Il decadimento radioattivo
Il decadimento è il processo di trasformazione di un nucleo atomico instabile, durante il quale il nucleo emette radiazioni alfa, beta o gamma.
Cosa significa decadimento
Si dice "decadimento" perché il nucleo emettitore dell'atomo decade in un altro nucleo.
Al termine del processo di trasformazione nucleare il nucleo ha perduto una parte dei suoi nucleoni, è "decaduto" e si è trasformato in un altro nucleo.
Il processo di decadimento continua fin quando il nucleo assume una forma stabile.
Nota. Il nucleo stabile finale può appartenere anche a un elemento chimico differente da quello di origine.
Come si scrive una reazione nucleare di decadimento
La reazione di decadimento nucleare si scrive con una notazione simile a quella delle reazioni chimiche.
Sulla sinistra si scrive il nucleo emittente mentre sulla destra la tipologia delle particelle emesse e il nucleo finale. La freccia indica il senso della reazione nucleare.
Esempio. Nella reazione nucleare precedente il nucleo dell'uranio-238 decade in un nucleo di torio-234 ed emette una particella alfa ( elio-4 ).
Una reazione nucleare deve rispettare la legge di conservazione della massa e dell'energia. Per spiegarlo in termini più semplici, su entrambi i membri dell'equazione sono presenti le stesse quantità di massa ed energia.
La legge del decadimento
Il decadimento di un elemento chimico segue una legge esponenziale. La legge del decadimento universale è la seguente:
Grazie a questa funzione è possibile calcolare il numero dei nuclei atomici N(t) in un momento temporale preciso t.
Il numero dei nuclei iniziali N0 di un elemento chimico si riduce di metà entro un particolare tempo di dimezzamento T1/2.
La costante di disintegrazione o decadimento ( λ ) è una caratteristica di ogni elemento chimico. E' una costante positiva di proporzionalità ed è indipendente dalle condizioni ambientali, dalla pressione o la temperatura in cui si trova l'elemento.
Il tempo di dimezzamento
Il tempo di dimezzamento di un elemento chimico è correlato inversamente alla costante di decadimento.
Indica l'intervallo di tempo necessario per dimezzare il numero dei nuclei atomici iniziali N0.
Essendo l'inverso della costante di decadimento, si deduce che è indipendente dalle condizioni ambientali.
Datazione biologica. Ad esempio, il radon ha un tempo di dimezzamento di 3,82 giorni mentre il carbonio-14 ( C-14 ) di 5730 anni. Il decadimento del carbonio-14 ( isotopo radioattivo del carbonio ) è utilizzato nella datazione dei reperti biologici antichi. Il carbonio-14 viene prodotto nell'atmosfera terrestre tramite la reazione dei gas atmosferici e i raggi cosmici. Le piante lo assimilano come anidride carbonica ( CO2 ) facendolo così entrare nella catena alimentare. Un essere vivente ingerisce C-14 finché è in vita e il rapporto tra la quantità C-14 e C-12 è costante nell'organismo. Quando muore cessa di assorbirlo e la quantità di carbonio-14 comincia a decrescere esponenzialmente. Pertanto, se un fossile ha soltanto il 50% di C-14, l'altro 50% è decaduto e l'essere vivente è morto 5730 anni fa. Questo sistema di datazione biologica funziona soltanto se i reperti hanno al massimo 40-50 mila anni ma non oltre.
La vita media
La vita media di un nucleo radioattivo è il tempo medio di decadimento, ossia il lasso di tempo in cui il radionuclide decade.
La vita media del nucleo è l'inverso della costante di decadimento.
La differenza tra vita media e tempo di dimezzamento. La vita media e il tempo di dimezzamento non sono la stessa cosa. Il rapporto tra tempo di dimezzamento e vita media del radionuclide è circa 0.693.
Ad esempio, se il tempo di dimezzamento è di 10 minuti, un milione di nuclei si dimezza a 500mila dopo dieci minuti, a 250mila dopo venti minuti, 125mila dopo trenta minuti, e così via. Tuttavia, non è da escludere che un singolo nucleo viva più a lungo degli altri perché la durata del singolo nucleo può variare da zero a infinito. Prendendo un grande numero di nuclei è però possibile calcolare il valore medio di vita dei nuclei.
La catena radioattiva
Il processo di decadimento si conclude quando il nucleo raggiunge una forma stabile. Durante questo processo il nucleo può trasformarsi in diversi elementi chimici.
La serie di elementi chimici in cui si trasforma il nucleo atomico prima di raggiungere la stabilità è detto catena di decadimento radioattivo o famiglia radioattiva.
La catena di decadimento prende il nome dell'isotopo del primo radionuclide. Ad esempio, la catena dell'uranio-238.
Datazione geologica. La catena dell'uranio 238 ha un tempo di dimezzamento di circa 4,5 miliardi di anni. Grazie a questa caratteristica è stato possibile datare l'età del pianeta Terra. Nelle rocce più antiche del nostro pianeta l'uranio 238 e il piombo 206 sono presenti al 50%. Se metà della quantità di U-238 si è trasformato in Pb-206, da ciò si deduce che la Terra si è formata 4,5 miliardi di anni fa.
