Radioattività

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Tipi di decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo di un nucleo instabile può avvenire in diversi modi e produrre risultati differenti. Può comportare l’emissione di una o più particelle, con conseguente trasformazione del nucleo padre in un nucleo chimicamente diverso; può produrre soltanto il rilascio di una certa quantità di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica o la scissione del nucleo in due frammenti. I principali tipi di decadimento radioattivo oggi conosciuti sono quello alfa, i due tipi di decadimento beta, il gamma, la cattura elettronica, la fissione e il decadimento esotico.

4.1

Decadimento alfa

Il decadimento alfa consiste nell’emissione, da parte di un nucleo instabile relativamente pesante, di una particella costituita da due protoni e due neutroni; in sostanza, di un nucleo di elio. Il nucleo figlio ha un numero atomico Z inferiore di due unità rispetto al nucleo padre e un numero di massa A inferiore di quattro unità. Ad esempio, l’isotopo dell’uranio con numero di massa 238 si trasforma nel nucleo dell’elemento con numero di massa 234, avente due protoni e due neutroni in meno: il torio 234.

Il decadimento alfa è il principale motore delle serie radioattive, le famiglie di radionuclidi che si trasformano l’uno nell’altro attraverso questa forma di radioattività. Tre isotopi radioattivi naturali quali sono l’uranio 235, l’uranio 238 e il torio 232 decadono spontaneamente nei rispettivi nuclei figli, più leggeri di quattro unità di massa ciascuno, generando una serie di decadimenti che si sussegue spontaneamente, e si conclude con un diverso isotopo del piombo, stabile. Una quarta serie, con capostipite artificiale, completa il quadro delle serie radioattive.

4.2

Decadimento beta

Il decadimento beta esiste in due versioni distinte, dette rispettivamente beta meno e beta più. La prima comporta la trasformazione di un neutrone del nucleo instabile in un protone, con emissione di una particella beta (un elettrone) e di un’altra particella estremamente leggera e sfuggente, chiamata antineutrino elettronico; in sostanza, questo tipo di decadimento trasforma il nucleo instabile di partenza in un nucleo dell’elemento successivo della tavola periodica (quello con il numero Z maggiore di un’unità). Il decadimento beta più, invece, consiste nella trasformazione del nucleo instabile in un nucleo dell’elemento precedente della tavola periodica (quello con Z minore di un’unità): fisicamente, un protone si trasforma in un neutrone, emettendo un positrone (un elettrone positivo) e un neutrino elettronico.

Il torio 234, ad esempio, decade beta meno; poiché la massa dell’elettrone è trascurabile rispetto a quella di un nucleone, il nucleo figlio ha lo stesso numero di massa – 234 – e numero atomico Z pari a 91; è pertanto un isotopo del protoattinio.

4.3

Decadimento gamma

Il decadimento gamma consiste nell’emissione di radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. Si può verificare quando un isotopo esiste in due diverse forme, chiamate isomeri nucleari, che hanno numero atomico e numero di massa identici, ma differente energia. L’emissione di raggi gamma accompagna la transizione dell’isomero di alta energia a quello di energia minore. Un emettitore gamma, ad esempio, è il protattinio 234.

In alternativa, il decadimento gamma si può verificare in combinazione con un decadimento alfa o beta, per consentire la diseccitazione del nucleo figlio.

4.4

Cattura elettronica

Questo tipo di decadimento consiste nella cattura, da parte del nucleo instabile, di uno degli elettroni più interni degli orbitali atomici; l’assorbimento di un elettrone da parte del nucleo produce la trasformazione di un protone in un neutrone, con il risultato che il numero atomico Z, come nel decadimento beta più, diminuisce di un’unità. L’avvenuto decadimento di un nuclide per cattura elettronica si può rilevare osservando i raggi X emessi a seguito della rimozione dell’elettrone dalla sua orbita; in alternativa, possono essere rilevati elettroni Auger, o ancora, radiazione gamma di diseccitazione. Questo tipo di decadimento è responsabile della trasformazione del potassio 40 in argo, fenomeno che spiega l’abbondanza di quest’ultimo elemento nell’atmosfera terrestre, superiore a quella di tutti gli altri gas nobili.