Catena di decadimento

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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.

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. [1][2]

Tipi[modifica | modifica wikitesto]

Diagramma che illustra le catene di decadimento radioattivo degli elementi transuranici naturali. Le quattro catene di decadimento sono quelle del torio (in blu); del radio (in rosso); dell'attinio (in verde) e del nettunio (in viola).

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; anche il precursore 244Pu è stato trovato in minime dosi sulla terra[3]. 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.

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[modifica | modifica wikitesto]

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[modifica | modifica wikitesto]

La catena 4n del Th-232 è comunemente chiamata “serie del torio”.

nuclide nome storico (abbrev.) nome storico (completo) tipo di decadimento emivita energia rilasciata, MeV prodotto 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 2.252
6.208
212Po
208Tl
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 (anche conosciuta come serie dell'uranio)[modifica | modifica wikitesto]

La catena 4n+2 dell'U-238 è comunemente chiamata "serie del radio" (talvolta "serie dell'uranio").

nuclide nome storico (abbrev.) nome storico (completo) tipo di decadimento emivita energia rilasciata, MeV prodotto 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 6.115
0.265
214Pb
218At
218At α 99.90 %
β- 0.10 %
1.5 s 6.874
2.883
214Bi
218Rn
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 3.272
5.617
214Po
210Tl
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 1.426
5.982
210Po
206Tl
210Po RaF Radium F α 138.376 d 5.407 206Pb
206Tl β- 4.199 min 1.533 206Pb
206Pb - stabile - -

Serie dell'attinio[modifica | modifica wikitesto]

La catena 4n+3 del U-235 è comunemente chiamata “serie dell'attinio”.

nuclide nome storico (abbrev.) nome storico (completo) tipo di decadimento emivita energia rilasciata, MeV prodotto 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 0.045
5.042
227Th
223Fr


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 7.527
0.715
211Pb
215At
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 6.751
0.575
207Tl
211Po
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[modifica | modifica wikitesto]

La catena 4n+1:

nuclide tipo di decadimento emivita energia rilasciata, MeV prodotto 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[modifica | modifica wikitesto]

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:

Nuclide Emivita
99Y 1.470(7) s
99Zr 2.1(1) s
99Nb 15.0(2) s
99Mo 2.7489(6) d
99Tc 2.111(12)E+5 a
99Ru Stabile
Nuclide Emivita
135I 6.57(2) h
135Xe 9.14(2) h
135Cs 2.3(3)E+6 a
135Ba Stabile

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) www.epa.gov/radon
  2. ^ Rischio radon in Italia, 3.000 casi l'anno di tumore polmonare. Un possibile aiuto dalla dieta
  3. ^ D.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

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • C.M. Lederer, J.M. Hollander, I. Perlman, Table of Isotopes, 6th ed., Wiley & Sons, New York 1968.
  • G.Pfenning et al., Karlsruher Nuklidkarte, December 1998.

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