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Il decadimento alfa è uno dei processi per cui atomi instabili (e dunque radioattivi) si trasformano in atomi di un altro elemento, che possono a loro volta essere radioattivi oppure stabili.

Si parla di decadimento alfa quando un isotopo di un elemento con elevato numero atomico (Z>83) emette una particella, detta particella alfa, composta da 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.

In generale la reazione del decadimento alfa è del tipo

Un esempio di decadimento alfa è quello del radio:

caratteristiche del decadimento

Il decadimento alfa è un decadimento spontaneo ed è un fenomeno intrinsecamente probabilistico.

Un processo spontaneo è un processo che avviene senza che nessun fattore esterno al nucleo lo provochi. E’ pertanto una reazione esoenergetica, che avviene cioè liberando dell’energia.

Intrinsecamente probabilistico significa che il decadimento è regolato da leggi statistiche e non deterministiche per cui di un dato nucleo possiamo stimare solo la probabilità che esso ha di decadere in un dato intervallo di tempo ma non sapremo mai calcolare l’esatto istante in cui tale decadimento avverrà.

A parità quindi di condizioni iniziali il comportamento dei nuclei può essere diverso e ciascuno può accadere con una data probabilità.

Un’altra caratteristica della radiazione alfa è quella di essere molto ionizzante e poco penetrante, vediamo cosa significa.

Le radiazioni, di qualunque tipo, incontrando la materia perdono energia. Quando una radiazione ha energia sufficiente può ionizzare il mezzo attraversato, ossia produrre cariche positive e negative. In relazione alla quantità di energia ceduta viene prodotta una eccitazione (che indebolisce i legami tra le molecole) o una ionizzazione (perdita di un elettrone).

I raggi alfa, a causa della loro carica elettrica, interagiscono fortemente con la materia. Vengono facilmente assorbiti dai materiali e possono viaggiare solo per pochi centimetri nell’aria. Possono essere assorbiti dagli strati più esterni della pelle umana e così generalmente non sono pericolosi per la vita a meno che la sorgente non venga inalata o ingerita.

Il decadimento alfa, come gli altri decadimenti radioattivi, rispetta alcuni principi di conservazione tra cui:

1) il numero di nucleoni

2) la carica

3) la quantità di moto

4) l’energia, considerando anche la massa come una forma di energia secondo l’equazione di Einstein

forza forte ed effetto tunnel

Il decadimento alfa è mediato dalla forza forte e la teoria che sta alla base di tale decadimento è stata sviluppata dal fisico ucraino George Gamow e si basa sull’effetto tunnel.

L’effetto tunnel è un effetto quanto-meccanico che permette una transizione ad uno stato impedita dalla meccanica classica. Nella meccanica classica la legge di conservazione dell’energia impone che una particella non possa superare un ostacolo se non ha l’energia necessaria per farlo. Questo corrisponde al fatto intuitivo che, per far risalire un dislivello ad un corpo, è necessario imprimergli una certa velocità ovvero cedergli dell’energia. La meccanica quantistica invece prevede che una particella abbia una probabilità, piccola ma finita, di attraversare spontaneamente una barriera arbitrariamente alta.

In virtù dell’effetto Tunnel, la particella alfa ha una probabilità non nulla di riuscire a sfuggire al nucleo anche se la sua energia cinetica non è classicamente sufficiente.

Condizioni per avere il decadimento

Consideriamo il generico decadimento:

Se valgono le leggi di conservazione della quantità di moto e dell’energia dovranno essere contemporaneamente soddisfatte le due equazioni:

Fissata la massa del nucleo padre sono automaticamente fissate le masse del nucleo figlio e della particella alfa. Dunque nota l’eventuale velocità a cui si muove il nucleo X il sistema si riduce ad un sistema di due equazioni a due incognite e dunque ammette un’unica soluzione, ossia un’unica coppia che soddisfa il sistema.

Queste considerazioni di carattere matematico si traducono fisicamente nel fatto che fissato il nucleo di partenza e le sue condizioni iniziali (la sua eventuale velocità) le energie del nucleo figlio e della particella alfa sono determinate e sempre uguali tra loro. Molto frequentemente è vx=0 poiché il nucleo è legato all’interno del reticolo cristallino. In questo caso l’equazioni si riducono alle seguenti:

Poiché la massa della particella alfa è molto inferiore a quella del nucleo figlio si ha che vy << v(alfa).

Se poi consideriamo che quando il nucleo è legato al cristallo è l’intero cristallo a subire l’azione di rinculo ci si rende facilmente conto che l’energia cinetica del nucleo figlio ha un valore trascurabile rispetto a quella della particella alfa. Si può allora scrivere:

Nel decadimento alfa si ha nuovamente la trasformazione di massa in energia.

Il decadimento alfa può avere luogo solo quando la massa del nucleo padre è superiore alla somma delle masse dei prodotti.

Durante il decadimento parte della massa del nucleo di partenza si trasforma in energia che ritroviamo sotto forma di energia cinetica delle particelle alfa emesse.

Questo era il decadimento alfa  
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Il modello atomico di Bohr si basa su 3 nuovi concetti:

1. Bohr suppone che il momento angolare è quantizzato, cioè può assumere solo valori multipli di una certa quantità. 

Riprende il modello di Rutherford (la forza elettrostatica gioca il ruolo di forza centripeta) e gli aggiunge la sua intuizione.

Risolvendo questo sistema Bohr ricava la seguente equazione:

Se il momento della quantità di moto è quantizzato, l’elettrone può stare solo su precise orbite, che non sono equi spaziate poiché solo i raggi multipli di “r” sono permessi.

Le orbite sono quantizzate

L’energia potenziale elettrostatica dipende dal raggio, ma se il raggio è discreto e quantizzato anche l’energia è quantizzata.

 2.  Se l’elettrone sta su orbite precise e quantizzate non irraggia

3. Quando l’elettrone compie una transizione da un livello ad un altro, emette o assorbe energia, dovuta alla differenza di energie dei livelli. Quando l’elettrone deve essere eccitato, deve assorbire energia (può assorbire un fotone, energia cinetica o calore).

Quando un elettrone, passando di livello, si avvicina al nucleo, emette l’energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica.

La radiazione viene emessa come unico quanto. Il quanto ha come energia (hf) la differenza tra le energie dei livelli

L’atomo di Bohr spiega perchè gli spettri di emissione e di assorbimento sono complementari.Gli spettri di emissioni si hanno quando l’elettrone, compiendo un salto elettronico, si avvicina al nucleo. Questo passaggio comporta liberazione di radiazione sotto forma di quanti di energia. gli spettri di assorbimento si hanno quando gli elettroni assorbono fotoni che hanno energia pari all’energia che serve all’elettrone per passare da un orbita ad un’altra più lontana dal nucleo. Dato che l’energia, ad esempio tra il livello 1 e 2 è la stessa, l’energia liberata dall’elettrone per passare dal livello 2 al livello 1 è la stessa che l’elettrone deve assorbire per passare dal livello 1 al livello 2

Questo era il modello atomico di Bohr  
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