Cosa sono le particelle alfa, beta e gamma?

Alfa, beta, raggi gamma: Sembra quasi lo slogan di un film della vecchia scuola sugli alieni dallo spazio, appena arrivati ​​sulla Terra con i loro gadget ultra-tecnologici (e, si spera, una disposizione calorosa). In realtà, questo non è troppo lontano. Le radiazioni alfa, beta e gamma sono tutte entità reali nel mondo della fisica e vale la pena evitarle quando è possibile gestirle.

Probabilmente sai che diversi tipi di atomi possono unirsi attraverso il processo di legame chimico per creare molecole. Ad esempio, due atomi di idrogeno (H sulla tavola periodica degli elementi) e un atomo di ossigeno (O) possono combinarsi per formare una molecola d'acqua (H₂O). Questa molecola può essere spezzata negli ioni H+ e OH– rompendo uno dei legami O-H.

Nei legami chimici interagiscono elettroni di atomi diversi, ma i loro nuclei (plurale di nucleo) rimangono intatti. Questo perché la forza che tiene insieme protoni e neutroni è estremamente forte rispetto alle forze elettrostatiche alla base del legame chimico tra gli atomi.

Tuttavia, i nuclei atomici decadono, di solito spontaneamente e spesso a una velocità incredibilmente bassa, a seconda di quale sia l'elemento. Questa radioattività è disponibile nei tre gusti di base introdotti nella prima frase di questo articolo: Alfa, beta e radiazioni gamma, chiamato anche alfa, beta e particelle gamma (tranne, tecnicamente, in ultima istanza).

L'atomo una volta è stato descritto in modo un po' impetuoso come "la più piccola cosa indivisibile" anche da persone informate. Questa definizione è vera in qualche modo: prendi qualsiasi singolo elemento, o sostanza fatta di un singolo componente irriducibile, e l'atomo è la più piccola unità intera di quella sostanza. Ci sono 118 elementi sulla tavola periodica a partire dal 2020, 92 dei quali naturali.

Gli atomi sono costituiti da un nucleo, che ha uno o più protoni e, tranne l'idrogeno (l'elemento più piccolo), almeno un neutrone. Hanno anche uno o più elettroni, che si trovano a una certa distanza dal nucleo in specifici livelli di energia.

I protoni sono caricati positivamente e gli elettroni caricati negativamente, con la stessa grandezza della carica in ciascuno. Poiché un atomo nello stato fondamentale ha lo stesso numero di protoni degli elettroni, gli atomi sono elettricamente neutro a meno che non siano ionizzati (cioè, il loro numero di elettroni cambia).

Il numero di protoni di un atomo è il suo numero atomico sulla tavola periodica e determina l'identità (nome) dell'elemento. Alcuni atomi possono guadagnare o perdere neutroni pur continuando ad esistere felicemente, ma se un nucleo perde o guadagna un protone invece, è un punto di svolta, perché ora qualunque cosa fosse l'elemento ha un nome nuovo di zecca e nuovi attributi con cui andare esso.

La forza che tiene insieme protoni e neutroni è, non per niente, chiamata forza nucleare forte. I nuclei degli atomi possono essere considerati, in un certo senso, seduti al centro di tutta la materia, quindi il loro estremo la stabilità ha senso in un cosmo ricco di organizzazione e in grado di sostenere la vita almeno su un umile pianeta.

Ma i nuclei non sono perfettamente stabili e nel tempo decadono, emettendo particelle ed energia. Ogni elemento che subisce un decadimento radioattivo, o più specificamente il isotopo dell'elemento in esame, ha la sua caratteristica emivita, che può essere utilizzata per prevedere quanti nuclei decadranno nel tempo senza fornire informazioni su alcun nucleo. È quindi simile a un rischio, essenzialmente una statistica di probabilità.

L'emivita di una specie radioattiva è il tempo impiegato dalla metà dei nuclei instabili di un campione per decadere in una forma diversa. Questo numero può arrivare molto in alto, in miliardi di anni, anche se per il carbonio-14 è di circa 5.730 anni (un salto nel tempo geologico, se non nelle civiltà umane).

Ai vari tipi di decadimento radioattivo vengono date le prime tre lettere dell'alfabeto greco. così radiazione alfa emette una particella spesso rappresentata da una versione minuscola di questa lettera, α. Sarebbe non convenzionale, tuttavia, scrivere "radiazione α".

Questo tipo di particella è equivalente al nucleo di un atomo di elio (He). L'elio è il secondo elemento della tavola periodica e con una massa atomica di 4,00 ha due protoni e due neutroni. L'intero atomo ha anche due elettroni che bilanciano la carica dei due protoni, ma questi non fanno parte di una particella alfa, solo il nucleo.

Queste particelle sono massicce rispetto ad altri tipi di radiazione; la particella beta, per esempio, è circa 7.000 volte più piccola. Questo in superficie potrebbe farlo sembrare particolarmente pericoloso, ma in realtà è vero il contrario: The la dimensione delle particelle α significa che penetrano nelle cose, comprese le barriere biologiche come la pelle, molto male.

Particelle beta (-particelle) sono in realtà solo elettroni, ma mantengono il loro nome perché la loro scoperta precede l'identificazione formale degli elettroni in quanto tali. Quando un atomo emette una particella beta, emette contemporaneamente anche un'altra particella subatomica chiamata antineutrino elettronico. Questa particella condivide la quantità di moto e l'energia dell'emissione della particella, ma non ha quasi massa (anche rispetto a un elettrone, di per sé solo circa 9,1 × 10^–31 kg di massa).

Le particelle beta, essendo molto più piccole delle particelle alfa, possono penetrare più in profondità delle loro controparti molto più massicce.

Un altro tipo di particella beta è il positrone, che si verifica a causa del decadimento dei neutroni nel nucleo. Queste particelle hanno la stessa massa degli elettroni, ma hanno la carica opposta (da cui il nome).

Raggi gamma, o raggi , rappresentano il risultato più pericoloso della radioattività per l'uomo. Sono privi di massa perché non sono affatto particelle. "Rays" è in realtà l'abbreviazione del termine generale radiazione elettromagnetica (radiazione EM), che viaggia alla velocità della luce (indicata con c, o 3 × 10⁸ m/s) ed è disponibile in una varietà di combinazioni di valori di frequenza e lunghezza d'onda i cui prodotti sono c.

I raggi gamma hanno lunghezze d'onda molto corte e quindi energia molto elevata. Sono simili ai raggi X, tranne per il fatto che i raggi X hanno origine al di fuori del nucleo. In genere passano attraverso i corpi umani senza toccare nulla, ma poiché sono così penetranti, è necessario uno scudo di piombo spesso due pollici per garantire il loro arresto.

Le particelle alfa possono essere tranquillamente ignorate, nella misura in cui ciò è vero per qualsiasi cosa classificata come radiazione. Possono viaggiare solo da 4 a 7 pollici (da 10 a 17 cm) in aria e la loro energia viene persa quando colpiscono i protoni e i neutroni di qualunque materiale incontrino, impedendo loro di penetrare ulteriore.

La maggior parte del danno delle particelle beta deriva dall'ingestione o dalla deglutizione. (Questo può essere vero anche per le particelle alfa.) Bere o mangiare materiale radioattivo è la principale fonte di danno da questo tipo di radiazioni, sebbene l'esposizione prolungata alla pelle possa produrre ustioni.

I raggi gamma possono attraversare i corpi senza colpire nulla, ma non vi è alcuna garanzia che lo facciano effettivamente e possono viaggiare per circa un miglio in aria. Poiché possono penetrare praticamente qualsiasi cosa oltre a percorrere lunghe distanze, possono danneggiare tutti i sistemi corporei e la loro presenza in ambienti con sistemi viventi deve essere attentamente monitorato.