Perché si verifica il decadimento radioattivo?

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

È fondamentalmente una questione di termodinamica. Ogni atomo cerca di essere il più stabile possibile. Nel caso del decadimento radioattivo, l'instabilità si verifica quando c'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 degli elettroni di un atomo non ha importanza per il decadimento, sebbene anch'essi abbiano 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 essere ancora radioattive, eventualmente rompersi in più parti o potrebbero essere stabili.

Tre tipi di decadimento radioattivo

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.

Decadimento alfa

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.

Decadimento beta

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.

Decadimento gamma

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.

Radioattivo vs. 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.

Alcuni isotopi stabili hanno più neutroni che protoni

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, man mano che ci si sposta su 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 N: Z e i numeri magici

Il rapporto tra neutroni e protoni, o rapporto N: Z, è il fattore principale che determina se un nucleo atomico è stabile o meno. Elementi più leggeri (Z < 20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.

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 alla 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 (162 isotopi) rispetto a pari-dispari (53 isotopi), rispetto a valori dispari-pari-pari (50) rispetto ai valori dispari-dispari (4).

Casualità e decadimento radioattivo

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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