Decadimento alfa
Il decadimento alfa è una trasformazione nucleare in cui un nucleo pesante e instabile emette una particella alfa, cioè un nucleo di elio-4. Il bilancio di A e Z è semplice, ma la fisica del processo coinvolge conservazione dell’energia, rinculo e tunnelling quantistico.
Il bilancio nucleare
Una particella alfa contiene due protoni e due neutroni. Se il nucleo genitore ha numero di massa A e numero atomico Z, il nucleo figlio ha A − 4 e Z − 2.
genitore → figlio + alfa.
(A, Z) → (A − 4, Z − 2) + nucleo di elio-4.
Questo identifica subito l’elemento figlio: diminuire Z di due significa spostarsi di due posizioni a sinistra nella tavola periodica. Il numero di nucleoni e la carica elettrica sono bilanciati nell’equazione.
Dove va l’energia liberata
Se la massa totale a riposo dei prodotti è inferiore a quella del nucleo genitore, la differenza compare come energia liberata. Nel sistema di riferimento in cui il genitore è a riposo, il nucleo figlio e la particella alfa rinculano con quantità di moto uguali e opposte. Poiché il nucleo figlio è molto più pesante, la particella alfa riceve la maggior parte dell’energia cinetica.
Per transizioni tra stati nucleari ben definiti, le energie alfa sono vicine a valori discreti. La loro misura può quindi aiutare a identificare radionuclidi e a ricostruire la struttura dei livelli nucleari.
Perché un Q positivo può comunque corrispondere a un lungo tempo di dimezzamento
Il rilascio di energia indica che il decadimento è energeticamente permesso, ma non dice quanto rapidamente avverrà. Il cluster di tipo alfa deve attraversare per tunnelling la barriera elettrostatica che circonda il nucleo figlio. La probabilità di tunnelling è estremamente sensibile all’energia alfa, per cui variazioni modeste dell’energia possono corrispondere a differenze enormi nel tempo di dimezzamento.
Interazione con la materia
Le particelle alfa sono relativamente massicce e hanno carica +2e. Perdono energia rapidamente ionizzando la materia, quindi il loro percorso è breve rispetto a quello delle particelle beta o dei fotoni gamma. Il breve raggio d’azione non rende innocua ogni sorgente alfa: l’effetto dipende fortemente da dove si trova il materiale radioattivo e da come deposita l’energia. Potere penetrante ed effetto biologico sono domande diverse.
Esempi svolti
1. Completare un’equazione di decadimento alfa
L’uranio-238 ha A = 238 e Z = 92. Dopo l’emissione alfa, A = 234 e Z = 90: il nucleo figlio è torio-234.
2. Verificare la conservazione
Per un genitore con A = 226 e Z = 88, il figlio deve avere A = 222 e Z = 86. La particella alfa emessa contribuisce con A = 4 e Z = 2, ripristinando i totali iniziali.
3. Confrontare le energie di rinculo
Particella alfa e nucleo figlio hanno quantità di moto dello stesso modulo. A parità di quantità di moto, l’energia cinetica è maggiore per la massa minore: la particella alfa, molto più leggera, riceve quindi la maggior parte dell’energia cinetica.