Decadimento radioattivo

La maggior parte degli atomi di carbonio hanno sei protoni e sei neutroni nel loro nucleo. Questo carbonio è chiamato carbonio-12s (sei protoni + sei neutroni = 12). Il suo peso atomico è 12. Se un atomo di carbonio ha due neutroni in più è il carbonio-14. Il carbonio-14 si comporta chimicamente come l'altro carbonio, perché sono i sei protoni e i sei elettroni a governare le sue proprietà chimiche. Infatti, il carbonio-14 esiste in tutti gli esseri viventi; tutte le piante e gli animali contengono carbonio-14. Tuttavia, il carbonio-14 è radioattivo. Decade per decadimento beta per diventare azoto-14. Il carbonio-14, nelle piccole quantità che si trovano intorno a noi in natura, è innocuo. In archeologia, questo tipo di carbonio viene usato per determinare l'età del legno e di altri oggetti precedentemente viventi. Il metodo si chiama datazione al radiocarbonio.

Ernest Rutherford scoprì che ci sono diversi modi in cui queste particelle penetrano nella materia. Trovò due tipi diversi, che chiamò decadimento alfa e decadimento beta. Paul Villard scoprì un terzo tipo nel 1900. Rutherford lo chiamò decadimento gamma, nel 1903.

Il cambiamento da carbonio-14 radioattivo ad azoto-14 stabile è un decadimento radioattivo. Avviene quando l'atomo emette una particella alfa. Una particella alfa è un impulso di energia quando un elettrone o un positrone lascia il nucleo.

Altri tipi di decadimento sono stati scoperti più tardi. I tipi di decadimento sono diversi l'uno dall'altro perché diversi tipi di decadimento producono diversi tipi di particelle. Il nucleo radioattivo di partenza è chiamato nucleo genitore e il nucleo in cui si trasforma è chiamato nucleo figlio. Le particelle ad alta energia prodotte dai materiali radioattivi sono chiamate radiazioni.

Questi vari tipi di decadimento possono avvenire in modo sequenziale in una "catena di decadimento". Un tipo di nucleo decade in un altro tipo, che decade di nuovo in un altro e così via fino a diventare un isotopo stabile e la catena si conclude.

La velocità con cui avviene questo cambiamento è diversa per ogni elemento. Il decadimento radioattivo è governato dal caso: Il tempo che impiega, in media, la metà degli atomi di una sostanza a cambiare è chiamato tempo di dimezzamento. Il tasso è dato da una funzione esponenziale. Per esempio, lo iodio (^131I) ha un'emivita di circa 8 giorni. Quella del plutonio varia tra 4 ore (^243Pu) e 80 milioni di anni (^244Pu)

Il decadimento radioattivo cambia un atomo da uno che ha un'energia più alta all'interno del suo nucleo in uno con un'energia più bassa. Il cambiamento di energia del nucleo è dato alle particelle che si creano. L'energia rilasciata dal decadimento radioattivo può essere trasportata da una radiazione elettromagnetica gamma (un tipo di luce), da una particella beta o da una particella alfa. In tutti questi casi, il cambiamento di energia del nucleo viene portato via. E in tutti questi casi, il numero totale di cariche positive e negative dei protoni e degli elettroni dell'atomo si somma a zero prima e dopo il cambiamento.

Durante il decadimento alfa, il nucleo atomico rilascia una particella alfa. Il decadimento alfa fa sì che il nucleo perda due protoni e due neutroni. Il decadimento alfa fa sì che l'atomo si trasformi in un altro elemento, perché l'atomo perde due protoni (e due elettroni). Per esempio, se l'Americium passasse attraverso il decadimento alfa si trasformerebbe in Neptunium perché Neptunium è definito dall'avere due protoni in meno di Americium. Il decadimento alfa accade solitamente negli elementi più pesanti, come l'uranio, il torio, il plutonio e il radio.

Le particelle alfa non possono passare nemmeno attraverso pochi centimetri d'aria. Le radiazioni alfa non possono danneggiare gli esseri umani quando la sorgente di radiazioni alfa è fuori dal corpo umano, perché la pelle umana non lascia passare le particelle alfa. La radiazione alfa può essere molto dannosa se la fonte è all'interno del corpo, come quando le persone respirano polvere o gas contenenti materiali che decadono emettendo particelle alfa (radiazioni).

Ci sono due tipi di decadimento beta, beta-plus e beta-minus.

Nel decadimento beta-minus, il nucleo cede un elettrone carico negativamente e un neutrone si trasforma in un protone:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {displaystyle n^{0}}rightarrow p^{+}+e^{-}+{bar {\nu }}_{e}} .

dove

n 0 {displaystyle n^{0}} è il neutrone

  p + p^{+} è il protone

e - {displaystyle e^{-} è l'elettrone

ν ¯ e è l'anti-neutrino

Il decadimento beta-minus avviene nei reattori nucleari.

Nel decadimento beta-plus, il nucleo rilascia un positrone, che è come un elettrone ma ha una carica positiva, e un protone si trasforma in un neutrone:

  p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} .

dove

  p + p^{+} è il protone

n 0 {displaystyle n^{0}} è il neutrone

e + {displaystyle e^{+} è il positrone

ν e {displaystyle {\nu }{e} è il neutrino

Il decadimento beta-plus avviene all'interno del sole e in alcuni tipi di acceleratori di particelle.

Il decadimento gamma avviene quando un nucleo produce un pacchetto di energia ad alta energia chiamato raggio gamma. I raggi gamma non hanno carica elettrica, ma hanno momento angolare. I raggi gamma sono di solito emessi dai nuclei subito dopo altri tipi di decadimento. I raggi gamma possono essere usati per vedere attraverso il materiale, per uccidere i batteri nel cibo, per trovare alcuni tipi di malattie e per trattare alcuni tipi di cancro. I raggi gamma hanno la più alta energia di qualsiasi onda elettromagnetica, e le esplosioni di raggi gamma dallo spazio sono le più energetiche emissioni di energia conosciute.