Radioattivo
è una parola che non è così ben compresa. Inondato di paura e intrinsecamente apparente alieno e pericoloso, la natura del decadimento radioattivo è qualcosa che vale la pena imparare se sei uno studente di fisica o solo un profano interessato.

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

I nuclei possono raggiungere uno stato di energia inferiore mediante fusione - che è quando due nuclei si fondono insieme per creare un nucleo più pesante, rilasciando energia nel processo - o mediante fissione, che è la divisione di elementi pesanti in elementi più leggeri . La fissione è la fonte di 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, si riduce al decadimento radioattivo.

Esistono tre tipi di decadimento radioattivo: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma, sebbene il decadimento beta in stesso viene in tre tipi differenti. Conoscere queste forme di decadimento nucleare è una parte cruciale di qualsiasi corso di fisica nucleare.
Decadimento alfa

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

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

Quando si calcola l'energia rilasciata nel decadimento alfa, è necessario per sottrarre la massa del nucleo di elio e l'atomo figlia dalla massa dell'atomo genitore e convertirlo in un valore di energia usando la famosa equazione di Einstein E
\u003d mc
^{2. Di solito è più semplice eseguire questo calcolo se lavori in unità di massa atomica (amu) e moltiplichi la massa mancante per il fattore c
2 \u003d 931.494 MeV /amu. Ciò restituisce un valore di energia in MeV (cioè mega elettronvolt), con un'elettronvolt pari a 1,605 × 10 - 9 joule e generalmente un'unità più conveniente per lavorare con energie su scala atomica. > Decadimento beta: decadimento Beta-Plus (emissione di positroni)}

Poiché il decadimento beta ha tre diverse varietà, è utile conoscerne uno 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 scarica, quasi priva di massa, chiamata neutrino. Come risultato di questo processo, l'atomo figlia avrà un protone in meno e un neutrone in più rispetto all'atomo genitore, ma lo stesso numero di massa complessivo.

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

Il calcolo dell'energia rilasciata in questo processo di decadimento è un po 'più complicato rispetto ad altre forme di decadimento, poiché la massa del genitore L'atomo includerà la massa di un elettrone in più rispetto alla massa dell'atomo figlia. Inoltre, devi anche sottrarre la massa della particella β + che viene emessa nel processo. In sostanza, devi sottrarre la massa della particella figlia e due elettroni
dalla massa della particella madre, e quindi convertire in energia come prima. Il neutrino è così piccolo che può essere tranquillamente trascurato.
Decadimento beta: decadimento beta-negativo

Il decadimento beta-negativo è essenzialmente il processo opposto del decadimento beta-plus, in cui un neutrone si trasforma in un protone , rilasciando una particella beta-meno (una particella β) e un antineutrino elettronico nel processo. A causa di questo processo, l'atomo figlia 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 la beta l'emissione per il decadimento fu scoperta per la prima volta, nessuno sapeva quale 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 stai cercando di ricordare cosa succede in ognuna - la particella beta positiva viene rilasciata nel decadimento beta-plus e la particella beta negativa viene rilasciata nel decadimento beta-meno. In questo caso, tuttavia, il neutrino è una particella di antimateria, ma ancora una volta vengono rilasciati un antimateria e una particella di materia regolare.

Il calcolo dell'energia rilasciata in questo tipo di decadimento beta è un po 'più semplice, perché l'elettrone in più posseduto dall'atomo figlia si annulla con l'elettrone perso nell'emissione beta. Ciò significa che per calcolare ∆ m
, devi semplicemente sottrarre la massa dell'atomo figlia da quella dell'atomo padre e quindi moltiplicare per la velocità della luce al quadrato ( c
^{2 ), come in precedenza, espresso in mega elettronvolt per unità di massa atomica. Decadimento beta - Cattura elettronica}

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

Questo potrebbe sembrare che violi il modello finora, con una materia e una particella di antimateria emesso, ma dà un suggerimento alla vera ragione di questo equilibrio. Il "numero leptonico" (che si può pensare come un numero di "famiglia di elettroni") viene conservato e un neutrino elettrone o elettrone ha un numero leptonico 1, mentre l'antineutrino positrone o elettrone ha un numero leptone di −1.

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

Calcolare l'energia rilasciata nella cattura di elettroni è piuttosto semplice : Poiché l'elettrone proviene dall'atomo genitore, non è necessario preoccuparsi di tenere conto della differenza nel numero di elettroni tra gli atomi genitore e figlia. Puoi trovare em m
semplicemente sottraendo la massa dell'atomo figlia da quella dell'atomo padre. L'espressione per il processo sarà generalmente scritta con l'elettrone sul lato sinistro, ma la semplice regola ricorda che in realtà fa parte dell'atomo principale in termini di massa. Decadimento gamma

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 a seguito del processo. È analogo all'emissione di un fotone quando un elettrone passa da uno stato di energia superiore a uno stato di energia inferiore, ma la transizione in questo caso avviene nel nucleo dell'atomo.

Proprio come nella situazione analoga , la transizione da uno stato di energia superiore a uno stato di energia inferiore è bilanciata dall'emissione di un fotone. Questi hanno energie superiori a 10 keV e sono generalmente chiamati raggi gamma, sebbene la definizione non sia molto rigorosa (la gamma di energia si sovrappone ai raggi X, ad esempio).

L'emissione alfa o beta può lasciare un nucleo in uno stato di energia superiore, eccitato, e l'energia rilasciata come risultato di questi processi viene fatta sotto forma di raggi gamma. Tuttavia, il nucleo può anche finire in uno stato di energia superiore dopo essersi scontrato con un altro nucleo o essere colpito da un neutrone. Il risultato in tutti i casi è lo stesso: il nucleo cade dal suo stato eccitato in uno stato di energia inferiore e rilascia raggi gamma nel processo.
Esempi di decadimento radioattivo - Uranio

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:
^ {238} \\ text {U} \\ to \\; ^ {234} \\ text {Th} + \\; ^ 4 \\ text {He}

Per calcolare come molta energia viene rilasciata in questo processo, avrai bisogno delle masse atomiche: ^{238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu e 4He \u003d 4.00260 amu, con tutte le masse espresse in unità di massa atomica . Ora per capire quanta energia viene rilasciata nel processo, tutto ciò che devi fare è trovare em m
sottraendo le masse dei prodotti dalla massa dell'atomo genitore originale e quindi calcolare la quantità di energia che rappresenta.
\\ begin {allineato} ∆m &\u003d \\ text {(massa del genitore)} - \\ text {(massa di prodotti)} \\\\ &\u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ text { amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00456 \\ text {amu} \\\\ E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00456 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {align} Esempio di decadimento radioattivo a più fasi}

Il decadimento radioattivo si verifica 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 guardi 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) di bismuto-212 subisce il decadimento beta-meno in polonio-212, che quindi subisce il decadimento alfa in Puoi calcolare l'energia rilasciata in questo processo procedendola passo dopo passo.

Innanzitutto, il decadimento beta-meno dal bismuto-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) al polonio-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) dà:
\\ begin {align} ∆m &\u003d \\ text {(massa del genitore)} - \\ text {(massa della figlia)} \\\\ &\u003d 211.99129 \\ text {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0,00242 \\ text {amu} \\ end {align}

Ricordando che la variazione dei numeri di elettroni si annulla nel decadimento beta-meno. Che rilascia:
\\ begin {allineato} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00242 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 2.25 \\ text {MeV} \\ end { allineati}

Lo stadio successivo è il decadimento alfa dal polonio-212 al piombo-208 ( m
\u003d 207.97665 amu) e un nucleo di elio.
\\ begin {align} ∆m &\u003d \\ text {(massa del genitore)} - \\ text {(massa dei prodotti)} \\\\ &\u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207.97665 \\ text {amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00962 \\ text { amu} \\ end {allineato}

E l'energia è:
\\ begin {allineato} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00962 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ &\u003d 8.96 \\ text {MeV} \\ end {align}

In totale quindi, vi sono 2,25 MeV + 8,96 MeV \u003d 11,21 MeV di energia rilasciata nel processo. Ovviamente, se stai attento (includendo la particella alfa e gli elettroni aggiuntivi se il tuo processo include un decadimento beta-plus) puoi calcolare la differenza di massa in un solo passaggio e poi convertire, ma questo approccio ti dice l'energia rilasciata in ogni fase.