Nuclidi instabili e radioattività

I nuclidi sono specie nucleari caratterizzate da un numero atomico Z , da un numero di massa A  e da un particolare stato energetico.

I vari nuclidi di un particolare elemento chimico con lo stesso numero di protoni Z, ma diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi di questo elemento

Un nucleo radioattivo è un nucleo instabile che emette particelle o radiazioni trasformandosi così in un nucleo avente minore energia di legame per nucleone. Tale trasformazione viene detta decadimento radioattivo.  La trasformazione può anche essere impedita qualora la particella che deve essere espulsa non abbia energia sufficiente per superare o per passare attraverso la barriera di potenziale rappresentata dall’attrazione che i nucleoni esercitano sulla particella stessa.

In tal caso il nucleo è virtualmente stabile pur esistendo la possibilità di emissione. Nuclei instabili esistono in natura o perché la loro velocità di decadimento è molto bassa e quindi esistono dal tempo della formazione o perché prodotti da questi.

Tipi di decadimento

I nuclidi presenti in natura decadono in uno dei modi seguenti ovvero emissione di particelle:

•  α cioè di nuclei di ⁴He
•  β^– cioè di elettroni
•  β⁺ o positroni ( che hanno la massa dell’elettrone e la sua stessa carica, ma di segno opposto)
• Emissione di radiazioni γ
• Cattura di un elettrone extra nucleare

Decadimento α. Poiché la particella α è un nucleo di elio di numero di massa 4 e numero atomico 2, il nuclide che emette una particella α decresce in numero di massa A di 4 unità e di numero atomico Z di due unità. Un tipico esempio ci viene dato dal decadimento dell’uranio secondo la reazione:

²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀ Th + ⁴₂He

Decadimento β. Un nucleo può emettere particelle β^– cioè elettroni. Questi si formano dalla trasformazione di un neutrone in un protone. Tale trasformazione può essere rappresentata nel modo seguente:

n → p⁺ + e^–

il nucleo risultante, o nucleo figlio, ha lo stesso numero di massa del nucleo genitore  e un numero atomico aumentato di uno. Un esempio ci viene fornito dalla seguente equazione:

¹¹⁶₄₉In → ¹¹⁶₅₉Sn + β^–

Emissione di positroni e cattura elettronica. Affinché un nucleo emetta un positrone un protone del nucleo deve trasformarsi in un neutrone secondo la reazione:

p⁺ → n + β⁺

in questo caso il numero atomico Z del nuclide figlio è minore di una unità rispetto al numero atomico del nuclide genitore, mentre il numero di massa rimane costante. Ad esempio:

¹²⁰₅₁Sb → ¹²⁰₅₀Sn + β⁺

Lo stesso effetto si ha quando il nucleo cattura un elettrone extra nucleare, generalmente uno di quelli più vicini al nucleo stesso. Per cattura elettronica si ha la trasformazione:

p⁺ + e^– → n

ad esempio:

¹⁹⁵₇₉Au → ¹⁹⁵₇₈Pt

Decadimento γ. I raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche la cui frequenza ν, spesso molto alta, è direttamente proporzionale all’energia secondo la relazione E = hν essendo h la costante di Planck. Non avendo i raggi γ né carica, né massa la loro emissione non comporta alcun cambiamento in Z o in A del nucleo emittente sebbene causi una diminuzione di massa corrispondente all’energia della radiazione. Spesso il nucleo prodotto da un processo di decadimento è in uno stato eccitato, ovvero in uno stato che non è di minima energia che viene raggiunta per emissione γ. Lo studio delle energie dei raggi γ dà informazioni sugli stati eccitati dei nuclei.

I tipi di decadimento sono riassunti dalla seguente tabella:

Talvolta accade che più tipi di decadimento siano energeticamente possibili e avvengano contemporaneamente a meno che non esistano barriere di potenziale da essere superate prima che una reazione avvenga effettivamente. Il decadimento spontaneo provoca liberazione di energia che viene calcolata come la differenza tra la massa del nuclide che decade e la massa totale dei prodotti del decadimento. Si deve fare attenzione, nella reazione di emissione β^– che la massa dell’elettrone non va inclusa nel calcolo in quanto essa è già inclusa nella massa del nuclide prodotto. Per esempio nel calcolo dell’energia della reazione

¹⁴₆C → ¹⁴₇N + β^–

La massa del nuclide ¹⁴₇N già include la massa dell’elettrone espulso: infatti si può pensare che dei sette elettroni dell’azoto sei derivino dal nuclide di partenza e uno sia quello emesso. Nel caso del decadimento β⁺, invece, si verifica, ad esempio

¹¹₆C → ¹¹₅B + β⁺

Fra i prodotti si ha una particella β⁺ e un elettrone extra nucleare perso nel passaggio da carbonio a boro. In un secondo tempo il positrone e l’elettrone si annullano con una reazione di annichilazione che dà luogo a radiazioni γ con energia pari a 2 m_e dove m_e è la massa dell’elettrone.