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TIPI DI DECADIMENTO RADIOATTIVO
TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--ALFA ALFA Decadimento alfa: il nucleo instabile emette una particella alfa (), che è composta da due protoni e due neutroni (un nucleo di 4He), quindi una particella carica positivamente. Tale trasformazione può quindi essere rappresentata come: A Z X A 4 Z 2 Y He 4 2 dove X e Y sono i simboli rispettivamente dell'elemento chimico padre e figlio Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Z>82) e deficitarii in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio d’azione della forza nucleare forte) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--ALFA ALFA Il decadimento alfa è energicamente possibile quando la massa del nucleo padre è maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa. L’energia totale rilasciata Q è pari a: Q m( A, Z ) m( A 4, Z 2) m c 2 0 La differenza di massa (energia) riappare sotto forma di energia cinetica della particella alfa e del nucleo figlio rinculante. Essendo la massa del nucleo figlio in genere >> della massa della particella alfa, la quasi totalità dell’energia cinetica è posseduta dalla particella alfa (conservazione della quantità di moto) L’energia delle particelle alfa emesse è discreta In generale l’energia delle particelle alfa emesse varia tra 4 e 9 MeV ed i tempi di dimezzamento dei nuclei che le emettono variano tra 1010 anni e 10-7 secondi TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--ALFA ALFA ESEMPIO: Energia liberata nel decadimento dell’232U: U Th He 232 228 4 Massa (u) 232U 232.037131 228Th 228.028716 4He 4.002602 Q 232.037131 228.028716 4.002602u 931.5MeV / u Q 0.005813u 931.5MeV / u 5.4 MeV In base alla legge di conservazione della quantità di moto si può dimostrare che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa 5.3 MeV. Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 0.1 MeV TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--ALFA ALFA ESEMPIO: Diagramma dei livelli energetici per il decadimento del 226Ra. Sono possibili due modalità di decadimento in 222Rn: - secondo la via 1 (94.5% di probabilità, con emissione di un’alfa da 4.78 MeV) - o secondo la via 2 (5.5% di probabilità, con emissione di un’alfa da 4.60 MeV e un fotone da 0.18 MeV). Il nucleo figlio, molto più pesante dell’alfa, ha un’energia di rinculo trascurabile (0.09 MeV) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA Il termine decadimento beta comprende tre diversi tipi di trasformazioni nucleari: • decadimento -: trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone, con emissione di un elettrone • decadimento + : trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone, con emissione di un positrone • cattura elettronica (E.C.): trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico In tutti e tre i tipi di decadimento viene emesso un neutrino (o antinueutrino): particella di “massa infinitesima” e priva di carica TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • decadimento beta meno A Z X Y e e A Z 1 Trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone, con emissione di un elettrone e un antineutrino elettronico Il decadimento è energicamente possibile quando: ESEMPIO: 14 C 14N e e M ( A, Z ) M ( A, Z 1) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • decadimento beta meno Il decadimento è energicamente possibile quando: M ( A, Z ) M ( A, Z 1) infatti: A Z X Z 1AY e e tralasciando la massa del neutrino è necessario che: m( A, Z ) m( A, Z 1) me dove m sono le masse nucleari. Consideriamo anche gli elettroni atomici (e quindi le Masse atomiche M): sommiamo ad entrambi i membri Zme m( A, Z ) Zme m( A, Z 1) me Zme m( A, Z ) Zme m( A, Z 1) Z 1 me M ( A, Z ) M ( A, Z 1) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • decadimento beta più A Z X Y e e A Z 1 Trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone, con emissione di un positrone e un neutrino elettronico Il decadimento è energicamente possibile quando: M ( A, Z ) M ( A, Z 1) 2me ESEMPIO: 18 F 18O e e me 0.511 MeV TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • decadimento beta più Il decadimento è energicamente possibile quando: M ( A, Z ) M ( A, Z 1) 2me me 0.511 MeV infatti: A Z X Z 1AY e e tralasciando la massa del neutrino è necessario che: m( A, Z ) m( A, Z 1) me dove m sono le masse nucleari. Consideriamo anche gli elettroni atomici (e quindi le Masse atomiche M): sommiamo ad entrambi i membri Zme m( A, Z ) Zme m( A, Z 1) me Zme m( A, Z ) Zme m( A, Z 1) Z 1 me 2me M ( A, Z ) M ( A, Z 1) 2me TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • cattura elettronica A Z X e Y e A Z 1 Cattura di un elettrone atomico da parte del nucleo con trasformazione di un protone in un neutrone ed emissione di un neutrino elettronico Il decadimento è energicamente possibile quando: M ( A, Z ) M ( A, Z 1) L’elettrone catturato dal nucleo ha una energia ben precisa (in genere appartiene all’orbitale più interno – shell K). Ne consegue che i neutrini emessi nei processi di cattura elettronica hanno tutti la stessa energia (neutrini monoenergetici) A seguito della cattura dell’elettone l’atomo tenderà a modificare la sua configurazione (gli elettroni degli altri orbitali vanno a riempire lo stato lasciato vuoto). Si avrà quindi emissione di raggi X (fotoni con energia pari alla differenza dei livelli energetici atomici ) A differenza degli altri tipi di decadimenti, la cattura elettronica è un processo anche di natura atomica (quindi c’è una dipendenza dalle proprietà chimiche dell’elemento) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA • cattura elettronica Il decadimento è energicamente possibile quando: M ( A, Z ) M ( A, Z 1) infatti: A Z X e Y e A Z 1 tralasciando la massa del neutrino è necessario che: m( A, Z ) me m( A, Z 1) dove m sono le masse nucleari. Consideriamo anche gli elettroni atomici (e quindi le Masse atomiche M): sommiamo ad entrambi i membri (Z-1)me m( A, Z ) ( Z 1) me me m( A, Z 1) ( Z 1) me m( A, Z ) Zme m( A, Z 1) Z 1 me M ( A, Z ) M ( A, Z 1) TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA decadimento β-: avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di neutroni E.C. decadimento β+: avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di protoni TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO--BETA BETA A differenza del decadimento α, che essendo un decadimento a due corpi emette la particella α sempre con la medesima energia (energia monocromatica), l’elettrone nel decadimento β- condivide la propria energia con il neutrino (e analogamente il positrone con l’antineutrino). Ne risulta quindi uno spettro continuo con una energia massima (energia di end-point). TIPI TIPIDI DIDECADIMENTO DECADIMENTORADIOATTIVO RADIOATTIVO––EMISSIONE EMISSIONEGAMMA GAMMA Emissione gamma: Un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo può ritrovarsi nel suo stato fondamentale oppure trovarsi in uno dei suoi stati eccitati. Come avviene per l’atomo, anche il nucleo si porterà nella configurazione più stabile emettendo radiazione elettromagnetica corrispondente al salto energetico dei livelli interessati. A questa radiazione elettromagnetica viene dato il nome di raggi gamma. 60 Co 1173 keV 2626 keV 2506 keV 2159 keV 1333 keV 1333 keV 0 keV 60 Ni Per l’emissione gamma, sia la massa atomica A che il numero atomico Z rimangono invariati