Il decadimento radioattivo è la perdita naturale di neutroni e protoni degli atomi molto pesanti con liberazione di energia.
Gli atomi con numero atomico maggiore di 82 (protoni) e massa maggiore di 200 (protoni + neutroni) sono instabili, per cui nel tempo perdono dei pezzi, finché non arrivano alla stabilità.
L’Uranio ha 92 protoni e massa 238, emivita 4,5 miliardi di anni.
L’emivita è il tempo necessario, per cui metà della quantità dell’elemento decade in un altro più leggero.
Dopo 4,5 miliardi di anni abbiamo la metà dell’Uranio iniziale che nel frattempo è diventato Radio: 88 e 226 (n°atomico e massa).
Il Radio ha bisogno di 1602 anni per dimezzarsi in Radon: 86 e 222, infine il Radon ha bisogno solo di 3,8 giorni per trasformarsi in Piombo: 82 e 214.
Il decadimento radioattivo è utilizzato per la Datazione radiometrica.
Gli elementi che si formano in seguito a decadimento si dicono Nuclidi radiogeni.
Invece lo stesso elemento può essere un Nuclide primordiale che si è formato durante la neoformazione dei 286 elementi nel Big Bang e nelle stelle. Di questi 252 sono stabili e 34 sono instabili, perciò più o meno lentamente decadono.
Emissione di particelle
Durante il decadimento vengono emesse particelle alfa, beta e gamma, riprendiamo l’esempio dell’Uranio.
Decadimento dell’Uranio
L’Uranio 238 emette particelle alfa e diventa Torio 234.
Il Torio 234 emette particelle beta e diventa Protoattinio 91 e 234
Il Protoattinio 91 e 234 emette particelle beta e diventa Uranio 234.
L’Uranio 234 decade fino a diventare Piombo 214 ed emette particelle alfa.
Il Piombo 214 emette particelle beta e diventa prima Bismuto 83 e 214 e poi Polonio 84 e 214.
Il Polonio 214 emette particelle alfa e diventa Piombo 210, poi Bismuto 210 e infine Polonio 210.
Il Polonio 214 emette particelle alfa e diventa Piombo 206.
Il Piombo 206 è stabile: fine del decadimento.
Durante l’emissione di particelle alfa e beta vengono emessi anche raggi gamma.
Le particelle alfa
Le particelle alfa sono isotopi dell’Elio.
Le particelle beta
Il decadimento che interessa il neutrone è decadimento beta negativo, se interessa il protone è decadimento beta positivo.
Ricordiamo le masse delle particelle:
La massa del neutrone in grammi è 1,675 × 10^-24 g.
La massa del protone è 1,6726231 × 10^−24 g.
La massa del neutrone è leggermente maggiore di quella protone: 0,14% o 1,4 × 10^-3.
La massa dell’elettrone è 9,11 × 10^−28 g.
La massa dell’elettrone è solo 1/1836 la massa del protone, cioè 5,4 × 10^-4.
Il decadimento alfa e beta è spontaneo e quindi emette energia, è esoergonico.
L’energia emessa è quella data dalla relatività di Einstein: E = mC^2, dove m è la massa sottratta con il decadimento.
Le particelle gamma
Il decadimento gamma è l’unico decadimento radioattivo che non cambia il nucleo atomico che decade.
Il raggio gamma viene emesso dal nucleo di elio che è stato strappato all’atomo instabile, e che sta tornando alla stabilità.
Le particelle gamma sono emesse nei decadimenti come singoli fotoni. Il fotone é una particelle-onda che viaggia alla velocità della luce. La lunghezza d’onda del fotone è inferiore a 3×10^-13 metri, cioè inferiore al diametro di un atomo. Per tale ragione il fotone interagisce poco con la materia, ma penetra di più. Avendo una massa piccolissima ionizza poco.
Decadimento del Trizio
Il Trizio è un isotopo radioattivo dell’idrogeno. Il trizio perde lentamente un elettrone e un antineutrino, quindi è un decadimento beta negativo, un neutrone diventa protone, quindi il Trizio diventa Elio 3. Queste emissioni non danneggiano la pelle umana ma è nocivo se ingerito. Il trizio ha una emivita di 12,32 anni, quindi impiega 242 anni a decadere completamente, quindi la vita media è di 17,7 anni.
Legge di decadimento radioattivo esponenziale decrescente
Il decadimento radioattivo è di tipo esponenziale e quindi per essere descritto i logaritmi sono molto adatti. La massa radioattiva diminuisce nel tempo secondo l’equazione:
m = m0 · e–λ·t
m massa della sostanza radioattiva
m0 massa radioattiva iniziale
e numero irrazionale di Nepero ed Eulero: 2,7182 la base dei logaritmi naturali (per il calcolo esponenziale)
λ lambda è la costante di decadimento radioattivo tipica di ogni sostanza radioattiva,
tempo t=0