Isotopi dell’uranio

Isotopi dell’uranio

L’uranio è un elemento metallico di simbolo U, numero atomico 92 e peso atomico 238.

Esso appartiene alla serie degli attinidi del Sistema Periodico degli elementi.

Fu scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, in un campione di pechblenda, e prese nome dal pianeta Urano e fu isolato allo stato metallico nel 1841.

Proprietà

Puro, l’uranio si presenta come un metallo bianco-argenteo, lievemente radioattivo e di poco più tenero dell’acciaio. È malleabile, duttile e debolmente  paramagnetico. È un metallo molto denso (65% più denso del piombo). Diviso finemente, reagisce con l’acqua a temperatura ambiente; esposto all’aria si copre superficialmente di uno strato del proprio ossido.

L’uranio metallico si presenta in tre forme allotropiche:

·  α – ortorombico, stabile fino a 667,7°C

·  β – tetragonale, stabile a temperature comprese tra 667,7 e 774,8°C

·  γ – cubico a corpo centrato, stabile a temperature comprese tra 774,8°C ed il punto di fusione, è la forma più duttile e malleabile delle tre.

Radioattività

Le proprietà radioattive dell’uranio vennero scoperte nel 1896 dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel, durante l’analisi di un’immagine ottenuta per azione dei sali fluorescenti di solfato di uranile di potassio K₂OUO₂(SO₄)₂ , su una lastra fotografica coperta da un sottile strato di sostanza fotoassorbente. Gli studi sulla radioattività che seguirono l’esperimento di Becquerel portarono alla scoperta del radio e alla definizione di nuovi e fondamentali concetti sulla struttura atomica.
Tra gli elementi presenti in natura, è quello dotato di numero atomico maggiore e quelli che lo seguono nel sistema periodico sono tutti artificiali. E’ presente in diverse rocce (graniti, basalti, ecc.), ma i minerali importanti dal punto di vista industriale sono solamente due: uranite (UO₂ contenente anche Torio) e la pechblenda (anch’essa biossido di Uranio). L’uranite è un minerale radioattivo ricco di uranio che si trova, prevalentemente sotto forma di UO₂, e contiene anche UO₃ e ossidi di piombo, torio ed altri elementi. L’uranite contiene anche una piccola quantità di radio derivante dal decadimento dell’uranio e modeste quantità di isotopi del piombo quali prodotti finali del decadimento del ²³⁸U e ²³⁵ U rispettivamente ²⁰⁶Pb e ²⁰⁷ Pb. La pechblenda è una varietà di uraninite di composizione approssimativa U₃O₈ , in aggregati e masse zonate, di colore nero piceo.

L’assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di ²³⁸U dà luogo a un processo radioattivo durante il quale il nucleo si trasforma nell’isotopo fissile ²³⁹Pu a seguito di due decadimenti β

²³⁸₉₂U → ²³⁹₉₂U  → ²³⁹₉₃Np → ²³⁹₉₄Pu

L’isotopo ²³⁵U è importante sia per i  reattori che per le  armi nucleari perché è l’unico isotopo fissile esistente in natura in quantità apprezzabili. Anche ²³⁸U può trovare impiego nei reattori nucleari, dove viene convertito in ²³⁹U per assorbimento di neutroni termici, il quale decade in ²³⁹Pu, fissile. Anche l’isotopo ²³3U è fissile; viene prodotto per bombardamento con neutroni di ²³²Th. In natura sono presenti tre isotopi, tutti emettitori α:

²³⁸₉₂U : abbondanza 99.274% con tempo di dimezzamento (emivita) di 4.50 x 10⁹ anni

²³⁵₉₂U : abbondanza 0.720% con tempo di dimezzamento di 7.13 x 10⁸ anni

²³⁴₉₂U : abbondanza 0.006 % con tempo di dimezzamento di 2.35 x 10⁵ anni

I primi due isotopi sono gli iniziatori di famiglie radioattive naturali mentre il terzo si forma durante il decadimento del ²³⁸₉₂U. Le proprietà nucleari  del ²³⁵₉₂U e del ²³⁸₉₂U sono di estrema importanza dal momento che il primo è fissile ovvero è in grado di sviluppare una reazione a catena di fissione nucleare, mentre il secondo è fertile ovvero è un nuclide che, a seguito dell’assorbimento di un neutrone si trasmuta in un radionuclide che decade in un nuclide che possa fornire energia da fissione o da fusione nucleare.

L’isotopo ²³⁸U decade in ²¹⁴Pb secondo una catena di decadimento radioattivo:

Inizialmente emette una particella α trasformandosi in ²³⁴U e, successivamente si trasmuta secondo lo schema seguente:

²³⁴U → ²³⁰Th  → ²²⁶Ra  → ²²²Rn  → ²¹⁸Po → ²¹⁴Pb

L’isotopo ²¹⁴Pb dà poi luogo, nell’ordine  a due decadimenti  β, un decadimento α,  due decadimenti  β, e un successivo decadimento α prima di raggiungere la stabilità dopo la formazione di ²⁰⁶Pb

Gli isotopi dell’uranio vengono separati per aumentare la concentrazione di ²³⁵U rispetto a ²³⁸U; questo processo è chiamato arricchimento. L’uranio si considera “arricchito” quando la frazione di ²³⁵U è considerevolmente maggiore del livello naturale , tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. L’isotopo ²³⁵U è il tipico materiale  fissile per i reattori nucleari e viene usato per la produzione di armi nucleari