Visione digitale./Visione digitale/Getty Images
Il nucleo di un atomo è costituito da protoni e neutroni, essi stessi composti di quark. Ogni elemento ha un numero fisso di protoni, ma gli isotopi differiscono nel numero di neutroni. Quando un nucleo può raggiungere una configurazione a energia inferiore, può trasformarsi in un elemento diverso.
La meccanica quantistica ci dice che un nucleo instabile alla fine perderà energia, ma non può prevedere il momento esatto del decadimento di ogni singolo atomo. Fornisce invece un’emivita:il tempo medio durante il quale un grande gruppo di nuclei identici decade. Le prime tre modalità di decadimento identificate, alfa, beta e gamma, costituiscono la spina dorsale del decadimento radioattivo.
Il decadimento alfa espelle un nucleo di elio (due protoni e due neutroni). Ad esempio, l'uranio‑238 (92p+146n) emette una particella alfa per diventare torio‑234 (90p+144n). Il decadimento beta converte un neutrone in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino. Il carbonio‑14 (6p+8n) subisce un decadimento beta in azoto‑14 (7p+7n).
Dopo l'emissione alfa o beta il nucleo figlia spesso rimane in uno stato eccitato. Per raggiungere il suo stato fondamentale, il nucleo rilascia l’energia in eccesso sotto forma di raggi gamma, un fotone elettromagnetico con una frequenza molto più elevata della luce visibile. I raggi gamma viaggiano alla velocità della luce e trasportano solo energia, senza carica o massa. Un caso classico è il cobalto-60, che decade in nichel-60 e quindi emette due fotoni gamma quando si stabilizza al livello di energia più basso.
La maggior parte dei nuclei eccitati emettono raggi gamma quasi istantaneamente, ma alcuni sono “metastabili”, trattenendo l’energia in eccesso per tempi che vanno da frazioni di secondo a molti anni, quando un cambiamento nello spin nucleare blocca l’emissione gamma immediata. Quando un elettrone circostante assorbe un fotone gamma, l'elettrone può essere espulso dalla sua orbita per effetto fotoelettrico, illustrando l'intimo legame tra i processi nucleari e atomici.
