Decadimento radioattivo
I nuclei della maggior parte degli atomi di tutti i giorni sono stabili, cioè non cambiano nel tempo. Questa affermazione è in qualche modo fuorviante, tuttavia, perché i nuclei che non sono stabili generalmente non durano a lungo e quindi tendono a non far parte dell’esperienza quotidiana. Infatti, la maggior parte degli isotopi noti dei nuclei non sono stabili; invece, passano attraverso un processo chiamato decadimento radioattivo, che spesso cambia l’identità dell’atomo originale.
Nel decadimento radioattivo un nucleo rimarrà invariato per un certo periodo imprevedibile e quindi emetterà una particella o un fotone ad alta velocità, dopo di che un nucleo diverso avrà sostituito l’originale. Ogni isotopo instabile decade ad una velocità diversa; cioè, ognuno ha una diversa probabilità di decadere entro un dato periodo di tempo (vedi costante di decadimento). Una raccolta di nuclei instabili identici non tutti decadono contemporaneamente. Invece, come popcorn popping in una padella, essi decadranno individualmente per un periodo di tempo. Il tempo che ci vuole per la metà del campione originale a decadere è chiamato l “emivita dell” isotopo. Emivita di isotopi noti vanno da microsecondi a miliardi di anni. L’uranio-238 (238U) ha un’emivita di circa 4,5 miliardi di anni, che è approssimativamente il tempo trascorso dalla formazione del sistema solare. Quindi, la Terra ha circa la metà del 238U che aveva quando si è formata.
Esistono tre diversi tipi di decadimento radioattivo. Alla fine del 19 ° secolo, quando le radiazioni erano ancora misteriose, queste forme di decadimento erano denotate alfa, beta e gamma. Nel decadimento alfa un nucleo espelle due protoni e due neutroni, tutti bloccati insieme in quella che viene chiamata una particella alfa (in seguito scoperta essere identica al nucleo di un normale atomo di elio). Il nucleo figlia, o decaduto, avrà due protoni in meno e due neutroni in meno rispetto all’originale e quindi sarà il nucleo di un elemento chimico diverso. Una volta che gli elettroni si sono riorganizzati (e i due elettroni in eccesso si sono allontanati), l’atomo, infatti, ha cambiato identità.
Nel decadimento beta uno dei neutroni nel nucleo si trasforma in un protone, un elettrone in rapido movimento e una particella chiamata neutrino. Questa emissione di elettroni veloci è chiamata radiazione beta. Il nucleo figlia ha un neutrone in meno e un protone in più rispetto all’originale e quindi, di nuovo, è un elemento chimico diverso.
Nel decadimento gamma un protone o un neutrone fa un salto quantico da un’orbita più alta a una più bassa, emettendo un fotone ad alta energia nel processo. In questo caso l’identità chimica del nucleo figlia è la stessa dell’originale.
Quando un nucleo radioattivo decade, spesso accade che anche il nucleo figlia sia radioattivo. Questa figlia decaderà a sua volta, e anche il nucleo figlia di quel decadimento potrebbe essere radioattivo. Quindi, una collezione di atomi identici può, nel tempo, essere trasformata in una miscela di molti tipi di atomi a causa di decadimenti successivi. Tali decadimenti continueranno fino a quando non verranno prodotti nuclei figlia stabili. Questo processo, chiamato catena di decadimento, opera ovunque in natura. Ad esempio, l’uranio-238 decade con un’emivita di 4.5 miliardi di anni in torio-234, che decade in 24 giorni in protattinio-234, che decade anche. Questo processo continua fino a quando non arriva a lead-206, che è stabile (vedi datazione uranio-torio-piombo). Elementi pericolosi come il radio e il radon vengono continuamente prodotti nella crosta terrestre come passaggi intermedi nelle catene di decadimento.