Una curiosità della Natura e un emettitore beta molto longevo
Il metodo potassio-argon è frequentemente utilizzato per datare le colate laviche la cui età è compresa tra un milione e un miliardo di anni. Quando un atomo di potassio 40 decade in argon 40, l’atomo di argon prodotto è intrappolato dalla struttura cristallina della lava. Può uscire solo quando la roccia è allo stato fuso, e così la quantità di argon fossilizzato presente nella lava permette agli scienziati di datare l’età della solidificazione.
DRIl potassio 40 è un radioisotopo che si trova in tracce nel potassio naturale, è all’origine di più della metà dell’attività del corpo umano: subendo tra 4 e 5.000 decadimenti ogni secondo per un uomo di 80 kg. Insieme all’uranio e al torio, il potassio contribuisce alla radioattività naturale delle rocce e quindi al calore della Terra.
Questo isotopo costituisce un decimillesimo del potassio presente in natura. In termini di peso atomico, si trova tra due isotopi più stabili e molto più abbondanti (potassio 39 e potassio 41) che costituiscono rispettivamente il 93,25% e il 6,73% della fornitura totale di potassio della Terra. Con un tempo di dimezzamento di 1.251 miliardi di anni, il potassio 40 esisteva nei resti di stelle morte il cui agglomerato ha portato al sistema solare con i suoi pianeti.
Lo schema di decadimento del potassio-40 è insolito. L’energia di massa dell’atomo è superiore a quella dei suoi due vicini nella famiglia degli atomi con 40 nucleoni nel loro nucleo: Argon-40 con un protone in meno e calcio-40 con un protone in più. Il potassio-40 ha due canali di decadimento aperti. Il canale di decadimento beta-minus che porta a calcio_40 è di gran lunga il più frequente, ma i decadimenti che portano ad argon-40 per cattura elettronica avvengono ad un tasso dell’11%. Notevole è anche il tempo di dimezzamento molto lungo di 1,251 miliardi di anni, eccezionale per un decadimento beta. Questo si spiega con un grande salto nella rotazione interna (o spin) del nucleo durante il decadimento, che quasi vieta la transizione particolarmente difficile, rendendola quindi estremamente lenta.
IN2P3Il potassio 40 ha l’insolita proprietà di decadere in due nuclei diversi: nell’89% dei casi il decadimento beta-negativo porterà al calcio 40, mentre l’11% delle volte l’argon 40 si formerà per cattura elettronica seguita da emissione gamma ad un’energia di 1.46 MeV
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Questo raggio gamma di 1,46 MeV è importante, perché ci permette di identificare quando il potassio 40 decade. Gli elettroni beta che portano al calcio, tuttavia, non sono accompagnati da raggi gamma, non hanno energie caratteristiche e raramente escono dalle rocce o dai corpi che contengono potassio 40.
Il decadimento beta-minus indica un nucleo con troppi neutroni, la cattura degli elettroni un nucleo con troppi protoni. Come può il potassio 40 avere contemporaneamente troppi di entrambi? La risposta rivela una delle particolarità delle forze nucleari.
La cattura di elettroni che fa trasformare il potassio 40 in argon 40 nel suo stato fondamentale avviene solo nello 0,04% dei casi. Molto più frequentemente (10,68% delle volte), una cattura indiretta porta ad un atomo di argon eccitato che deve ritornare al suo stato fondamentale emettendo un raggio gamma ad un’energia di 1,46 MeV. Senza questo raggio gamma caratteristico, sarebbe impossibile rilevare e identificare il decadimento del potassio 40. I neutrini emessi in queste catture sfidano la rilevazione. Gli elettroni beta del decadimento in potassio 40 (89,3% del tempo) non sono accompagnati da raggi gamma, e sono generalmente assorbiti nel mezzo in cui si trovano.
IN2P3I nuclei stabili si trovano in fondo alla cosiddetta “valle di stabilità”, un concetto che aiuta a determinare se un nucleo è radioattivo o no. Il potassio 40 dovrebbe trovarsi in fondo a questa valle e dovrebbe essere il più stabile dei nuclei contenenti 40 nucleoni. La sua energia di massa (o energia interna), tuttavia, è in realtà maggiore di quella dei suoi vicini – calcio 40 e argon 40. Questa differenza è sufficiente a rendere il potassio 40 instabile. La ragione di ciò è che i protoni, come i neutroni, amano esistere in coppia in un nucleo. Il potassio 40 contiene un numero dispari di entrambi – 19 protoni e 21 neutroni. Di conseguenza ha un protone celibe e un neutrone celibe. Sia nell’argon 40 che nel calcio 40, tuttavia, il numero di protoni e neutroni sono pari, garantendo loro quella stabilità extra.
Il decadimento molto lento del potassio 40 in argon è molto utile per datare le rocce, come la lava, la cui età è compresa tra un milione e un miliardo di anni. Il decadimento del potassio in argon produce un atomo gassoso che è intrappolato al momento della cristallizzazione della lava. L’atomo può uscire quando la lava è ancora liquida, ma non dopo la solidificazione. In quel momento, la roccia contiene una certa quantità di potassio ma nessun argon. Con il tempo e le disintegrazioni del potassio 40, gli atomi di argon gassosi si accumulano molto lentamente nella lava dove sono intrappolati. Misurare la quantità di argon 40 formatasi dalla solidificazione della lava permette di misurare con precisione l’età della roccia.
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Radioattività Beta (β)
Cattura di elettroni
Radioattività naturale
Esposizione interna