Energia e origine dei raggi gamma

Un lampo di raggi gamma

I raggi gamma vengono generati dalla cessione di energia da parte del radionuclide dopo ad esempio l'emissione di un raggio beta oppure di un raggio alfa. Da dove viene l'energia in più che acquista il nucleo dopo l'emissione? è forse dovuta al rinculo? è vero che anche il nucleo presenta degli stati energetici quantizzati come le orbite degli elettroni?

Simona Capparella
12 aprile 2007

La domanda, così come scritta, presenta alcune inesattezze. Vediamo dunque di chiarire la situazione, e per questo viene comodo partire dal fondo, e cioè dai livelli energetici. Come giustamente dice la lettrice, anche per i nuclei atomici, come per gli atomi, esistono i livelli energetici. Ogni nucleo può apparire in diversi stati, ciascuno caratterizzato da una ben definita energia. La situazione è più complicata per i nuclei che per gli atomi, per le seguenti ragioni:

  1. nei nuclei esistono due tipi di particelle, protoni e neutroni, mentre negli atomi i livelli energetici sono in larga misura determinati dallo stato dei soli elettroni; in conseguenza di questo, per gli stati nucleari c'è più varietà;
  2. mentre per l'atomo sono le forze elettromagnetiche a determinare gli stati energetici, nel nucleo agisce prevalentemente la cosiddetta interazione nucleare forte, che ha un comportamento più complesso e produce una serie di livelli più ricca;
  3. esiste infine una seconda forza nucleare, detta forza nucleare debole, che permette di transire da un livello energetico ad un altro seguendo "percorsi" che sarebbero proibiti in presenza della sola interazione forte.

Premesso tutto questo, da un punto di vista concettuale non c'è molta differenza tra i livelli energetici atomici ed quelli nucleari.

Arriviamo dunque alla seconda parte della risposta. Ogni livello nucleare è caratterizzato da una specifica e ben determinata energia. Se esiste un livello con energia più piccola, di principio è possibile che il nucleo effettui una transizione verso questo livello, rilasciando l'energia in eccesso. Questa energia può essere emessa in diversi modi, e i principali sono quelli elencati dalla lettrice: radiazioni alfa, beta e gamma. In tutte e tre i casi si tratta di particelle espulse dal nucleo; i raggi alfa sono nuclei di elio, i raggi beta sono elettroni o positroni (accompagnati da invisibili neutrini), e i raggi gamma sono fotoni. Nel primo caso, il nucleo perde una frazione significativa della propria massa (cambia infatti il numero totale dei protoni e neutroni che lo compongono) mentre negli altri la perdita di massa è molto piccola (il numero totale di neutroni e protoni non cambia). A volte questi decadimenti avvengono in sequenza (per esempio un nucleo può subire un decadimento alpha per poi "risistemarsi" ulteriormente con un decadimento beta o gamma), ma di principio ciascun processo può avvenire indipendentemente dagli altri.

A questo punto, siamo vicini alla fine della risposta: quando un nucleo decade, non guadagna energia, ma la perde. Questa energia viene trasportata via dalla particella alfa, o beta, o gamma, ed era inizialmente "immagazzinata" nello stato energetico in cui si trovava il nucleo. Il nucleo, se mai, può guadagnare energia cinetica a causa del rinculo che subisce emettendo la particella di decadimento. Nel caso delle emissioni beta o gamma, questa energia di rinculo è comunque molto piccola.

Daniele Malesani Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, København Universitet, Danimarca

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