atomo di elio innocuo. Le particelle alfa hanno il minor potere di penetrazione e possono essere fermate da un spesso foglio di carta o anche da uno strato di vestiti. Sono fermate anche dallo strato esterno di pelle morta sulle persone. Se però vengono ingerite o inalate, non hai alcuna protezione da esse.

Come schermare, in pratica, i vari tipi di sorgenti radioattive.

Le particelle beta sono molto più piccole delle particelle alfa, e quindi hanno un potere ionizzante molto minore (meno capacità di danneggiare i tessuti). Ma le loro dimensioni ridotte danno loro un potere penetrante molto maggiore. Le particelle beta possono essere fermate da una ventina di centimetri d’aria o da una finestra di vetro, oppure da alcuni strati di carta stagnola (alluminio). Ancora una volta, tuttavia, il pericolo maggiore si verifica quando la fonte di emissione beta entra dentro di te.

I raggi gamma non sono particelle ma una forma ad alta energia di radiazione elettromagnetica (come i raggi X, solo più potenti). I raggi gamma sono energia che non ha massa o carica. I raggi gamma hanno un enorme potere di penetrazione e richiedono diversi cm di materiale denso (come il piombo) per essere protetti. I raggi gamma possono passare attraverso un corpo umano senza colpire nulla. Sono considerati avere il minor potere ionizzante e il più grande potere di penetrazione.