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Decadimento Alfa: fra scienza e tecnologia.

Un particolare rilevatore di particelle Alfa, utilizzato per...

Dopo tanto parlare di astrofisica passo al mio vero ambito di competenza: la fisica nucleare.

La radioattività α è stata la prima ad evendenziare le prorietà del nucleo atomico. Fu scoperta da Henri Becquerel nel 1896 quando si accorse che dei sali d’Uranio impressionavano le lastre fotografiche ancora sigillate. Studiando il fenomeno fu possibile dedurre la struttura dell’atomo (grazie agli esperimenti di Rutherford) formato da un mare di elettroni orbitanti attorno a un nucleo centrale; le particelle alfa, grazie alla loro alta energia rispetto agli strumenti disponibili all’epoca (si tratta dei primi del ‘900) permettevano di sondare nel profondo la struttura della materia oltrepassando quel mare di elettroni che crea una nebbia, fino ad allora impenetrabile, che rende complicato intravedere il nucleo.

Studiando ulteriormente le caratteristiche intrinseche di questa particella, è stato possibile individuare la sua struttura interna determinando, come ho già accennato, la sua natura di nucleo di Elio-4 (molto stabile, per questo confuso con una particella a se stante) lanciato a gran velocità.

Come spiegato nella parte “non tutti sanno che” dell’articolo sulla nucleosintesi: “generalmente la formazione di sistemi maggiormente legati viene favorita rispetto a quella di sistemi più fragili”; per questo motivo, nello stesso modo in cui due (o più) componenti con poca energia di legame possono fondersi per formare un entità maggiormente legata (rilasciando energia) come abbiamo visto processo alla base della nucleosintesi e del brillare dello stelle, un nucleo con poca energia di legame può separarsi (in gergo: fissionare)  in due (o più) componenti maggiormente coese, questi sono gli ingredienti necessari per capire come funziona il decadimento alfa.

Dato che il nucleo di Elio-4 è una componente con molta energia di legame è frequente che nuclei poco stabili fissionino un nucleo di Elio-4 (cioè emettano una particella alfa) aumentando l’energia di legame del sistema che si esprime nell’energia cinetica con cui si allontanano il nucleo e la particella. Caratteristica generale dei nuclei è di essere meno legati mano a mano si aggiungono nucleoni: nuclei molto pesanti sono generalmente instabili infatti nuclei più pesanti dell’Uranio-238 non esistono in natura e si creano sinteticamente. Nuclei più pesanti del Piombo-208 tendono a emettere particelle alfa, onde alleggerirsi del fardello diventando così maggiormente legati; questo processo si chiama “decadimendo alfa” e determina che i nuclei più pesanti si liberino man mano di particelle alfa e, 2 neutroni e 2 protoni per volta, percorrino la strada che li porti a diventare nuclei stabili di Piombo formando le cosiddette “famiglie radioattive”.

Fin da subito si è osservato che le particelle alfa hanno un potere di penetrazione nella materia molto basso, vengono infatti arrestate da pochi cm di aria e trasformate in Elio inerte, infatti “non tutti sanno che”:

una particella radioattiva pesante, come la particella alfa, interagisce con ogni nucleo che incontra lungo la sua strada. Mentre caratteristica di altre radiazioni è penetrare in profondità nella materia attraversando miliardi di miliardi di nuclei senza vederli, la particella Alfa, essendo un nucleo anch’essa, ha un altissima probabilità di interagire con ogni nucleo con cui viene a contatto. Come un TIR lanciato a gran velocità contro una serie di cancellate, sebbene sfondandone diverse, si arresterà presto rallentando mano a mano (laddove un proiettile avrebbe attraversato senza colpo ferire passando facilmente fra le sbarre), anche se lasciando dietro di se la sua scia di distruzione, così la particella Alfa, sebbene interagendo con moltissimi nuclei prima di fermarsi , si arresterà lasciando dietro di se una traccia di nuclei eccitati dal suo passaggio.

Quindi adesso che abbiamo capito cos’è e come funziona il decadimento alfa, possiamo domandarci come utilizzarlo, quindi a come capitalizzare la cultura scientifica in tecnica. La particella Alfa è quindi, riassumendo, un nucleo di Elio-4 lanciato a gran velocità proveniente da un nucleo pesante. Questo nucleo è quindi elettricamente carico (i due protoni hanno una carica positiva) e quindi può indurre una corrente, e questo è un modo con cui possiamo rivelare la sua presenza. Ma rilevare la presenza di particelle alfa cosa può servire? Dato che hanno uno scarso potere di penetrazione, tarando un opportuno rivelatore, possono individuare la presenza di praticamente qualsiasi cosa si frapponga fra loro e il circuito di rivelazione: il circuito misura un costante afflusso di particelle, se tale flusso viene interrotto o smorzato significa che qualcosa ha ostruito il passaggio delle particelle. E cosa è particolarmente sfuggente e critico da rilevare con puntualità e affidabilità? Il fumo: può essere nero e denso ma anche trasparente e praticamente invisibile a seconda del combustibile che stia alimentando il fuoco ed è molto importante poterlo individuare con affidabilità: le particelle alfa rappresentano l’alternativa più affidabile.

I rivelatori antifumo a “camera di ionizzazione” funzionano secondo questo principio e sono fra i più utilizzati (non di certo l’unico tipo)  a causa della loro grande affidabilità e relativa economicità.

Nello specifico, solitamente, viene utilizzata una sorgente di Americio-241 che deve poi essere smaltita da ditte specializzate in ambito nucleare (quindi, se vi capitasse, non buttate rivelatori antifumo nel cassone della discarica!) che sono le stesse che producono il rivelatore stesso (come Honeywell) accoppiate a un rivelatore a gas, da cui il nome “camera di ionizzazione”.

Questo articolo è dedicato a morwen_ nella speranza che approfondisca i suoi studi sulla Honeywell e la sua tesi vada a buon fine!

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  1. dicembre 10, 2009 alle 2:11 pm

    Magnifico! Grazie ragazzo mio!
    Ora sarei curioso di capire meglio come si riesce a “vedere” questi benedetti atomi, giù una volta ci provasti, ma poi siamo stati presi dalle “solite” diatribe fotografiche. ^^
    O forse basterebbe che tu ci spiegassi un attimo cosa sta succedendo al LHC perché seguendo il loro blog (http://www.infn.it/lhcitalia/) sembra che siano ad un passo (vabbeh, con i tempi biblici della scienza eh!) da una scoperta. ^^

    yorus

    MAURO

    • dicembre 10, 2009 alle 2:32 pm

      Grazie Mauro della lettura e del commento (e del voto, nel caso sia stato tu)! 😉
      Magari il prossimo articolo spiego meglio sui metodi d’indagine dell’ultrapiccolo (magari lo stesso principio di scattering, ho un articolo mezzo fatto che avevo scritto per prepararmi all’esame di dottorato…), o magari spiego un po’ LHC come hai suggerito (anche se non è il mio campo, ci posso provare 😉 ).
      Nel frattempo sto lavorando a un articolo “grosso” o meglio a un raccontino vero e proprio, una “parabola scientifica” diciamo. Magari te la mando in anteprima così mi dai consigli prima di pubblicarlo! 😛

      Ciao e grazie
      Andrea

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