Disintegrazione radioattiva degli elementi

La struttura dell’universo Disintegrazione radioattiva nel contesto della struttura dell’universo

La formazione dell’universo ha portato alla formazione di diversi elementi che sono predisposti alle trasformazioni nucleari . Ogni disintegrazione radioattiva che possiamo descrivere è in grado di darci molte informazioni su argomenti strettamente legati a un particolare nucleo (la sua struttura, gli stati energetici esistenti e le interazioni), ma fornisce anche informazioni sull’origine dell’universo. È stato empiricamente dimostrato che esistono tre tipi principali di radiazioni, che si dividono in base alla capacità di penetrare attraverso la materia:

1. Radiazione alfa (α) , che ha la forma di nuclei di elio e presenta una bassa permeabilità, che in pratica significa difficoltà a penetrare un sottile foglio di carta;
2. La radiazione beta (β) , descritta come elettroni o positroni con la stessa massa ma carica opposta, è in grado di penetrare nell’alluminio fino a ca. 3 millimetri;
3. La radiazione gamma (γ) , che corrisponde ai fotoni, ha la migliore capacità di penetrazione paragonabile alla penetrazione nel piombo fino a due o più centimetri.

Storia delle disintegrazioni radioattive

La storia delle disintegrazioni radioattive fu iniziata da Antoine Becquerel, che osservò nel 1896 che se mettiamo una roccia ricca di uranio in una scatola chiusa con una pellicola fotografica, la pellicola si oscurerà. Ha concluso che ciò era causato dall’emissione di raggi invisibili ad occhio nudo. Con le conoscenze odierne, possiamo fornire almeno tre argomenti che suggeriscono l’origine nucleare di tali raggi:

1. Stato chimico : la forma di un particolare elemento allo stato libero o in un composto chimico non influisce sulla sua capacità radioattiva;
2. I fattori esterni che influenzano gli elettroni nell’atomo , come la pressione o la temperatura, non influenzano le proprietà radioattive;
3. Le transizioni elettroniche comunemente note nell’atomo non generano quantità così enormi di energia che possono raggiungere milioni di elettronvolt.

Oggi le radiazioni sono definite come processi di natura nucleare che trasformano la massa in energia.

Radiazioni alfa, beta e gamma

Le proprietà elettriche delle radiazioni possono essere osservate grazie ai loro moti che si verificano in un campo magnetico omogeneo. L’identificazione di ogni tipo di radiazione con le molecole corrispondenti si basa sulla formula della forza magnetica di Lorentz . Ipotizzando un’emissione orizzontale dal punto di una sorgente radioattiva, le particelle con carica positiva sono inclinate verso l’alto, quelle con carica negativa sono inclinate verso il basso e le particelle prive di carica penetrano attraverso il campo magnetico, non influenzando il percorso di emissione. La radiazione alfa corrisponde all’emissione di un nucleo di ⁴ He elio . La radiazione beta può presentarsi in due modi: sotto forma di elettroni (β ^– ) o positroni (β ⁺ ). La radiazione gamma determina un’emissione di fotoni ad alta energia.

Disintegrazione alfa

È caratterizzato da peso e nuclei chimicamente instabili. Durante la disintegrazione, il nucleo perde due protoni e lo stesso numero di neutroni, il che implica la riduzione del suo numero atomico di due e il numero di massa di quattro unità. Il risultato di tale trasformazione è un atomo di elio. Il nucleo emittente è detto nucleo primario e quello prodotto durante la disintegrazione è detto nucleo secondario. La notazione di base della disintegrazione radioattiva alfa può essere presentata come segue: La prima parte di tale notazione, cioè , costituisce il nucleo primario, il nucleo secondario è , mentre è la particella alfa. Un esempio di disintegrazione alfa può essere una trasformazione dell’isotopo di uranio ²³⁸ U, durante la quale il numero atomico si riduce di due. La disintegrazione può essere notata come la seguente equazione: L’energia rilasciata durante la disintegrazione alfa è uguale all’energia cinetica dei nuclei di elio e torio. A causa della massa dei nuclei di torio, e quindi della loro minore velocità, l’energia cinetica dei nuclei di elio è maggiore.

Disintegrazione beta

Ciò può avvenire in due modi: con emissione di elettroni o positroni. Le loro cariche sono opposte ma la loro massa è identica , quindi a volte un positrone può essere indicato come antielettrone. Quando si considera la disintegrazione radioattiva beta, gli scienziati di solito usavano il modello di una molecola (un elettrone o un positrone) legata nel nucleo, che sfugge da esso durante la disintegrazione. Questa ipotesi è stata contestata, poiché in base al principio di indeterminazione di Heisenberg l’energia cinetica di un elettrone è stata stimata essere poco più di dieci GeV. Tuttavia, è stato dimostrato empiricamente che è pari a pochi megaelettronovolt. Ciò significa che la disintegrazione beta non consiste nella fuga di una molecola ma nella trasformazione di un nucleone in un altro. Analizzando la disintegrazione di un neutrone, possiamo osservare la seguente transizione: L’elettrone, indicato come , ha un numero di massa uguale a 0 e un numero atomico. Ciò significa che è una molecola praticamente priva di massa con una carica negativa. Il protone ha entrambi i numeri uguali a uno. La presenza di un neutrino (v) è richiesta date le leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto. Tali trasformazioni che si verificano nel nucleo causano deboli interazioni nucleari. Un esempio di isotopo soggetto a disintegrazione beta è il , che si disintegra ^per emissione β secondo la seguente equazione: Un processo opposto, che comporta la produzione di un positrone, avviene ad esempio in un isotopo dell’alluminio:

Disintegrazione gamma

Il termine "disintegrazione gamma" si riferisce a una disintegrazione che si verifica quando un nucleo eccitato si trasforma in uno stato con un’energia inferiore, che si traduce nell’emissione di fotoni . Tale transizione è simile alla transizione degli elettroni a livelli di energia inferiori e può essere notata con simboli, dove * sta per lo stato eccitato: La massa e il numero atomico non cambiano durante la disintegrazione gamma. L’unico cambiamento si riferisce al tipo di nucleo.

Elementi radioattivi

I loro atomi si disintegrano spontaneamente, emettendo particelle o raggi. Questo è spesso accompagnato dall’emissione di calore e luce. In natura possiamo osservare quattro gruppi di elementi radioattivi: toridi, nettunidi, uranidi e attinidi, i cui nomi derivano dagli elementi capostipiti. Esempi inclusi:

1. Polonio – un prodotto di disintegrazioni atomiche, che coinvolge principalmente l’uranio-238. È una fonte di radiazioni alfa ed è utilizzata come fonte di energia nei satelliti.
2. Radon – prodotto dalla disintegrazione del radio, il cui isotopo con una massa atomica di 222 viene utilizzato nel trattamento di gravi casi di cancro.

La serie radioattiva

Si ritiene che tutti i nuclei con numero atomico superiore a 82 siano instabili e soggetti a disintegrazione spontanea. La maggior parte di essi è anche caratterizzata da un breve ciclo di vita, quindi non sono osservati in natura. Tuttavia, ci sono alcune importanti eccezioni, come e , il cui periodo di dimezzamento è rispettivamente di 1,39·10 ¹⁰ anni e 7,04·10 ⁸ anni. Il decadimento di nuclei pesanti può portare a una lunga serie di disintegrazioni, in quanto ogni nucleo secondario prodotto può diventare il nucleo primario in una successiva disintegrazione, fino alla formazione di un nucleo stabile. Questo processo è chiamato serie radioattiva.