Decadimento beta

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Processi nucleari
Decadimento radioattivo Decadimento alfa particella alfa Decadimento beta particella beta Raggi gamma fotone Emissione di neutroni Emissione di protoni Fissione spontanea Processo tre alfa
Nucleosintesi Cattura di neutroni processo R processo S Cattura di protoni: processo P
Fisica
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Il decadimento β è uno dei processi per cui nuclei instabili (e dunque radioattivi) si trasformano in altri nuclei di atomi che possono a loro volta essere radioattivi oppure stabili. In natura i nuclei sono all'interno degli atomi e questo processo causa la trasformazione dell'intero atomo da un elemento chimico ad un altro.

Più precisamente, il decadimento beta avviene tramite la trasformazione di un neutrone in una coppia protone-elettrone più un antineutrino elettronico. Il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono espulse (emesse). Esempio di questo è il decadimento dell'isotopo cobalto-60 (instabile) nell'isotopo nichel-60 (stabile), che segue questo schema:

${}^{60}_{27}\hbox{Co}\rightarrow {}^{60}_{28}\hbox{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e$

Dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, quando Marie Curie osservò per la prima volta questo tipo di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu Enrico Fermi che, seguendo un'idea di Wolfgang Pauli, introdusse l'idea del neutrino per risolvere un'apparente contraddizione fra i risultati sperimentali ed il principio di conservazione dell'energia.

Indice

1 Cenni storici
2 Cenni teorici
3 Stima della rapidità di decadimento e della costante d'accoppiamento debole
4 Voci correlate

[modifica] Cenni storici

Negli anni successivi alla scoperta della radioattività è stato osservato un diverso comportamento delle particelle emesse dalle sostanze radioattive durante il decadimento. In molti casi gli strumenti di rivelazione mostravano la presenza di tracce simili a scie: quando era applicato un campo magnetico, le tracce provenienti da alcune sostanze radioattive avevano la curvatura rivolta verso un lato, altre avevano una curvatura rivolta nel verso opposto alle prime. Ai raggi associati alle tracce deviate da una parte è stato convenzionalmente dato il nome di raggi alfa (oggi si utilizza più comunemente il termine radiazione alfa parlando delle particelle emesse in questo caso e dei loro effetti), a quelli le cui tracce erano deviate dall'altra parte quello di raggi beta (oggi radiazione beta); ai rimanenti, il nome di raggi gamma (oggi radiazione gamma). La natura delle particelle emesse e dei decadimenti è radicalmente diversa nei tre casi. La scoperta dei processi che avvengono all'interno del nucleo per dar luogo a questi decadimenti ha richiesto notevoli ricerche agli inizi del ventesimo secolo. Queste ricerche hanno portato alla conoscenza del fatto che la scia emessa nel caso dei raggi beta è dovuta al fatto che viene emesso un elettrone nel corso del decadimento beta. Il motivo per cui i tre tipi di raggi sono deviati in modo diverso dipende dalla diversa carica elettrica che hanno le perticelle emesse: positive (si tratta di particelle alfa) nel caso decadimento alfa, negative (elettroni) nel caso del decadimento beta e neutro (si tratta di fotoni) nel caso del decadimento gamma.

Lo studio sul decadimento Beta fu realizzato da Enrico Fermi.

Oggi i decadimenti (e le radiazioni) vengono classificati come beta (β) non più in base alla carica negativa della particella emessa bensì in base al particolare tipo di processo nucleare che avviene tramite interazione debole.

Normalmente il neutrone coinvolto si trova in un nucleo di un atomo e quello che si verifica, oltre alla emissione delle due particelle, è che l'atomo si trasforma in quello di un altro elemento (in quello con numero atomico (Z) successivo). La somma dei protoni e dei neutroni (A) all'interno del nucleo rimane invariata.

A questo decadimento, per distinguerlo con quello descritto appena qui sotto, ci si riferisce con il nome di decadimento beta meno (β^-) (si parla di meno perché l'elettrone emesso ha carica negativa)

Tuttavia viene osservato anche il seguente decadimento:

$p \rightarrow n + e^+ + \nu$

in cui un protone legato si trasforma in un neutrone legato, un positrone ed un neutrino. Il positrone, che è l'antiparticella dell'elettrone ha carica positiva, pertanto questo decadimento viene indicato con il termine beta più (β⁺). È importante sottolineare che il decadimento beta più può avvenire, per motivi cinematici (conservazione dell'energia), solo per nucleoni legati.

Un altro processo correlato, anche se non si tratta di decadimento, ma di cattura è

$p + e^- \rightarrow n + \nu$

chiamato cattura elettronica. Per certi versi quest'ultimo processo è del tutto simile a quello del decadimento beta più.

Nel seguito per semplicità si parlerà solo del decadimento beta meno (che è quello molto più frequente rispetto agli altri, a tal punto che spesso ci riferisce a questo con il solo nome di decadimento beta). Tuttavia gli stessi ragionamenti, con le dovute modifiche, valgono anche nel caso del decadimento beta più e in alcuni casi anche per la cattura elettronica.

[modifica] Cenni teorici

Il problema è abbastanza complesso e si cercherà di trattarlo in maniera qualitativa. Il decadimento che si osserva è quello del neutrone, che apparentemente decade in un protone ed in un elettrone:

n → p + e^-

In questo caso, lo spettro dell'elettrone uscente dovrebbe essere una riga, poiché

m_ec² (0,5 MeV) << m_pc² (938,3 MeV) circa m_nc² (939,6 MeV)

Supponendo che il neutrone sia fermo, si può ragionevolmente ritenere che anche il protone creato sia immobile, quindi l'unica particella a muoversi è l'elettrone. Quindi, per la conservazione dell'energia si ha:

m_nc² = E_p + E_e

con

$E_p = \sqrt {m_p^2 c^4 + p_p^2 c^2}$

$E_e = \sqrt {m_e^2 c^4 + p_e^2 c^2}$

Trascurando il rinculo del protone si ha:

$m_n c^2 \sim m_p c^2 + \sqrt {m_e^2 c^4 + p_e^2 c^2}$

dove l'unica incognita è l'impulso dell'elettrone e quindi lo spettro risulta una riga (in pratica si sarebbe dovuto osservare un picco).

Sperimentalmente, però, si osserva qualcosa di diverso: uno spettro completo che parte da 0 per salire, raggiungere un massimo e quindi ritornare ad annullarsi in corrispondenza di un valore massimo che è circa 5 volte e mezza la massa dell'elettrone.

Spettro del decadimento beta

Questo risultato portò enorme scompiglio nella comunità scientifica, e il primo a trovare una motivazione fu Bohr, che suggerì la presenza di una violazione nella conservazione dell'energia. In realtà sia Fermi, sia Pauli supponevano che il decadimento non fosse a due corpi, come osservato, ma a tre: ovvero i prodotti della reazione ci fosse una terza particella, piccolissima, di carica neutra e non rilevabile con le strumentazioni usuali: il neutrino.

La reazione, allora, deve essere corretta nel modo seguente:

$n \rightarrow p + e^- + \bar \nu$

mentre la conservazione dell'energia diventa:

$m_n c^2 \sim m_p c^2 + \sqrt {m_e^2 c^4 + p_e^2 c^2} + p_\nu c$

dove si trascura la massa del neutrino.

Appare evidente come, in questo caso, le variabili siano due e viene pertanto ovviamente spiegato lo spettro osservato come di un processo a tre e non a due corpi. Tra l'altro, ponendo nullo l'impulso del neutrino, si riesce a calcolare l'impulso massimo dell'elettrone che risulta consistente con il valore sperimentalmente trovato.

Il decadimento β è esotermico: avviene, cioè, spontaneamente, senza necessità di energia esterna per attivarsi. La vita media del neutrone è τ_n=887 s, e, ovviamente, si riferisce al neutrone libero: esso, infatti, all'interno del nucleo atomico, è assolutamente stabile.

[modifica] Stima della rapidità di decadimento e della costante d'accoppiamento debole

Il numero di elettroni che si misurano nel decadimento β può essere teoricamente stimato calcolando la rapidità del decadimento stesso. Si parte dalla regola d'oro di Fermi:

$w_{i \rightarrow f} = \frac {2\pi}{\hbar} \left | \langle i | V | f \rangle \right |^2 \delta \left ( E_f - E_i \right )$

dove E_f è l'energia finale ed E_i quella iniziale, mentre h è la costante di Planck.

L'elemento di matrice per l'interazione debole, posto g_β il potenziale, è:

$\langle i | V | f \rangle \cong g_\beta \int_V \operatorname d^3 r \bar {u}_n (r) u_p (r) \frac {\operatorname e^{i \frac {p_e \cdot r}{\hbar}}}{L^{\frac {3}{2}}} \frac {\operatorname e^{i \frac {p_\nu \cdot r}{\hbar}}}{L^{\frac {3}{2}}}$

$\cong \frac {g_\beta}{L^3} \int_V \operatorname d^3 r \bar {u}_n u_p \cong \frac {g_\beta}{L^3}$

e questo perché, poiché protoni e neutroni sono praticamente immobili e lo spazio a loro disposizione è dell'ordine del fermi, è necessario che r sia inferiore alla lunghezza d'onda Compton del protone:

$r < \frac {\hbar}{m_p c}$

e poiché l'impulso dell'elettrone è di molto inferiore alla massa del protone in energia (m_pc) è facile vedere che

$\frac {p_e r}{\hbar} << 1$

Ora, il modo migliore per stimare la costante d'accoppiamento debole, è confrontarla con quella elettromagnetica, e quindi si scriverà:

$g_\beta = f_\beta^2 \left ( \frac {\hbar}{m_p c} \right )^2$

Poiché il numero di stati finali è

$\frac {V}{(2\pi\hbar)^3} \operatorname d^3 p_e \frac {V}{(2\pi\hbar)^3} \operatorname d^3 p_\nu = \frac {V^2}{c (2\pi\hbar)^6} p_e^2 \operatorname d p_e \operatorname d \Omega_e p_\nu^2 \operatorname d E_f \operatorname \Omega_\nu$

dove c è la velocità della luce e Ω_e e Ω_ν sono gli angoli solidi rispettivamente di elettrone e neutrino uscenti.

Poiché la rapidità è definita dall'integrale della w_fi sugli stati finali

$\Gamma = \int w_{f i} \frac {V}{(2\pi\hbar)^3} \operatorname d^3 p_e \frac {V}{(2\pi\hbar)^3} \operatorname d^3 p_\nu$

il numero di elettroni rilevati sarà

$\frac {\operatorname d \Gamma}{\operatorname d p_e} = \frac {1} {(2\pi)^3} \left ( \frac {f_\beta}{\hbar c} \right )^2 \left ( \frac {m_p c^2}{\hbar} \right )^2 \frac {p_e^2 p_\nu^2}{\left (m_p c \right )^5} \sim p_e^2 \left ( \sqrt {p_{e max}^2 + m_e^2 c^2} - \sqrt {p_e^2 + m_e^2 c^2} \right )$

dove

$p_\nu = p_e^2 \left ( \sqrt {p_{e max}^2 + m_e^2 c^2} - \sqrt {p_e^2 + m_e^2 c^2} \right )$

e la funzione trovata è compatibile con lo spettro sperimentale rilevato (il calcolo, però, non è perfetto in quanto si sarebbe dovuto integrare anche sull'angolo solido, ma per questo studio qualitativo si è interessati solo a stime di ordine di grandezza).

Alla fine, comunque, la rapidità di transizione sarà una costante moltiplicata per l'integrale del prodotto degli impulsi al quadrato di elettrone e protone, valutabile come una potenza 5 della massa dell'elettrone:

$\int \operatorname d p_e p_e^2 p_\nu^2 = \left (m_e c \right )^5$

ottenendo

$\Gamma = \frac {1} {(2\pi)^3} \left ( \frac {f_\beta}{\hbar c} \right )^2 \left ( \frac {m_p c^2}{\hbar} \right )^2 \left ( \frac {m_e}{m_p} \right )^5$

In questa equazione si conosce tutto, a parte fβ, la costante d'accoppiamento debole (la rapidità, infatti, è l'inverso della vita media) e sostituendo i valori di tutte le costanti si ottiene:

$\frac {f_\beta}{\hbar c} = 10^{-5}$