Tipi di decadimento radioattivo: alfa, beta, gamma

​Radioattivoè una parola che non è così ben compresa. Sommerso dalla paura e intrinsecamente estraneo e pericoloso, la natura del decadimento radioattivo è qualcosa che vale la pena conoscere se sei uno studente di fisica o solo un laico interessato.

La realtà è che la radioattività descrive essenzialmente le reazioni nucleari che portano a un cambiamento nel numero atomico di un elemento e/oa un rilascio di radiazioni gamma. È pericoloso in grandi quantità perché la radiazione rilasciata è "ionizzante" (cioè ha energia sufficiente per spogliare gli elettroni dagli atomi) ma è un fenomeno fisico interessante e, in pratica, la maggior parte delle persone non sarà mai abbastanza in giro con materiali radioattivi da essere a rischio.

I nuclei possono raggiungere uno stato energetico inferiore per fusione, ovvero quando due nuclei si fondono insieme per creare uno stato più pesante he nucleo, rilasciando energia nel processo – o per fissione, che è la scissione di elementi pesanti in più leggeri quelli. La fissione è la fonte dell'energia nei reattori nucleari, e anche nelle armi nucleari, e questo in particolare è ciò che la maggior parte delle persone immagina quando pensa alla radioattività. Ma la maggior parte delle volte, quando i nuclei cambiano in uno stato energetico inferiore in natura, è dovuto al decadimento radioattivo.

Esistono tre tipi di decadimento radioattivo: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma, sebbene il decadimento beta in sé sia ​​di tre tipi diversi. Conoscere queste forme di decadimento nucleare è una parte cruciale di qualsiasi corso di fisica nucleare.

Il decadimento alfa si verifica quando un nucleo emette quella che viene chiamata una "particella alfa" (particella α). Una particella alfa è una combinazione di due protoni e due neutroni, che se conosci la tua tavola periodica riconoscerai come un nucleo di elio.

Il processo è abbastanza facile da capire in termini di massa e proprietà dell'atomo risultante: perde quattro da il suo numero di massa (due dai protoni e due dagli elettroni) e due dal suo numero atomico (dai due protoni perduto). Ciò significa che l'atomo originale (cioè il nucleo "genitore") diventa un elemento diverso (basato sul nucleo "figlio") dopo aver subito il decadimento alfa.

Quando si calcola l'energia rilasciata nel decadimento alfa, è necessario sottrarre la massa del nucleo di elio e il atomo figlio dalla massa dell'atomo genitore e convertirlo in un valore di energia usando il famoso. di Einstein equazioneE​ = ​mc​². Di solito è più facile eseguire questo calcolo se lavori in unità di massa atomica (amu) e moltiplichi la massa mancante per il fattorec​² = 931.494 MeV/amu. Questo restituisce un valore di energia in MeV (cioè mega elettronvolt), con un elettronvolt pari a 1,602 × 10⁻⁹ joule e generalmente un'unità più conveniente per lavorare in energie su scala atomica.

Poiché il decadimento beta ha tre diverse varietà, è utile conoscere ciascuna di esse a turno, anche se ci sono molte somiglianze tra di loro. Il decadimento beta-plus si verifica quando un protone si trasforma in un neutrone, con il rilascio di una particella beta-plus (cioè una particella β+) insieme a una particella quasi priva di massa chiamata neutrino. Come risultato di questo processo, l'atomo figlio avrà un protone in meno e un neutrone in più rispetto all'atomo genitore, ma lo stesso numero di massa complessiva.

La particella beta-più è in realtà chiamata positrone, che è la particella di antimateria corrispondente all'elettrone. Ha una carica positiva della stessa dimensione della carica negativa sull'elettrone e la stessa massa di un elettrone. Il neutrino rilasciato è tecnicamente chiamato neutrino elettronico. Si noti che in questo processo vengono rilasciate una particella di materia regolare e una particella di antimateria.

Il calcolo dell'energia rilasciata in questo processo di decadimento è un po' più complicato rispetto ad altre forme di decadimento, perché la massa dell'atomo genitore includerà la massa di un elettrone in più rispetto a quella dell'atomo figlio massa. Oltre a questo, devi anche sottrarre la massa della particella β+ emessa nel processo. In sostanza, devi sottrarre la massa della particella figlia eDueelettroni dalla massa della particella madre e quindi convertirsi in energia come prima. Il neutrino è così piccolo che può essere tranquillamente trascurato.

Il decadimento beta-meno è essenzialmente il processo opposto del decadimento beta-più, in cui un neutrone si trasforma in un protone, rilasciando una particella beta-meno (una particella β−) e un antineutrino elettronico nel processi. A causa di questo processo, l'atomo figlio avrà un neutrone in meno e un protone in più rispetto all'atomo genitore.

La particella β− è in realtà un elettrone, ma ha un nome diverso in questo contesto perché quando fu scoperta l'emissione beta per il decadimento, nessuno sapeva cosa fosse effettivamente la particella. Inoltre, chiamarle particelle beta è utile perché ti ricorda che proviene dal processo di decadimento beta e può essere utile quando sei cercando di ricordare cosa succede in ciascuno: la particella beta positiva viene rilasciata nel decadimento beta-plus e la particella beta negativa viene rilasciata nel beta-meno decadimento. In questo caso, però, il neutrino è una particella di antimateria, ma ancora una volta, nel processo vengono rilasciate un'antimateria e una particella di materia regolare.

Calcolare l'energia rilasciata in questo tipo di decadimento beta è un po' più semplice, perché l'elettrone in più posseduto dall'atomo figlio si annulla con l'elettrone perso nell'emissione beta. Ciò significa che per calcolare ∆m, devi semplicemente sottrarre la massa dell'atomo figlio da quella dell'atomo genitore e poi moltiplicare per la velocità della luce al quadrato (c​²), come prima, espresso in megaelettronvolt per unità di massa atomica.

L'ultimo tipo di decadimento beta è molto diverso dai primi due. Nella cattura degli elettroni, un protone “assorbe” un elettrone e si trasforma in neutrone, con il rilascio di un neutrino elettronico. Ciò riduce quindi il numero atomico (cioè il numero di protoni) di uno e aumenta il numero di neutroni di uno.

Questo potrebbe sembrare che finora violi il modello, con l'emissione di una particella di materia e una di antimateria, ma dà un indizio sulla vera ragione di questo equilibrio. Il "numero leptonico" (che puoi pensare come un numero di "famiglia elettronica") si conserva, e un elettrone o il neutrino elettronico ha un numero leptonico di 1, mentre il positrone o antineutrino elettronico ha un numero leptonico di −1.

Dovresti essere in grado di vedere che tutti gli altri processi lo soddisfano facilmente. Per la cattura dell'elettrone, il numero di leptoni diminuisce di 1 quando l'elettrone viene catturato, quindi per bilanciare questo, deve essere emessa una particella con un numero di leptoni pari a 1.

Calcolare l'energia rilasciata nella cattura degli elettroni è piuttosto semplice: poiché l'elettrone proviene dall'atomo genitore, non devi preoccuparti di tenere conto della differenza nel numero di elettroni tra il genitore e la figlia atomi. Trovi .msemplicemente sottraendo la massa dell'atomo figlio da quella dell'atomo genitore. L'espressione per il processo sarà generalmente scritta con l'elettrone sul lato sinistro, ma la semplice regola ti ricorda che questo è in realtà parte dell'atomo genitore in termini di massa.

Il decadimento gamma comporta l'emissione di un fotone ad alta energia (radiazione elettromagnetica), ma il numero di protoni e neutroni nell'atomo non cambia come risultato del processo. È analogo all'emissione di un fotone quando un elettrone passa da uno stato energetico superiore a uno stato energetico inferiore, ma la transizione in questo caso avviene nel nucleo dell'atomo.

Proprio come nella situazione analoga, il passaggio da uno stato energetico superiore a uno stato energetico inferiore è bilanciato dall'emissione di un fotone. Questi hanno energie superiori a 10 keV e sono generalmente chiamati raggi gamma, sebbene la definizione non sia molto rigida (l'intervallo di energia si sovrappone ai raggi X, per esempio).

L'emissione alfa o beta può lasciare un nucleo in uno stato eccitato ad alta energia e l'energia rilasciata a seguito di questi processi viene prodotta sotto forma di raggi gamma. Tuttavia, il nucleo può anche finire in uno stato di energia superiore dopo essere entrato in collisione con un altro nucleo o essere stato colpito da un neutrone. Il risultato in tutti i casi è lo stesso: il nucleo scende dal suo stato eccitato in uno stato di energia inferiore e rilascia raggi gamma nel processo.

L'uranio-238 decade in torio-234 con il rilascio di una particella alfa (cioè un nucleo di elio), e questo è uno degli esempi più noti di decadimento radioattivo. Il processo può essere rappresentato come:

Per calcolare quanta energia viene rilasciata in questo processo, avrai bisogno delle masse atomiche: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu e ⁴He = 4.00260 amu, con tutte le masse espresse in unità di massa atomica. Ora per calcolare quanta energia viene rilasciata nel processo, tutto ciò che devi fare è trovare ∆msottraendo le masse dei prodotti dalla massa dell'atomo genitore originale, e quindi calcolare la quantità di energia che rappresenta.

Il decadimento radioattivo avviene spesso in catene, con più passaggi tra il punto iniziale e il punto finale. Queste catene di decadimento sono lunghe e richiederebbero molti passaggi per calcolare quanta energia viene rilasciata nell'intero processo, ma prendere un pezzo di una di queste catene illustra l'approccio.

Se osservi la catena di decadimento del torio-232, vicino all'estremità della catena, un nucleo instabile (cioè un atomo di un isotopo instabile, con una breve emivita) del bismuto-212 subisce il decadimento beta-meno in polonio-212, che poi subisce il decadimento alfa in piombo-208, un isotopo. Puoi calcolare l'energia rilasciata in questo processo procedendo passo dopo passo.

Primo, il decadimento beta-meno dal bismuto-212 (m= 211,99129 amu) in polonio-212 (m= 211.98887 amu) dà:

Ricordando che la variazione del numero di elettroni si annulla nel decadimento beta-meno. Che rilascia:

La fase successiva è il decadimento alfa dal polonio-212 al piombo-208 (m= 207.97665 amu) e un nucleo di elio.

E l'energia è:

In totale quindi, c'è 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV di energia rilasciata nel processo. Naturalmente, se stai attento (inclusa la particella alfa e gli elettroni aggiuntivi se il tuo processo include un decadimento beta più) può calcolare la differenza di massa in un unico passaggio e quindi convertire, ma questo approccio ti dice l'energia rilasciata a ciascuno palcoscenico.