In fisica nucleare il termine catena di decadimento indica una serie di decadimenti radioattivi di diversi prodotti di decadimento legati tra loro in una serie di trasformazioni. La maggior parte degli elementi radioattivi non decade direttamente in un nucleo stabile, ma passa piuttosto attraverso una serie di decadimenti successivi fino a raggiungere un nuclide derivato stabile.
Descrizione Ogni stadio della catena è individuato dalle sue relazioni con gli stadi precedenti e seguenti . A volte si parla di isotopo genitore per indicare quello che va incontro ad un decadimento radioattivo per formare quello che si dice isotopo figlio. L'isotopo figlio può essere stabile o decadere a sua volta.
Il tempo impiegato da un singolo isotopo genitore per decadere in un nucleo del suo isotopo figlio può variare di molto, non solo per diverse coppie genitore-figlio, ma anche per coppie genitore-figlio identiche. Mentre il decadimento di un singolo atomo accade casualmente, il decadimento di una popolazione iniziale in funzione del tempo, t, segue una distribuzione esponenziale, e-λt, dove il parametro λ è chiamato costante di decadimento. A causa di questa natura esponenziale, una proprietà caratteristica di ogni isotopo è il suo tempo di dimezzamento, ossia il tempo in cui metà degli originari radioisotopi genitori decadono. I tempi di dimezzamento sono stati determinati in laboratorio per migliaia di radioisotopi (o radionuclidi). Questi variano da minime frazioni di secondo (decadimenti pressoché istantanei) fino a 1019 anni o più.
Spesso gli stadi intermedi emettono più radioattività che il radioisotopo originario: una volta raggiunto l'equilibrio, un isotopo della catena è presente in una quantità proporzionale alla sua emivita; ma poiché la sua attività è inversamente proporzionale alla sua emivita, ogni nuclide della catena risulta in definitiva contribuire all'attività quanto il capostipite della catena. Ad esempio, l'uranio naturale non è particolarmente radioattivo, ma campioni di pechblenda, un minerale che contiene uranio, risultano essere 13 volte più radioattivi, a causa del radio e degli altri isotopi figli che contengono. Gli isotopi del radio non solo sono significative sorgenti di radiazioni, ma generano anche il gas radon come stadio successivo della catena di decadimento. Dunque il gas radon è una sorgente naturale di radioattività, causa di tumore al polmone anche nei non fumatori.
Tipi
I quattro modi di decadimento radioattivo più comuni sono: il decadimento alfa, il decadimento β- e il β+ (considerato sia come emissione di positroni che come cattura elettronica) e la transizione isomerica. Di questi processi di decadimento, solo il decadimento alfa produce un cambiamento del numero di massa del nucleo, diminuendolo di quattro unità (corrispondenti al nucleo di elio che costituisce la particella alfa). Per questo motivo ogni prodotto di decadimento derivante da un determinato nucleo avrà un numero di massa con lo stesso mod 4, dividendo in questo modo tutti i nuclidi in quattro classi. Tutti i membri di ogni possibile catena di decadimento devono pertanto appartenere ad una di queste quattro classi.
In natura si osservano tre principali catene di decadimento (o famiglie), chiamate comunemente serie del torio, serie del radio (e non serie dell'uranio) e serie dell'attinio, che rappresentano tre di queste quattro classi e terminano in tre diversi isotopi stabili del piombo. Il numero di massa di ciascun isotopo in queste catene può essere rappresentato rispettivamente come A=4n, A=4n+2 e A=4n+3. Gli isotopi al lunga vita media 232Th, 238U e 235U, punti di partenza da cui si generano queste serie, esistono sin dalla formazione della Terra e il capostipite della famiglia del torio è tra tutti i radioisotopi naturali quello più abbondante; anche il precursore 244Pu è stato trovato in minime dosi sulla terraD.C . Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewheter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature, Nr. 34, 1971, pp. 132–134. La quarta catena, la serie del nettunio con A=4n+1, a causa della emivita piuttosto breve del suo isotopo di partenza 237Np, risulta già estinta se si eccettua il suo passaggio finale. L'isotopo terminale di questa catena è il 205Tl. Alcune fonti più vecchie individuano la fine della catena nel 209Bi ma si è scoperto recentemente che il 209Bi è in realtà esso stesso radioattivo, con un'emivita di 1.9×1019 anni.
In tutte e tre le catene è sempre presente un radionuclide che si trova allo stato gassoso: il 220Rn, chiamato anche Thoron, il 222Rn e il 219Rn, chiamato anche Attinon.
Esistono anche numerose catene più corte, ad esempio quella del carbonio-14. Sulla terra la maggior parte degli isotopi di partenza di queste catene più corte sono generati dalla radiazione cosmica.
Catena di decadimento alfa degli attinoidi Nelle tabelle qui sotto sono omessi i rapporti di ramificazione di decadimento minori inferiori allo 0.0001%). Il rilascio di energia include l'energia cinetica totale di tutte le particelle emesse (elettroni, particelle alfa, fotoni gamma, neutrini, elettroni Auger e raggi X), nonché il rinculo del nucleo genitore, assumendo che in origine fosse a riposo.
Nelle tabelle qui sotto vengono forniti anche i nomi storici dei nuclidi che si possono trovare in natura. Questi nomi furono usati al tempo in cui le catene di decadimento sono state scoperte e studiate. Da questi nomi è possibile risalire alla particolare catena alla quale il nuclide appartiene.
Serie del torio La catena 4n del Th-232 è comunemente chiamata “serie del torio”.
nuclidenome storico (abbrev.)nome storico (completo)tipo di decadimentoemivitaenergia rilasciata, MeVprodotto di decadimento 252Cf α 2.645 a 6.1181 248Cm 248Cm α 3.4•105 a 6.260 244Pu 244Pu α 8•107 a 4.589 240U 240U β- 14.1 h .39 240Np 240Np β- 1.032 h 2.2 240Pu 244Cm α 18 a 5.8048 240Pu 240Pu α 6561 a 5.1683 236U 236U α 2.3•107 a 4.494 232Th 232Th Th Thorium α 1.405•1010 a 4.081 228Ra 228Ra MsTh1 Mesothorium 1 β- 5.75 a 0.046 228Ac 228Ac MsTh2 Mesothorium 2 β- 6.25 h 2.124 228Th 228Th RdTh Radiothorium α 1.9116 a 5.520 224Ra 224Ra ThX Thorium X α 3.6319 d 5.789 220Rn 220Rn Tn Thoron α 55.6 s 6.404 216Po 216Po ThA Thorium A α 0.145 s 6.906 212Pb 212Pb ThB Thorium B β- 10.64 h 0.570 212Bi 212Bi ThC Thorium C β- 64.06%α 35.94% 60.55 min 2.2526.208 212Po208Tl 212Po ThC' Thorium C' α 299 ns 8.955 208Pb 208Tl ThC" Thorium C" β- 3.053 min 4.999 208Pb 208Pb . stabile . .
Serie del radio (o serie dell'uranio) La catena 4n+2 dell'U-238 è comunemente chiamata "serie del radio" (talvolta "serie dell'uranio").
nuclidenome storico (abbrev.)nome storico (completo)tipo di decadimentoemivitaenergia rilasciata, MeVprodotto di decadimento 238U U Uranium α 4.468·109 a 4.270 234Th 234Th UX1 Uranium X1 β- 24.10 d 0.273 234Pa 234Pa UZ Uranium Z β- 6.70 h 2.197 234U 234U UII Uranium two α 245500 a 4.859 230Th 230Th Io Ionium α 75380 a 4.770 226Ra 226Ra Ra Radium α 1602 a 4.871 222Rn 222Rn Rn Radon α 3.8235 d 5.590 218Po 218Po RaA Radium A α 99.98 %β- 0.02 % 3.10 min 6.1150.265 214Pb218At 218At α 99.90 %β- 0.10 % 1.5 s 6.8742.883 214Bi218Rn 218Rn α 35 ms 7.263 214Po 214Pb RaB Radium B β- 26.8 min 1.024 214Bi 214Bi RaC Radium C β- 99.98 %α 0.02 % 19.9 min 3.2725.617 214Po210Tl 214Po RaC' Radium C' α 0.1643 ms 7.883 210Pb 210Tl RaC" Radium C" β- 1.30 min 5.484 210Pb 210Pb RaD Radium D β- 22.3 a 0.064 210Bi 210Bi RaE Radium E β- 99.99987%α 0.00013% 5.013 d 1.4265.982 210Po206Tl 210Po RaF Radium F α 138.376 d 5.407 206Pb 206Tl β- 4.199 min 1.533 206Pb 206Pb - stabile - -
Serie dell'attinio La catena 4n+3 del U-235 è comunemente chiamata “serie dell'attinio”. nuclidenome storico (abbrev.)nome storico (completo)tipo di decadimentoemivitaenergia rilasciata, MeVprodotto di decadimento 239Pu α 2.41·104 a 5.244 235U 235U AcU Actin Uranium α 7.04·108 a 4.678 231Th 231Th UY Uranium Y β- 25.52 h 0.391 231Pa 231Pa Protoactinium α 32760 a 5.150 227Ac 227Ac Ac Actinium β- 98.62%α 1.38% 21.772 a 0.0455.042 227Th223Fr 227Th RdAc Radioactinium α 18.68 d 6.147 223Ra 223Fr AcK Actinium K β- 22.00 min 1.149 223Ra 223Ra AcX Actinium X α 11.43 d 5.979 219Rn 219Rn An Actinon α 3.96 s 6.946 215Po 215Po AcA Actinium A α 99.99977%β- 0.00023% 1.781 ms 7.5270.715 211Pb215At 215At α 0.1 ms 8.178 211Bi 211Pb AcB Actinium B β- 36.1 min 1.367 211Bi 211Bi AcC Actinium C α 99.724%β- 0.276% 2.14 min 6.7510.575 207Tl211Po 211Po AcC' Actinium C' α 516 ms 7.595 207Pb 207Tl AcC" Actinium C" β- 4.77 min 1.418 207Pb 207Pb . stabile . .
Serie del nettunio La catena 4n+1: nuclidetipo di decadimentoemivitaenergia rilasciata, MeVprodotto di decadimento 249Cf α 351 a 5.813+.388 245Cm 245Cm α 8500 a 5.362+.175 241Pu 241Pu β- 14.4 a 0.021 241Am 241Am α 432.7 a 5.638 237Np 237Np α 2.14·106 a 4.959 233Pa 233Pa β- 27.0 d 0.571 233U 233U α 1.592·105 a 4.909 229Th 229Th α 7.54·104 a 5.168 225Ra 225Ra β- 14.9 d 0.36 225Ac 225Ac α 10.0 d 5.935 221Fr 221Fr α 4.8 min 6.3 217At 217At α 32 ms 7.0 213Bi 213Bi α 46.5 min 5.87 209Tl 209Tl β- 2.2 min 3.99 209Pb 209Pb β- 3.25 h 0.644 209Bi 209Bi stabile
Catene di decadimento beta Poiché i nuclei più pesanti hanno un rapporto tra numero di neutroni e numero di protoni maggiore, i prodotti della loro fissione risultano avere quasi sempre un rapporto neutroni/protoni più grande di quanto previsto dalla curva di stabilità per il loro range di massa; per questo motivo questi vanno incontro ad una serie di decadimenti beta in sequenza, in ciascuno dei quali un neutrone viene convertito in un protone. Il primo decadimento ha in genere una maggiore energia di decadimento e una minore emivita; gli ultimi decadimenti tendono ad avere una bassa energia di decadimento e/o una lunga emivita.
Per esempio, l'uranio-235 ha 92 protoni e 143 neutroni. La fissione richiede uno o più neutroni e ne produce due o tre o più; assumiamo che siano disponibili per i due nuclei prodotti dalla fissione 92 protoni e 142 neutroni. Supponendo che questi abbiano massa 99 con 39 protoni e 60 neutroni (ittrio-99), e massa 135 con 53 protoni e 82 neutroni (iodio-135) si avranno le catene di decadimento:
NuclideEmivita99Y1.470(7) s99Zr2.1(1) s99Nb15.0(2) s99Mo2.7489(6) d99Tc2.111(12)E+5 a99RuStabile
NuclideEmivita135I6.57(2) h135Xe9.14(2) h135Cs2.3(3)E+6 a135BaStabile
Note
Bibliografia
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