Radioattività — Alfa, Beta, Gamma ed Emivita

La radioattività si ha quando un nucleo atomico instabile cambia spontaneamente ed emette radiazioni. Per capirla in fretta, concentrati su due idee: quale tipo di emissione viene rilasciato e come l’emivita descrive il decadimento medio di un grande campione nel tempo.

Il riassunto più utile e breve è questo: alfa e beta sono particelle emesse, gamma è radiazione elettromagnetica ad alta energia, e l’emivita non predice il momento esatto in cui decadrà un singolo atomo.

Che cosa significa radioattività in fisica

La radioattività è un processo nucleare. Questo è importante perché i cambiamenti nucleari modificano il nucleo stesso, a differenza delle reazioni chimiche, che riorganizzano soprattutto gli elettroni.

Un nucleo instabile non ha bisogno di un innesco chimico per decadere. Può trasformarsi spontaneamente in un nucleo più stabile o in uno stato nucleare più stabile. La radiazione emessa porta via energia, particelle o entrambe.

Spiegazione della radiazione alfa, beta e gamma

Radiazione alfa

Una particella alfa è un nucleo di elio: 2 protoni e 2 neutroni. Quando un nucleo emette una particella alfa, il suo numero di massa diminuisce di $4$ e il suo numero atomico diminuisce di $2$.

La radiazione alfa è fortemente ionizzante ed è di solito la più facile delle tre da arrestare dall’esterno. Un foglio di carta o lo strato esterno di pelle morta spesso possono fermarla, anche se un materiale che emette alfa all’interno del corpo rappresenta un problema di sicurezza diverso.

Radiazione beta

La radiazione beta deriva da un cambiamento nel nucleo che modifica l’equilibrio tra protoni e neutroni. Nel decadimento beta meno, un neutrone nel nucleo si trasforma in un protone e il decadimento emette un elettrone. Nel decadimento beta più, un protone si trasforma in un neutrone e il decadimento emette un positrone.

Rispetto alla radiazione alfa, la radiazione beta di solito penetra più in profondità, ma è comunque molto meno penetrante dei raggi gamma. La schermatura necessaria dipende dall’energia beta e dal materiale usato.

Radiazione gamma

La radiazione gamma non è una particella con massa e carica come alfa o beta. È radiazione elettromagnetica ad alta energia rilasciata quando un nucleo perde energia in eccesso, spesso dopo che è già avvenuto un altro processo nucleare.

I raggi gamma sono in genere più penetranti della radiazione alfa o beta, ed è per questo che si usano spesso materiali schermanti densi. La parola "in genere" è importante, perché la penetrazione dipende comunque dall’energia dei raggi gamma e dal materiale schermante.

Alfa vs beta vs gamma: un confronto rapido

Tipo	Che cos’è	Effetto nucleare tipico	Penetrazione generale
Alfa	Nucleo di elio	Il numero di massa diminuisce di $4$ e il numero atomico di $2$	La più bassa delle tre
Beta	Elettrone o positrone da una trasformazione nucleare	Il numero atomico cambia di $+1$ nel beta meno o di $-1$ nel beta più	Intermedia
Gamma	Fotone ad alta energia	Di solito rilascia energia nucleare in eccesso senza cambiare numero di massa o numero atomico	La più alta delle tre

Come funziona l’emivita

L’emivita è il tempo necessario perché il numero di nuclei non decaduti in un campione si riduca alla metà del valore attuale. Per un dato isotopo, nel modello usuale di decadimento, il campione continua a dimezzarsi a intervalli di tempo uguali:

$$N(t) = N_0 \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$$

Qui $N_0$ è la quantità iniziale, $N(t)$ è la quantità rimasta dopo il tempo $t$, e $T_{1/2}$ è l’emivita.

Questo non significa che ogni atomo aspetti esattamente un’emivita e poi decada. L’emivita descrive il comportamento medio di una grande collezione di atomi dello stesso isotopo.

Esempio svolto: un calcolo di emivita che si capisce davvero

Supponiamo che un campione radioattivo inizi con $160$ nuclei non decaduti in un modello semplificato e che l’isotopo abbia un’emivita di $6$ ore. Quanto ne rimane dopo $18$ ore?

Poiché $18$ ore corrispondono a

$$\frac{18}{6} = 3$$

emivite, il campione si dimezza tre volte:

$$160 \to 80 \to 40 \to 20$$

Usando la formula si ottiene lo stesso risultato:

$$N(18) = 160 \left(\frac{1}{2}\right)^{18/6} = 160 \left(\frac{1}{2}\right)^3 = 20$$

Quindi, dopo $18$ ore, nel modello rimangono $20$ nuclei non decaduti.

Il passaggio chiave è contare prima le emivite. Una volta che sai che $18$ ore corrispondono a $3$ emivite, il resto è un dimezzamento ripetuto.

Errori comuni sulla radioattività e sull’emivita

Trattare alfa, beta e gamma come se fossero la stessa cosa

Sono tutte forme di radiazione, ma non sono identiche. Alfa e beta sono particelle. Gamma è radiazione elettromagnetica.

Pensare che i raggi gamma cambino sempre l’elemento

L’emissione gamma avviene spesso quando un nucleo passa da uno stato a energia più alta a uno stato a energia più bassa. In quel caso, il nucleo può perdere energia senza cambiare il suo numero atomico o il suo numero di massa.

Supporre che l’emivita predica esattamente il decadimento di un atomo

Non è così. L’emivita è una legge statistica per molti atomi dello stesso isotopo.

Dire che un tipo è "pericoloso" senza contesto

Il rischio dipende dall’isotopo, dall’attività, dalla distanza, dal tempo di esposizione, dalla schermatura e dal fatto che la sorgente sia esterna o interna al corpo. Una semplice classifica senza contesto può essere fuorviante.

Dove si usa la radioattività

La radioattività è importante nella medicina nucleare, nel trattamento dei tumori, nei rilevatori di fumo, nella datazione radiometrica, nei controlli industriali e negli esperimenti di fisica nucleare. In ogni caso, la domanda utile non è solo "è presente radiazione?", ma anche di che tipo sia, quanta ce ne sia e come interagisca con la materia.

Prova un problema simile sull’emivita

Modifica l’esempio usando una quantità iniziale di $320$ con la stessa emivita di $6$ ore, oppure mantieni $160$ e cambia il tempo a $24$ ore. Se vuoi svolgere passo dopo passo un altro problema di decadimento, prova un esercizio simile in GPAI Solver.