I decadimenti alfa, beta e gamma

Il fisico inglese Ernest Rutherford, è guidato dall'idea che la radioattività sia dovuta alla disintegrazione del nucleo dell'atomo. A lui dobbiamo le ricerche che condussero alla classificazione della radioattività in  alfa, beta e gamma.

Egli comprese che i raggi alfa sono ioni di elio (atomi di elio privati dei due elettroni) e dunque particelle con doppia carica positiva; i raggi beta sono elettroni o ( si scoprirà poi) positroni espulsi da un nucleo atomico in un processo chiamato decadimento beta; i raggi gamma non sono, invece, costituiti da particelle cariche, ma sono della stessa natura dei raggi X, ossia onde elettromagnetiche, ma di energia assai più elevata e quindi di lunghezza d'onda molto più piccola.

Questi tre tipi di radiazioni sono emessi spontaneamente, singolarmente, da isotopi instabili in processi che prendono il nome rispettivamente di decadimento alfa, beta e gamma.Vediamone in dettaglio le caratteristiche.

Il Il decadimento α:  Il decadimento può essere visto come la scissione del nucleo padre, pesante con Z > 83, in due parti: una particella alfa (nucleo di He con due protoni e due neutroni) ed il rimanente nucleo figlio che avrà perso due protoni e due neutroni. 

Perdendo due protoni l'elemento indietreggia di due posizioni nella tavola periodica degli elementi. Le ragioni di tale fenomeno sono da ricercare nella tendenza di tutti i sistemi fisici a cercare condizioni di energia più stabile. 

Il decadimento alfa è un decadimento spontaneo che avviene senza che nessun fattore esterno al nucleo lo provochi. E' pertanto una reazione esoenergetica, che avviene cioè liberando dell'energia ( Q di reazione Q>0).

L'energia liberata deriva dalla trasformazione di massa in energia secondo l'equivalenza prevista dalla relatività   : 

E = mc²

Nel decadimento alfa infatti, come in tutti gli altri decadimenti, la massa del nucleo padre è maggiore della somma delle masse nei figli: la massa mancante si trasforma in energia che ritroviamo sotto forma di energia cinetica dei prodotti del decadimento.

Le particelle alfa sono fortemente ionizzanti e per questo perdono rapidamente la loro energia attraversando la materia. In aria possono viaggiare per pochi centimetri e in materiali più densi ancor meno. Un foglio di carta è pertanto in grado di fermare la radiazione alfa.

Il decadimento β. Esistono due tipi di decadimento beta: il β⁺ e il β^-. Per semplicità ci limiteremo a descrivere quest'ultimo: esso prevede la trasformazione di un neutrone in un protone, accompagnata dall'emissione di un elettrone ed un antineutrino. L'elemento che decade si trasforma quindi nell'elemento attiguo nella tavola periodica avente un protone in più. 

Anche il decadimento beta è spontaneo e quindi esoenergetico ed anche in questo caso l'energia emessa nel decadimento è data dalla conversione in energia della differenza di massa tra il nucleo padre ed i figli.  

Questa energia la ritroviamo sotto forma di energia cinetica delle particelle figlie: elettroni e neutrini. I neutrini sono particelle neutre che interagiscono difficilmente con la materia e pertanto possono attraversare distanze molto elevate senza provocare alcun tipo di reazione. Gli elettroni emessi vengono invece chiamati "radiazione beta".

Anche la radiazione beta (elettroni) quando attraversa la materia la ionizza. La radiazione beta è più penetrante rispetto alla alfa: in aria elettroni beta possono percorrere fino a qualche metro prima di essere assorbiti mentre in tessuti molli, come il corpo umano, riescono a percorrere alcuni millimetri. Anche le particelle beta vengono facilmente fermate da piccoli spessori di metalli.

Il decadimento γ. 

I raggi gamma sono radiazione elettromagnetica ad altissima frequenza.

Sappiamo dalla meccanica quantistica che la radiazione elettromagnetica ha una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare. Così le onde elettromagnetiche (onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi γ) possono essere pensati sia come onde, di frequenza sempre maggiore e quindi lunghezza d'onda sempre minore spostandoci dalle onde radio ai raggi gamma, ma anche come particelle, chiamate fotoni. I fotoni sono "particelle" un pò particolari: hanno massa nulla, si muovono sempre a velocità  pari a c ( velocità della luce) ed hanno energie proporzionali alla loro frequenza: dunque i raggi gamma, tra tutte le radiazioni elettromagnetiche, sono quelle più energetiche. 

Il decadimento gamma è l'unico decadimento radioattivo che non muta la natura del nucleo che decade e tipicamente si ha a seguito di un decadimento di tipo alfa o beta.

Per avere un'idea, anche qualitativa di cosa accade possiamo pensare ad un'analogia con l'atomo:quando l'atomo non è nel suo stato fondamentale e vi sono elettroni su livelli eccitati questi decadono riportandosi sui livelli fondamentali ed emettendo fotoni, in questo caso nel range del visibile e dell'ultravioletto. Analogamente quando i nucleoni in un nucleo non sono al loro livello fondamentale si riassestano emettendo fotoni. Tipicamente quando un nucleo decade alfa o beta il nucleo figlio che viene generato non è al suo livello fondamentale, così spesso dopo un decadimento alfa o beta il nucleo figlio prodotto decade gamma per potersi portare al suo livello stabile.

Il potere penetrante della radiazione gamma è molto superiore rispetto ai decadimenti precedenti: fino a centinaia di metri in aria, attraversano facilmente il corpo umano e sono fermate da alcuni centimetri di piombo o decimetri di cemento.