Il decadimento α è tipico dei nuclidi che hanno un numero elevato sia di protoni che di neutroni, ossia con Z > 83 e A > 220, i quali decadono emettendo soprattutto particelle α. Sono pochi, invece, i nuclei con Z < 60 che si disintegrano in questo modo. Un esempio di decadimento α è dato dal torio-232, uno dei più abbondanti elementi radioattivi della crosta terrestre e potenziale sostituto dell’uranio come fonte di energia nucleare: 

Perdendo 4 nucleoni, cioè 2 protoni e 2 neutroni, il nucleo del torio-232 si trasforma in un altro nucleo che ha numero di massa A = 228 e numero atomico Z = 88 (▶figura 2.13 ). Il nuovo nucleo corrisponde pertanto al radio. 

α decay In un decadimento α il numero atomico del nucleo di partenza diminuisce di due unità e il suo numero di massa di quattro unità.

Il nuovo nuclide risulta spostato di due posizioni indietro nella tavola periodica.    

 Il decadimento β è caratteristico dei nuclei troppo ricchi di neutroni rispetto ai protoni; tali nuclei devono aumentare il numero di protoni per stabilizzarsi, in modo da ripristinare l’equilibrio tra i due nucleoni. Essi decadono emettendo, in genere, raggi β, cioè elettroni veloci. Poiché il nucleo contiene soltanto neutroni e protoni, come può emettere elettroni? La spiegazione sta nel fatto che il neutrone, \(_{0}^{1}\textrm{n}\), quando è isolato, è instabile e può disintegrarsi spontaneamente originando un protone, \(_{1}^{1}\textrm{p}\), e una coppia di particelle, l’elettrone, \(_{-1}^{\;\;\,0}\textrm{e}\), e l’antineutrino, \(\mathrm{\bar{v}_{e}}\):

Per semplicità, trascureremo quest’ultima particella poiché, avendo massa molto più piccola dell’elettrone e carica nulla, non ha effetti sull’identità del nuovo nucleo che si forma. Gli antineutrini portano con sé soltanto energia, rendendo più stabili i nuclei da cui sono stati emessi. Come esempio consideriamo il trizio: 

Anche in questo caso (▶figura 2.14) rimane inalterato il numero totale di nucleoni (3) e la carica dovuta ai protoni (1 = 2 ‒ 1).

β decay Nel decadimento β il numero atomico del nucleo che si forma è superiore di un’unità rispetto al nucleo di partenza, mentre rimane inalterato il numero di massa.

Il nuovo nuclide risulta quindi spostato di una posizione a destra nella tavola periodica.  

Quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto ai neutroni, si può avere la trasformazione di un protone in un neutrone; essa può avvenire in due modi:

•  per emissione di un positrone, che abbiamo detto corrispondere a un elettrone con carica positiva, cioè \(_{1}^{0}\textrm{e}\); un esempio è il seguente:
  \[\mathrm{_{15}^{29} P \rightarrow\; _{14}^{29} Si +\; _1^0 e}\]
• in cui il fosforo-29 si trasforma in silicio-29 poiché diminuisce di un’unità il suo numero atomico;
•  per cattura di un elettrone tra quelli più vicini al nucleo, come accade al potassio-40 (▶figura 2.15) che si trasforma in argon-40:
  
  \[\mathrm{_{19}^{40} K\; + _{-1}^{\phantom{-}0} e \;\rightarrow\; _{18}^{40} Ar}\]

  Il potassio-40 costituisce lo 0,01% della crosta terrestre ed è il responsabile della maggior parte della radiazione di origine naturale nelle specie viventi e nel suolo.

β⁺ emission Nell’emissione β⁺ e nella cattura elettronica il numero atomico del nucleo che decade diminuisce di un’unità, mentre rimane inalterato il numero di massa.

Il nuovo nuclide risulta quindi spostato di una posizione a sinistra nella tavola periodica. La perdita di qualsiasi tipo di particelle non garantisce però che l’atomo che è decaduto diventi subito stabile. Accade che anche in seguito a uno dei decadimenti visti vi sia la possibilità di subire un altro fenomeno, che corrisponde a una perdita di energia.

Le radiazioni γ consistono di pacchetti di energia, liberati dal nucleo dopo un’emissione α o β.

γ emission Nell’emissione γ restano invariati sia il numero atomico sia il numero di massa.

Il nuclide resta nella stessa posizione nella tavola periodica.

Affinché i nuclei instabili presenti in un campione radioattivo possano tutti trasformarsi in altri più stabili è necessario un certo periodo di tempo. Il momento esatto in cui avviene il decadimento non può essere previsto da nessuna legge fisica, è un fenomeno del tutto casuale.

Tutti i processi di decadimento, però, evolvono nel tempo secondo uno stesso schema, descritto da una curva, con andamento esponenziale decrescente, detta curva di decadimento.

La sua particolarità è che a intervalli di tempo uguali corrisponde sempre la stessa percentuale di sostanza radioattiva che decade.

half – life Il tempo di dimezzamento è il tempo occorrente per ridurre alla metà la quantità di un isotopo radioattivo.

Come si nota dalla ▶figura 2.16, nell’intervallo di tempo indicato con T_1/2 si trasforma il 50% della sostanza radioattiva presente all’inizio, che si riduce quindi alla metà. Dopo un uguale intervallo di tempo, cioè in corrispondenza di 2T_1/2, la massa residua si è ridotta ancora alla metà.  

L’intervallo di tempo T_1/2 è chiamato tempo di dimezzamento: il suo valore cambia al variare del tipo di isotopo (▶tabella 2.3). 

Molto spesso il decadimento di un isotopo radioattivo non porta alla formazione di un isotopo stabile ma alla formazione di un nuovo isotopo radioattivo, che a sua volta decade; tale processo può continuare fino a quando non si forma un isotopo stabile. Questa successione di decadimenti fino alla formazione di un isotopo stabile si chiama serie di disintegrazione radioattiva (▶figura 2.17).