Le particelle alfa sono particelle cariche positivamente che vengono emesse da nuclei instabili, generalmente con un numero atomico maggiore di 82 e un numero di massa maggiore di 200, durante il decadimento radioattivo. Insieme alle particelle beta, ai raggi gamma e ai neutroni, le particelle alfa sono un tipo di radiazione, detta anche radiazione alfa.
Le particelle alfa sono comunemente rappresentata dal simbolo α e sono il primo tipo di radiazione nucleare ad essere scoperto, prima delle particelle beta e dei raggi gamma. Tra il 1898 e il 1899, il fisico Ernest Rutherford, nell’ambito dei suoi studi sulla radioattività scoprì che esistevano almeno due tipi di radiazioni che chiamò alfa e beta.
La scoperta delle particelle alfa avrebbe portato alla scoperta del nucleo atomico e allo sviluppo del modello atomico di Rutherford, detto anche modello planetario secondo cui l’atomo è costituito da un nucleo centrale di dimensioni notevolmente più piccole del diametro dell’atomo dove è concentrata la carica positiva e la massa.
Proprietà delle particelle alfa
Le particelle alfa sono caratterizzate da una massa relativamente grande e da una carica positiva, che ne influenza le con la materia. Hanno un’elevata carica elettrica ma una velocità relativamente bassa pari a circa 1/20 rispetto alla velocità della luce a causa della loro grande massa.
Hanno una massa di circa 4 unità di massa atomica (uma) e una carica pari a +2 e ciò implica che hanno un basso potere di penetrazione e sono altamente ionizzanti. Poiché la particella è carica positivamente, quando interagisce con la materia si scontra con gli atomi, esercita una forza attrattiva sull’elettrone che ha carica opposta.
In alcuni casi, questa forza non è sufficiente a separare l’elettrone dall’atomo, ma l’elettrone viene elevato a uno stato di energia superiore e l’atomo viene detto eccitato mentre in altri casi la forza attrattiva è sufficiente a rimuovere l’elettrone dall’atomo con conseguente formazione di uno ione.
Decadimento alfa
Le particelle alfa, strutturalmente equivalenti al nucleo di un atomo di elio e designate dalla lettera greca α, sono composte da due protoni e due neutroni e spesso indicate come 42He dove 2 è il numero atomico e 4 è il numero di massa.
In generale, una equazione di decadimento alfa, può essere scritta come da figura:
Un esempio di decadimento alfa è dato dall’isotopo radiattivo dell’americio 241 che, a seguito dell’emissione di particelle alfa, dà luogo alla formazione di nettunio 237 secondo l’equazione:
24195 Am → 42He + 23793Np + 5.638 MeV
La perdita di due protoni e due neutroni dal nucleo di americio determina una riduzione di quattro unità del numero di massa e una riduzione di due unità del numero atomico. Un altro esempio di decadimento alfa è dato dal polonio 212 che, a seguito dell’emissione di particelle alfa, dà luogo alla formazione di piombo 208 secondo l’equazione:
21284Po → 42He + 23782 Pb + 8.954 MeV
Legge di Geiger-Nuttall
La legge di Geiger-Nuttall mette in relazione la costante di decadimento, detta anche costante di velocità, di un isotopo radioattivo con l’energia delle particelle alfa emesse ovvero gli isotopi con un basso tempo di dimezzamento emettono particelle alfa più energetiche rispetto a quelli con un tempo di dimezzamento maggiore.
I tempi di dimezzamento degli elementi pesanti che emettono particelle alfa variano di oltre 20 ordini di grandezza e vanno da circa un decimo di microsecondo fino a 10 miliardi di anni. Questo intervallo nel tempo di dimezzamento dipende fortemente dall’energia cinetica delle particelle alfa osservata che varia solo di circa un fattore due e va da circa 4 a 9 MeV.
Tale legge fu formulata dal fisico tedesco Hans Geiger conosciuto per essere uno degli inventori del componente rivelatore del contatore Geiger e dal fisico britannico John Mitchell Nuttall. La legge di Geiger-Nuttall può essere espressa matematicamente come:
dove T1/2 è il tempo di dimezzamento, E è l’energia cinetica totale, A e B sono coefficienti che dipendono dal numero atomico dell’isotopo Z. La dipendenza dall’energia cinetica dal tempo di dimezzamento suggerisce un processo esponenziale, ed è modellata dall’effetto tunnel.