Serie radioattiva
Una lunga stirpe radioattiva
Questo diagramma traccia il percorso su una mappa del nucleo della catena di decadimento dell’uranio 238. I decadimenti alfa fanno diminuire il numero di protoni e neutroni di 2, mentre il decadimento beta-negativo diminuisce il numero di neutroni di 1 e aumenta il numero di protoni di 1. L’instabilità causata dal decadimento alfa viene corretta dall’eventuale decadimento beta, portando al nucleo stabile del piombo 206, con i suoi 82 protoni e 124 neutroni.
IN2P3Un certo numero di nuclei radioattivi naturali sono ancora presenti sulla Terra, anche se la loro emivita è particolarmente breve rispetto all’età del nostro pianeta. Questi radioisotopi sono i discendenti di tre nuclei pesanti con emivite molto lunghe: l’uranio 235 (con un’emivita di 0,7 miliardi di anni), l’uranio 238 (che vive per 4,47 miliardi di anni) e il torio 232 (con un’emivita di 14,0 miliardi di anni).
Questi tre “patriarchi”, per estendere la metafora della famiglia radioattiva, erano tutti presenti nella protostella: la nube che si è poi condensata per formare il nostro Sole, la Terra e i pianeti. Ognuno dei tre è l’antenato di una famiglia distinta di elementi radioattivi naturali, forse il più importante dei quali è quello dell’uranio 238.
Un nucleo di uranio 238 decade per emissione alfa per formare un nucleo figlio, il torio 234. Questo torio a sua volta si trasforma in protoattinio 234, e poi subisce un decadimento beta-negativo per produrre l’uranio 234. Quest’ultimo isotopo si trasforma lentamente (con un tempo di dimezzamento di 245.000 anni) in torio 230, un altro nucleo instabile. Questo avviene alla quattordicesima generazione della famiglia dell’uranio 238, quando il piombo 206 viene finalmente prodotto. Le altre due famiglie, quelle formate dall’uranio 235 e dal torio 232, terminano rispettivamente con la creazione del piombo 207 e del piombo 208, altri due isotopi stabili del piombo.
Linea radioattiva semplificata di uranio 238. I decadimenti consecutivi con emivite drasticamente diverse cambiano la struttura di base del nucleo e quindi dell’atomo. Il numero totale di nucleoni scende di 4 quando il nucleo emette una particella alfa e non cambia quando avviene l’emissione beta negativa.
IN2P3Le emivite sono tutte estremamente variabili, ed è difficile rappresentare una gamma di tempi che vanno da singoli secondi a miliardi di anni. In questo senso il percorso di un nucleo assomiglia al flusso dell’acqua su montagne e pianure: torrenziale in un punto e pigramente tortuoso in un altro.
Come è normale per i nuclei più pesanti, il decadimento alfa è particolarmente comune in tutte e tre le catene di decadimento. Con ogni emissione che causa una perdita di due protoni e due neutroni, tuttavia, il rapporto neutroni/protoni aumenta man mano che si scende lungo l’albero genealogico. Di conseguenza, il decadimento beta è necessario per pareggiare l’equilibrio. Nella stirpe dell’Uranio-238 per esempio, il primo decadimento alfa è seguito da due successivi decadimenti beta che trasformano un nucleo di torio 234 in uranio 234.
Il decadimento alfa causa una perdita di quattro nucleoni, mentre il decadimento beta non ha alcun effetto sul numero di nucleoni presenti. Questo è il motivo per cui i nuclei discendenti hanno sempre un multiplo di quattro nucleoni in meno dei loro antenati: come si può vedere con l’uranio 238.
Percorso di un nucleo di uranio-238 discendente sulla mappa dei nuclidi che mostra la valle di stabilità. Lungo questo percorso, le emissioni alfa diminuiscono le dimensioni del nucleo, le emissioni beta correggono i neutroni in eccesso. Ci vorranno miliardi di anni perché un nucleo di uranio-238 raggiunga il terminale, un nucleo stabile di piombo-206.
CEA-IRFUI membri della famiglia dell’uranio 238, quindi, hanno 4n+2 nucleoni, mentre la famiglia dell’uranio 235 ha 4n+3 e quella del torio 232 ha 4n nucleoni. In linea di principio, la quarta famiglia (4n+1) dovrebbe esistere, ma il suo antenato, il nettunio 237, ha un’emivita relativamente “breve” di 2,14 milioni di anni. Di conseguenza, questa famiglia ha avuto tutto il tempo di scomparire dalla nucleosintesi del nettunio 237 nei nuclei delle stelle che hanno preceduto il nostro Sole.
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