Perché si verifica il decadimento radioattivo?

Il decadimento radioattivo è il processo spontaneo attraverso il quale un instabile nucleo atomico si rompe in frammenti più piccoli e più stabili. Ti sei mai chiesto perché alcuni nuclei decadono mentre altri no?

È fondamentalmente una questione di termodinamica. Ogni atomo cerca di essere il più stabile possibile. In caso di decadimento radioattivo, l'instabilità si verifica quando vi è uno squilibrio nel numero di protoni e neutroni nel nucleo atomico. Fondamentalmente, c'è troppa energia all'interno del nucleo per tenere uniti tutti i nucleoni. Lo stato di gli elettroni di un atomo non ha importanza per il decadimento, anche se anch'essi hanno il loro modo di trovare stabilità. Se il nucleo di un atomo è instabile, alla fine si romperà per perdere almeno alcune delle particelle che lo rendono instabile. Il nucleo originale è chiamato genitore, mentre il nucleo o i nuclei risultanti sono chiamati figlia o figlie. Le figlie potrebbero ancora essere radioattivo, eventualmente rompendosi in più parti, oppure potrebbero essere stabili.

Esistono tre forme di decadimento radioattivo: quale di questi subisce un nucleo atomico dipende dalla natura dell'instabilità interna. Alcuni isotopi possono decadere attraverso più di un percorso.

Nel decadimento alfa, il nucleo espelle una particella alfa, che è essenzialmente un nucleo di elio (due protoni e due neutroni), diminuendo il numero atomico del genitore di due e il numero di massa di quattro.

Nel decadimento beta, un flusso di elettroni, chiamati particelle beta, viene espulso dal genitore e un neutrone nel nucleo viene convertito in un protone. Il numero di massa del nuovo nucleo è lo stesso, ma il numero atomico aumenta di uno.

Nel decadimento gamma, il nucleo atomico rilascia energia in eccesso sotto forma di fotoni ad alta energia (radiazione elettromagnetica). Il numero atomico e il numero di massa rimangono gli stessi, ma il nucleo risultante assume uno stato di energia più stabile.

UN isotopo radioattivo è uno che subisce il decadimento radioattivo. Il termine "stabile" è più ambiguo, in quanto si applica a elementi che non si spezzano, per scopi pratici, per un lungo arco di tempo. Ciò significa che gli isotopi stabili includono quelli che non si rompono mai, come il protio (costituito da un protone, quindi non c'è più nulla da perdere) e gli isotopi radioattivi, come il tellurio -128, che ha un'emivita di 7,7 x 10²⁴ anni. I radioisotopi con una breve emivita sono chiamati radioisotopi instabili.

Si potrebbe supporre che un nucleo in configurazione stabile avrebbe lo stesso numero di protoni dei neutroni. Per molti elementi più leggeri, questo è vero. Ad esempio, il carbonio si trova comunemente con tre configurazioni di protoni e neutroni, chiamati isotopi. Il numero di protoni non cambia, poiché questo determina l'elemento, ma il numero di neutroni lo fa: il carbonio-12 ha sei protoni e sei neutroni ed è stabile; carbon-13 ha anche sei protoni, ma ha sette neutroni; carbon-13 è anche stabile. Tuttavia, il carbonio-14, con sei protoni e otto neutroni, è instabile o radioattivo. Il numero di neutroni per un nucleo di carbonio-14 è troppo alto perché la forza attrattiva forte lo tenga insieme indefinitamente.

Ma, mentre ci si sposta verso atomi che contengono più protoni, gli isotopi sono sempre più stabili con un eccesso di neutroni. Questo perché i nucleoni (protoni e neutroni) non sono fissati in posizione nel nucleo, ma si muovono intorno e i protoni si respingono a vicenda perché portano tutti una carica elettrica positiva. I neutroni di questo nucleo più grande agiscono per isolare i protoni dagli effetti reciproci.

Il rapporto tra neutroni e protoni, o rapporto N: Z, è il fattore principale che determina se un nucleo atomico è stabile o meno. Gli elementi più chiari (Z <20) preferiscono avere lo stesso numero di protoni e neutroni o N: Z = 1. Gli elementi più pesanti (Z = da 20 a 83) preferiscono un rapporto N: Z di 1,5 perché sono necessari più neutroni per isolare dalla forza repulsiva tra i protoni.

Esistono anche quelli che vengono chiamati numeri magici, ovvero numeri di nucleoni (protoni o neutroni) particolarmente stabili. Se sia il numero di protoni che di neutroni hanno questi valori, la situazione è chiamata doppio numero magico. Puoi pensare a questo come al nucleo equivalente al regola dell'ottetto che governa la stabilità del guscio elettronico. I numeri magici sono leggermente diversi per protoni e neutroni:

• Protoni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutroni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Per complicare ulteriormente la stabilità, ci sono isotopi più stabili con Z: N pari a pari (N (162 isotopi) rispetto a pari-dispari (53 isotopi), che da dispari a pari (50) rispetto ai valori da dispari a dispari (4).

Un'ultima nota: se un singolo nucleo subisce un decadimento o meno è un evento completamente casuale. L'emivita di un isotopo è la migliore previsione per un campione sufficientemente ampio degli elementi. Non può essere usato per fare alcun tipo di previsione sul comportamento di un nucleo o di alcuni nuclei.

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