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L’atomo e la materia

La materia che ci circonda è costituita da atomi. Ogni atomo è formato da protoni e neutroni, che insieme costituiscono il nucleo dell’atomo, circondati da una nuvola di elettroni di carica negativa. All’interno dell’atomo, il nucleo è costituito da protoni carichi positivamente e da neutroni privi di carica e perciò neutri (come dice il loro stesso nome). Gli atomi sono elettricamente neutri poiché il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Il numero totale di protoni nel nucleo (e quindi di elettroni nella nuvola esterna) determina di quale elemento chimico si tratta: così ad esempio l’elemento chimico con 8 protoni è l’ossigeno, quello con 26 protoni è il ferro, quello con 79 protoni è l’oro, quello con 92 protoni è l’uranio.
Gli isotopi
Un elemento chimico, oltre al numero fisso di protoni che lo caratterizza, può avere un numero variabile di neutroni: in tal caso si identificano diversi isotopi di uno stesso elemento. Il ferro presente in natura, ad esempio, è costituito da 4 isotopi, tutti con 26 protoni ma con 28, 30, 31 e 32 neutroni rispettivamente. Gli isotopi sono identificati dal nome dell’elemento e dal numero di massa (neutroni + protoni): così esiste il ferro-54, il ferro-56, ecc..
In natura esistono circa 90 elementi (dall’idrogeno, il più leggero, all’uranio, il più pesante) e circa 270 isotopi. Tra questi, una ventina sono costituiti da un unico isotopo (come ad esempio il sodio, il cobalto, l’arsenico e l’oro), mentre gli altri hanno almeno due isotopi (ad esempio: il cloro ne ha due, lo zinco ne ha cinque, lo stagno ne ha dieci). Oltre agli isotopi presenti in natura (isotopi naturali), esiste oggi un gran numero di isotopi artificiali, cioè prodotti dall’uomo, come ad esempio il il cobalto-60 (27 protoni, 33 neutroni), usato in radioterapia o il plutonio-239 (94 protoni, 145 neutroni), usato come combustibile nelle centrali nucleari.
Una questione di stabilità
Gli isotopi naturali sono quasi tutti stabili, a differenza degli isotopi artificiali, che sono instabili, ossia tendono spontaneamente a disporsi in nuove strutture nucleari energeticamente più favorevoli. La trasformazione di un isotopo in un altro si chiama disintegrazione o decadimento mentre gli isotopi instabili vengono chiamati isotopi radioattivi (radioisotopi o radionuclidi). La radioattività consiste proprio in questo processo di disintegrazione spontanea dei nuclei, durante il quale vengono emesse radiazioni ionizzanti. Le radiazioni ionizzanti sono costituite da particelle e radiazioni elettromagnetiche in grado di modificare la struttura della materia con cui interagiscono. Nel caso dei tessuti biologici questa interazione può portare a un danneggiamento delle cellule. Nella maggior parte dei casi il danno viene riparato dai normali meccanismi di difesa dell’organismo ma, in funzione anche dell’entità e della durata dell’esposizione, a volte le cellule interessate possono risultare compromesse, con conseguenze sulla salute degli individui esposti.
Il decadimento di un isotopo può completarsi in tempi brevi o estremamente lunghi. L’emivita (o tempo di dimezzamento) di un isotopo radioattivo è definita come il tempo occorrente perché la metà degli atomi di un campione puro dell’isotopo decadano in un altro elemento. L’emivita è una misura della stabilità di un isotopo: più breve è l’emivita, meno stabile è l’atomo. Ad esempio l’uranio-238 (92 protoni e 146 neutroni), uno degli isotopi presenti da sempre nella crosta terrestre, si dimezza ogni 4,47 miliardi di anni. Attualmente l’uranio-238 residuo costituisce circa la metà della quantità originariamente presente sulla Terra, che ha un’età stimata proprio intorno ai 4,5 miliardi di anni.