Emivita (fisica)

Tavola periodica colorata in base alla radioattività dell'isotopo maggiormente stabile.
     Elemento con almeno un isotopo stabile

     Elemento radioattivo con isotopi che possiedono tempi di dimezzamento molto lunghi. Emivita di oltre un milione di anni, radioattività nulla o trascurabile

     Elemento radioattivo con isotopi che possono causare modesti pericoli per la salute. Emivita fra 800 e 34 000 anni, radioattività paragonabile con i livelli naturali

     Elemento radioattivo con isotopi che possono causare elevati pericoli per la salute. Emivita compresa fra 1 giorno e 103 anni, livelli di radioattività pericolosi

     Elemento con isotopi altamente radioattivi, emivita fra svariati minuti ed un giorno

     Elemento con isotopi estremamente radioattivi, l'isotopo più stabile ha un'emivita inferiore ad alcuni minuti. La conoscenza di questi elementi è molto limitata a causa della loro estrema instabilità e alta radioattività.

In ambito di fisica nucleare, l'emivita o tempo di dimezzamento è il periodo di tempo occorrente affinché una data quantità di un elemento radioattivo, o comunque di particelle soggette a decadimento, si riduca alla metà della quantità iniziale: trascorso questo lasso di tempo, metà degli atomi (o particelle) radioattivi inizialmente presenti saranno decaduti e metà resteranno ancora intatti.^[1]

Tale quantità, indicata con T_1/2, è un tempo caratteristico del processo di decadimento e dipende solo dalla natura della specie radioattiva e la caratterizza: per questo viene usata per descrivere la rapidità del processo di decadimento di quella specie. A tale scopo si può usare indifferentemente anche la vita media, indicata con la lettera greca τ, o con T_1/e, che è una quantità ad essa proporzionale (T_1/2 = τ · ln2)^[2] e corrisponde infatti al periodo richiesto perché un campione puro si riduca ad una quantità pari a 1/e di quella iniziale: circa il 36,8%; il suo inverso è la costante di decadimento, indicata con λ: λ = 1/τ.^[3]

L'emivita di qualsiasi specie radioattiva, atomica o particellare, non dipende dalla quantità iniziale,^[4]^[5] in quanto in natura il processo di decadimento è descritto dalla funzione matematica nota come andamento esponenziale negativo:^[6] si tratta cioè di una cinetica del primo ordine, che ricorre anche in chimica (leggi cinetiche del primo ordine) e in diversi altri ambiti delle scienze naturali.^[7]

L'emivita è un indice, seppure grossolano,^[8]^[9] della stabilità di un isotopo: più breve è l'emivita, meno stabile è l'atomo. Il decadimento di un atomo viene detto spontaneo in quanto è un fenomeno che avviene naturalmente. Trattasi di un evento stocastico, per cui non si può predire quando un determinato atomo decadrà, ma è possibile determinare la probabilità di decadimento, di cui l'emivita è espressione.

Descrizione

Tutti gli atomi di una data sostanza radioattiva hanno la stessa probabilità di disintegrarsi in un dato lasso di tempo, di modo che un campione apprezzabile di materiale radioattivo, contenente milioni di atomi, subisca un cambiamento o una disintegrazione, con un tasso costante. Questo tasso con cui il materiale si trasforma è espresso in termini di emivita e cioè come il tempo richiesto per la disintegrazione di metà degli atomi inizialmente presenti. Questo tempo è costante per ogni dato isotopo.

L'emivita dei materiali radioattivi varia da frazioni di secondo per i più instabili, fino a miliardi di anni per quelli che sono solo leggermente instabili. Il decadimento si dice avvenga da un nucleo genitore che produce un nucleo figlio. Il decadimento può produrre particelle alfa, particelle beta e neutrini. Raggi gamma possono essere prodotti al termine della diseccitazione del nucleo, ma questo avviene solo dopo che il decadimento alfa o beta hanno avuto luogo.

Il decadimento radioattivo dà luogo ad una perdita di massa, che viene convertita in energia (energia di decadimento) secondo la formula E = mc². Spesso il nuclide figlio è anch'esso radioattivo, e così via lungo una linea di varie generazioni successive di nuclei, fino al raggiungimento di un nucleo stabile. Nella tabella seguente sono mostrate le tre serie di decadimento riscontrabili in natura:

Elementi radioattivi naturali
Serie	Isotopo di partenza	Emivita	Isotopo stabile finale
—	carbonio-14	5 708 anni	azoto-14
—	potassio-40	1,248 miliardi di anni	argon-40
radio	uranio-238	4,47 miliardi di anni	piombo-206
attinio	uranio-235	0,704 miliardi di anni	piombo-207
torio	torio-232	14,1 miliardi di anni	piombo-208

Nota: esistono altri isotopi radioattivi naturali, come il carbonio-14, che non fanno parte di una serie.

Spiegazione matematica

Il tempo di decadimento considera la legge di decadimento elementare, che corrisponde ad un andamento nel tempo della densità di numero (in un punto del materiale) di tipo esponenziale negativo^[10]^[11]:

n(t)=n_{0}e^{-\lambda t}

dove λ è detta costante di decadimento o di disintegrazione, che dipende dal tipo di decadimento e dalla specie nucleare considerata, ma non è influenzata né da agenti fisici come la temperatura, né dalla popolazione di atomi presenti, dato che ogni decadimento è un processo indipendente^[12].

Definendo $T_{1/2}$ il tempo in cui $n_{0}$ si dimezza, si pone:

n(T_{1/2})=n_{0}e^{-\lambda \,T_{1/2}}={\frac {n_{0}}{2}}

Esplicitando $T_{1/2}$ si ottiene l'espressione del rapporto tra emivita (costante del logaritmo in base 2) e costante di decadimento (naturale: del logaritmo in base e):

T_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \,\,\ln 2

ovvero, sostituendo il valore approssimato a tre cifre significative del logaritmo naturale di 2:

T_{1/2}=69.3\%\,\,\tau

In altri termini, con buona approssimazione, la costante di decadimento (naturale) è un po' meno di una volta e mezzo il tempo di dimezzamento:

\tau \approx 1.44\,\,T_{1/2}

Note

^ Radioactive Half-Life, su hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. URL consultato il 13 luglio 2024.
^ Giorgio Bendiscioli, Fenomeni Radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-0803-8. p.8
^ Nature of radioactivity, su INFN.
^ 11.2: Half-Life, su LibreTexts.
^ (EN) Jessie A. Key and David W. Ball, Half-Life, 2014. URL consultato il 13 luglio 2024.
^ (EN) Walter D. Loveland, David J. Morrissey e Glenn T. Seaborg, Modern Nuclear Chemistry, 1ª ed., Wiley, 27 marzo 2017, DOI:10.1002/9781119348450, ISBN 978-0-470-90673-6. URL consultato il 13 luglio 2024.
^ Half-life of a first-order reaction, su Khan Academy.
^ Altri fattori concorrono a determinare l'emivita di un nuclide radioattivo, come ad esempio la differenza di spin tra nucleo genitore e nucleo figlio nel decadimento stesso.
^ Allowed and Forbidden Particle Decays, su hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. URL consultato il 14 luglio 2024.
^ Giorgio Bendiscioli, Fenomeni radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-5452-3. p. 5
^ Ugo Amaldi, Fisica delle Radiazioni, Bollati Boringhieri, 1971, ISBN 88-339-5063-8. pp. 246-248
^ Giorgio Bendiscioli, Fenomeni radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-5452-3. p. 4

Bibliografia

Giorgio Bendiscioli, Fenomeni Radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-5452-3.
Ugo Amaldi, Fisica delle Radiazioni, Bollati Boringhieri, 1971, ISBN 88-339-5063-8.

Voci correlate

Altri progetti

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Collegamenti esterni

(EN) half-life, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) IUPAC Gold Book, "half life", su goldbook.iupac.org.
(EN) IUPAC Gold Book, "half life of a radionuclide", su goldbook.iupac.org.

Portale Chimica

Portale Fisica

[1] Radioactive Half-Life, su hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. URL consultato il 13 luglio 2024.

[ref_A-2] Giorgio Bendiscioli, Fenomeni Radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-0803-8. p.8

[3] Nature of radioactivity, su INFN.

[4] 11.2: Half-Life, su LibreTexts.

[5] (EN) Jessie A. Key and David W. Ball, Half-Life, 2014. URL consultato il 13 luglio 2024.

[6] (EN) Walter D. Loveland, David J. Morrissey e Glenn T. Seaborg, Modern Nuclear Chemistry, 1ª ed., Wiley, 27 marzo 2017, DOI:10.1002/9781119348450, ISBN 978-0-470-90673-6. URL consultato il 13 luglio 2024.

[7] Half-life of a first-order reaction, su Khan Academy.

[8] Altri fattori concorrono a determinare l'emivita di un nuclide radioattivo, come ad esempio la differenza di spin tra nucleo genitore e nucleo figlio nel decadimento stesso.

[9] Allowed and Forbidden Particle Decays, su hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. URL consultato il 14 luglio 2024.

[10] Giorgio Bendiscioli, Fenomeni radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-5452-3. p. 5

[11] Ugo Amaldi, Fisica delle Radiazioni, Bollati Boringhieri, 1971, ISBN 88-339-5063-8. pp. 246-248

[12] Giorgio Bendiscioli, Fenomeni radioattivi, Springer, 2013, ISBN 978-88-470-5452-3. p. 4

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