Minerali radioattivi

La scoperta che i nuclei di alcuni minerali godono della proprietà di disintegrarsi spontaneamente, emettendo radiazioni più o meno intense e trasformandosi in nuclei di elementi più leggeri, risale agli ultimi anni dell'Ottocento.

La radioattività è un fenomeno assai diffuso in natura:

la maggior parte delle rocce, infatti, è sensibilmente radioattiva, se pur a livelli più che modesti e mai pericolosi per la salute.

Fra gli elementi naturalmente radioattivi i più abbondanti sono l'uranio e il torio, la cui presenza è utile anche per determinare con maggior precisione la storia della Terra e dell'intero sistema solare.

roccia con uranio roccia con torio

I minerali radioattivi sono quelli che contengono alcuni elementi instabili che si decompongono spontaneamente in altri, liberando ingenti quantità di energia emesse sotto forma di radiazioni.

Questa decomposizione può avvenire con diversa velocità, a seconda degli elementi;

per ognuno di essi, infatti, si indica un periodo, detto tempo di dimezzamento trascorso il quale l'elemento radioattivo ha disintegrato metà dei suoi atomi:

esso sarà breve per gli elementi che si decompongono rapidamente, più lungo per quelli che decadono lentamente.

La legge che regola questi fenomeni è tale che, dopo due periodi, la quantità rimasta dell'elemento radioattivo sarà dunque ridotta a un quarto dell'originale, dopo tre a un ottavo, dopo quattro a un sedicesimo, e cosi via.

I nuclei atomici (formati da protono e neutroni) non sono tutti uguali, anche all'interno di una stessa sostanza:

esistono infatti i cosidetti isotopi di un elemento, cioè quei nuclei atomici che, pur avendo lo stesso numero di protoni che caratterizzano chimicamente la sostanza, hanno un diverso numero di neutroni e, pertanto, sono instabili, differendo da altri atomi dell'elemento soprattutto per il peso (o meglio, per la massa).

Per esempio, l'uranio naturale è costituito per il 99.3% dall'isotopo 238, chiamato cosi perchè il suo peso è circa 238 volte quello dell'atomo di idrogeno, e per lo 0.7% circa dall'isotopo 235.

La distinzione tra i diversi isotopi è importante perchè, anche se le proprietà chimiche sono pressochè identiche, le proprietà radioattive, invece, risultano fondalmentalmente diverse.

Infatti il 235 dell'uranio ha un tempo di dimezzamento di 710 milioni di anni e dunque si decompone più rapidamente del 238, il cui corrispondente periodo è di circa 4.5 miliardi di anni.

E ancora, il potassio naturale è costituito da una miscela di tre diversi isotopi di peso 39, 40 e 41:

mentre gli isotopi 39 e 41 sono perfettamente stabili, il 40 è radioattivo (con tempo di dimezzamento di 1.4 miliardi di anni).

Notiamo, dagli esempi, come questi periodi di dimezzamento durino miliardi di anni, o perlomeno diverse centinaia di milioni di anni.

In alcuni minerali possono essere presenti anche elementi con periodi molto più brevi (il radio 226 ha un tempo di dimmezzamento di circa 1500 anni, il radon 222 addirittura di quattro giorni) ma in tutti i casi si può agevolmente dimostrare che queste sostanze a vita breve esistono in natura perchè continuamente formate dalla decomposizione di altri elementi (qui l'uranio 238) a vita molto più lunga:

il radio e il radon (oppure il torio, nel quale esistono altri isotopi corrispondenti).

Perchè questi periodi sono cosi lunghi?

Inianzitutto, attualmente sulla Terra non si osservano eventi naturali che producano su larga scala nuovi elementi chimici, specialmente con atomi pesanti;

quindi, è più lecito immaginare che le sostanze oggi presenti (specie quelli con atomi pesanti, come l'uranio) siano state prodotte in circostanze assai diverse dalle attuali:

alcuni, per esempio, ritengono che esse siano state originate dallo scoppio di una stella 'supernova', che avvenne circa 6 miliardi di anni orsono, subito prima della formazione del sistema solare.

In questo modo si spiega perchè gli elementi radioattivi naturali che non derivano dalla decomposizione continua di altri hanno tempi di dimezzamento tanto lunghi.

Basandosi su tali considerazioni, si è calcolato che dopo sei miliardi di anni di un elemento radioattivo come il plutonio 244, il cui periodo è di soli 80 milioni di anni, rimarrebbero solo tracce infinitesime;

e recenti ricerche hanno effettivamente dimostrato che sulla Terra esistono queste minime tracce, proprio come suggerito dalle osservazioni precedenti.

certamente tutti quelli contenenti potassio (come i feldspati, che sono i minerali più comuni sulla crosta terrestre).

Tuttavia, il potassio 40, l'unico isotopo radioattivo, non è che un costituente minore della miscela di isotopi che forma il potassio naturale (ne costituisce solo una parte su diecimila):

perciò la radioattività dei minerali di potassio è assai tenue.

feldspato

Più notevole rimane, invece, la radioattività dei minerali che contengono elementi assai pesanti, come l'uranio o il torio:

queste sostanze, in cui tutti gli isotopi sono radioattivi, emettono radiazioni assai ricche di energia e per di più si trasformano in piombo, con una serie successiva di una decina di trasformazioni che comprendono, come abbiamo già visto, atomi come quelli del radio e del radon.

Quindi i minerali di uranio e torio sono i 'veri' minerali radioattivi;

Piombo (Rob Lavinsky)

ma lo sono anche le specie contenenti in prevalenza elementi quali lo zirconio e le terre rare quando ospitano l'uranio e il torio come costituenti minori,e ciò accade spesso.

zirconio

Dal punto di vista scientifico, i minerali radioattivi sono molto importanti perchè, studiandoli, si riesce ad attribuire una data alla loro formazione, nonchè a quella delle rocce che li ospitano:

il valore numerico del rapporto uranio/piombo, per esempio, diminuisce con l'età, poichè il primo elemento continua a trasformarsi nel secondo, seguendo una legge assolutamente regolare.

Lo stesso accade per il rapporto potassio/argon, applicabile a una grande quantità di minerali comuni;

dati ancora più recenti sono forniti infine dalla coppia rubidio/stronzio, presente nei minerali di potassio, in quanto meno suscettibile di variazioni dovute ad alterazioni e dilavamento parziale.

A parte i pur notevoli interessi di tipo economico o strategico, l'importanza dei minerali radioattivi rimane legata soprattutto alla possibilità di fornire date convincenti alla storia della Terra e di tutto il sistema solare.