Sull'energia nucleare e la radioattività

All’interno di un nucleo agisce, come abbiamo visto, la forza coulombiana repulsiva tra i protoni in competizione con la forza nucleare forte che è attrattiva. La forza coulombiana ha un raggio d’azione maggiore di quello della forza nucleare forte. Per i nuclei pesanti, aumentando il numero di protoni e il raggio del nucleo, la forza coulombiana diventa più significativa rispetto a quella nucleare. Quando diventa maggiore di quella nucleare con un margine sufficiente, il nucleo può subire la fissione nucleare oppure, per i nuclei che si trovano nello stato fondamentale, può accadere il decadimento con emissione alfa.
Lo stato fondamentale di un atomo è lo stato a minor contenuto energetico, e corrisponde alla configurazione elettronica che si può scrivere seguendo l’ordine di riempimento degli orbitali atomici dettato da un procedimento noto in chimica come regola della diagonale (un metodo grafico per ricavare l’ordine di riempimento degli orbitali atomici).
Intuitivamente si può immaginare che gli elettroni seguano gli orbitali il più possibile vicini al nucleo. Fornendo energia all’atomo, se questa energia supera un certo livello minimo, uno o più elettroni possono spostarsi su orbitali più lontani del nucleo, orbitali a contenuto energetico maggiore e parleremo di stato eccitato.

Il decadimento alfa e gli altri decadimenti avvengono portando ad uno stato finale con massa totale inferiore alla massa dello stato iniziale. A questa variazione di massa corrisponde un’emissione di energia. Le particelle alfa emesse hanno energia compresa tra 4 e 8 MeV. Un tipico esempio di decadimento alfa è quello dell’Uranio-238 [...]

Partendo da un atomo di Uranio-238 (92 protoni, 146 neutroni) abbiamo l’emissione di una particella alfa, ovvero un nucleo di Elio contenente due protoni e due neutroni. Questo Uranio con numero atomico 92 e decade in Torio di numero atomico 90 tramite la perdita di due protoni. Naturalmente il numero di massa scende di 4 e quindi questo Torio avrà numero di massa 234. Si noti quindi che in queste reazioni di decadimento la somma dei numeri di massa a sinistra e a destra della freccia deve conservarsi.In questi decadimenti viene sempre conservata la carica elettrica ed il numero globale di nucleoni (P e N). L’energia delle particelle alfa emesse è discreta, ovvero non può assumere qualsiasi valore. Nel decadimento dell’Uranio-238 il 77% delle particelle alfa è emesso con energia cinetica di 4.2 MeV mentre il restante 23% con energia di 4,15 MeV. [...]