Decadimento alfa

Decadimento alfa è il processo radioattivo in cui un nucleo pesante emette una particella alfa, un ammasso strettamente legato di due protoni e due neutroni, identico a un nucleo di elio-4. Il nucleo genitore perde due unità di carica e quattro unità di numero di massa, trasformandosi in un elemento diverso. L’uranio-238 che decade in torio-234 è un classico esempio.

Tunneling attraverso la barriera di Coulomb

All'interno del nucleo, la forza nucleare forte lega la particella alfa, ma all'esterno di esso la particella alfa carica positivamente viene respinta dai rimanenti protoni. Insieme creano un potenziale barriera: un muro di energia più alto dell'energia propria della particella alfa. Classicamente la particella non potrebbe mai sfuggire. La meccanica quantistica lo consente tunnel attraverso la barriera con una probabilità piccola ma diversa da zero. Il modello di tunneling di George Gamow del 1928 fu uno dei primi trionfi della teoria quantistica, spiegando perché le emivite vanno da microsecondi a miliardi di anni.

Il modello tiene conto anche del Legge Geiger-Nuttall, la stretta relazione tra il tempo di dimezzamento di un isotopo e l'energia dell'alfa emesso. Un piccolo aumento dell’energia alfa assottiglia la barriera e accorcia drasticamente il tempo di dimezzamento, di molti ordini di grandezza.

Oltre il semplice tunneling

Il semplice tunneling tratta la particella alfa come se esistesse già, completamente formata, all'interno del nucleo. I nuclei reali sono più sottili. Le descrizioni moderne aggiungono un fattore di preformazione - la probabilità che quattro nucleoni si raggruppino effettivamente in un nucleo alfa prima che possa verificarsi qualsiasi tunneling. Tengono conto anche della deformazione nucleare, della struttura del guscio e del momento angolare, che spostano i tassi di decadimento lontano dalla semplice stima di Gamow. Questi perfezionamenti spiegano perché alcuni nuclei decadono più velocemente o più lentamente di quanto il solo tunneling potrebbe prevedere, e collegano il decadimento alfa alla fisica più ampia del clustering nucleare.

Un malinteso comune

La particella alfa non guadagna energia per "scavalcare" la barriera. La sua energia totale rimane costantemente al di sotto della sommità della barriera; il tunneling è un passaggio veramente quantistico attraverso una regione classicamente proibita, non un salto termico sopra di essa. Questo è il motivo per cui i tassi di decadimento alfa sono essenzialmente indipendenti dalla temperatura e dalla pressione.