Altri tipi di decadimento radioattivo: cattura elettronica ed emissione

DIDATTICA ATTIVA - Approfondimento
Altri tipi di decadimento radioattivo:
cattura elettronica ed emissione di positroni
Il decadimento α e il decadimento β sono i due principali
processi attraverso i quali si realizza la trasformazione del
nucleo di un elemento in un nucleo più stabile di un altro
elemento. In presenza di specifiche caratteristiche, un nucleo può decadere anche con altri meccanismi, tra i quali i
più interessanti sono:
Il fosforo-29, per esempio, decade emettendo un positrone e dà origine a un isotopo stabile del silicio, il silicio-29:
29
15
Se un positrone collide con un elettrone, cioè una particella di antimateria urta una particella di materia, si verifica
il processo di annichilazione.
• emissione positronica;
• cattura elettronica;
• emissione neutronica.
Con il termine annichilazione si intende la trasformazione completa di materia in energia.
I nuclei che hanno un numero di protoni troppo elevato
rispetto al numero dei neutroni possono decadere attraverso il processo della emissione positronica. In questo processo
un protone si trasforma in un neutrone, con la contemporanea
emissione di un positrone.
Quando un elettrone e un positrone si scontrano, si ha
la totale conversione della loro massa in energia, che viene
emessa sotto forma di fotoni γ.
I radionuclidi che decadono per emissione positronica
sono usati in medicina nucleare per la tomografia a emissione di positroni (PET). Questa tecnica permette di ottenere
mappe funzionali di alcuni processi mentre questi avvengono all’interno del corpo (figura 2). Con la PET possono
essere formulate diagnosi molto precise sul funzionamento
degli organi esaminati.
Un positrone è un elettrone positivo, cioè una particella
con le stesse proprietà degli elettroni ma con carica positiva.
Il positrone è indicato con il simbolo e+ o anche con +10e.
L’emissione di positroni è a volte chiamata emissione β+. Il
potere ionizzante dei positroni è simile a quello dei raggi β.
A seguito dell’emissione positronica il numero atomico Z
dell’atomo diminuisce di un’unità, mentre il numero di
massa A rimane costante. L’equazione nucleare dell’emissione positronica di un generico elemento X è:
A
Z
29
P → 14
Si + +10e
figura 2 Tomografia a
emissione positronica di
un cervello sano. Il colore
delle aree evidenzia zone
a bassa attività cerebrale
(colorate in blu) e zone a
elevata attività (in giallo).
La PET permette di individuare aree cerebrali il cui
funzionamento anomalo
potrebbe essere alla base
di malattie come l’epilessia, il morbo di Alzheimer
o la schizofrenia.
X → Z – A1 Y + +10e
Dato che il numero di protoni diminuisce di un’unità, il
nucleo che si forma appartiene all’elemento che nel Sistema periodico precede di un posto l’elemento di partenza (figura 1).
B
C
N
O
F
5
6
7
8
9
Al
Si
P
S
Cl
13
14
15
16
17
Lo stesso risultato dell’emissione positronica si ha con
un altro tipo di decadimento, la cattura elettronica. Durante il decadimento per cattura elettronica, un elettrone dei gusci
più interni di un atomo viene catturato dal nucleo e, unendosi
a un protone, si trasforma in un neutrone, con l’emissione di
un neutrino. Il neutrino (simbolo νe) è una particella elementare priva carica e la cui massa è quasi 1 milione di volte inferiore a quella dell’elettrone.
La cattura elettronica è un processo più probabile dell’e-
figura 1 Quando un atomo di fosforo P subisce una emissione β+, l’isotopo
che si forma appartiene all’elemento che nel Sistema periodico è posto una
casella prima, cioè il silicio Si.
1
Mario Rippa - La
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012
DIDATTICA ATTIVA - Materiali integrativi
missione positronica per gli elementi con alto numero atomico. Un esempio di cattura elettronica è il decadimento
del potassio-40 che si trasforma in argo-40:
40
19
sia responsabile della generazione di una parte del calore
interno del pianeta, grazie al quale si formano i magmi nel
mantello terrestre.
Un altro tipo di decadimento riguarda i nuclei con troppi
neutroni rispetto ai protoni. Attraverso il decadimento per
emissione neutronica il nucleo di un isotopo può trasformarsi nel nucleo di un altro isotopo dello stesso elemento.
In questo tipo di decadimento viene emesso un neutrone,
il numero atomico rimane costante e il numero di massa
diminuisce di una unità. Per esempio, l’isotopo cripto-87
decade per emissione neutronica nell’isotopo cripto-86:
40
K → 18
Ar + νe
Il decadimento per cattura elettronica del potassio-40 ad
argo-40 è stato scelto per mettere a punto un metodo di datazione radiometrica delle rocce. Il metodo presuppone che
nelle rocce, al momento della loro formazione, non vi fosse
argo presente, per cui tutto l’argo che oggi si rinviene deriva dal decadimento del potassio. Conoscendo il tempo di dimezzamento del potassio-40, è possibile risalire all’età della
roccia. Si ritiene inoltre che il decadimento del potassio-40
87
36
86
Kr → 36
Kr + 10 n
2
Mario Rippa - La
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012