Decadimento Decadimento. 2 Un nucleo che si trova in uno stato eccitato può decadere nel suo stato...
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Decadimento Decadimento
2
Decadimento Decadimento Un nucleo che si trova in uno stato eccitato può decadere nel suo stato fondamentale, o in uno stato di energia più bassa mediante emissione di radiazione elettromagnetica:
Un nucleo eccitato emette fotoni quando: L’energia di eccitazione non è sufficiente a separare un
nucleone dal nucleo (circa 7-8 MeV) L’energia di eccitazione è superiore alla energia di separazione
di un nucleone ma l’emissione di un nucleone è vietata da regole di conservazione della parità o del momento angolare.
Vi sono diverse ragioni per le quali un nucleo può trovarsi in uno stato eccitato Spesso a seguito di un decadimento o il nucleo figlio non
viene creato nello stato fondamentale, ma in uno stato eccitato Transisce allo stato fondamentale tramite l’emissione di uno o più quanti Per questo non esistono puri emettitori ed esistono pochissimi emettitori puri
XX Az
Az
*
3
EsempiEsempi
NiNi
eNiCo e
60*60
*6060
BaBa
eBaCs e
137*137
*137137
4
Energia e cinematicaEnergia e cinematicaLe differenze tra i livelli di energia dei nuclei sono tipicamente comprese nell'intervallo 0.1-10 MeV. La differenza di energia si divide tra l'energia del fotone e
l'energia cinetica di rinculo del nucleo
Nella maggior parte dei casi TX<<E e quindi il rinculo è trascurabile:
quindi, per E≈ 1 MeV e 10<A<100, si ha 5 eV<TX<50 eV
Nel decadimento si conservano il momento angolare e la parità Quindi la misura delle caratteristiche della radiazione
fornisce informazioni sui livelli di energia e sullo spin e parità degli stati dei nuclei
XTEE
XX
XXXX M
E
M
PTEpPpP
220
22
5
Caratteristiche della radiazioneCaratteristiche della radiazioneLa radiazione elettromagetica può essere generata da: Una carica oscillante che causa un’oscillazione del campo
elettrico: si parla di radiazione elettrica (E) Una corrente o un momento magnetico che variano nel
tempo che dà origine a un campomagnetico oscillante: si parla in questo caso di radiazione magnetica (M)
Il campo elettromagnetico prodotto da cariche e correnti dipendenti dal tempo si può ottenere attraverso uno sviluppo in serie di multipoli caratterizzati dalla distribuzione angolare della radiazione emessa Quantisticamente i vari termini dello sviluppo in multipoli
corrispondono a diversi valori di momento angolare portato via dal fotone, caratterizzato dal numero quantico L
6
Sviluppo in serie di multipoli (1)Sviluppo in serie di multipoli (1)In elettrostatica, lo sviluppo in serie di multipoli fornisce un’approssimazione (valida a grandi distanze) del potenziale elettrico generato da un sistema di cariche elettriche Il potenziale si può pensare come scomposto nella somma dei
potenziali dovuti, nell'ordine, a una singola carica (monopolo), a un dipolo, a un quadrupolo …
Dato un sistema di n cariche q1, q2, … qn in posizioni r1,r2,…rn, il potenziale nel punto R vale:
Se R è >> di tutti gli rk, si ha:
n
k kk
kn
k k
k
RrrR
q
rR
qRV
122
01 0 cos24
1
4
1)(
...2
1cos3cos1
1...cos
2
3
2
1cos1
1
...cos28
3cos2
2
11
1cos21
1
cos2
1
2
2
22
2
2
2
2
2
2
2
2
22/1
2
2
22
R
r
R
r
RR
r
R
r
R
r
R
R
r
R
r
R
r
R
r
RR
r
R
r
RRrrR
kkkkk
kkkkkk
kk
7
Sviluppo in serie di multipoli (2)Sviluppo in serie di multipoli (2)Sostituendo lo sviluppo in serie di R- rk nell’espressione del potenziale:
Passando a una distribuzione continua di carica:
NOTA: i coefficienti dei termini della serie sono il Polinomi di Legendre Pi. Quindi, si può scrivere:
n
k
kkk
R
r
R
r
R
qRV
1
2
2
2
0
...2
1cos3cos1
4
1)(
...
2
1cos3cos1
)(
4
1)(
2
2
2
0
R
r
R
r
R
dVrRV
...
)(
4
1)( 22
2
100
PR
rP
R
rP
R
dVrRV
8
Sviluppo in serie di multipoli (3)Sviluppo in serie di multipoli (3)Il primo termine è chiamato monopolo ed è il termine classico del potenziale per una carica puntiforme
Il secondo termine ha la forma del potenziale di un dipolo elettrico:
dove si è definito il momento di dipolo della distribuzione di carica:
Il terzo termine ha la forma del potenziale generato da una distribuzione di quattro cariche equidistanti, dotate a due a due di cariche opposte (quadrupolo fondamentale)
R
dVrRV
)(
4
1)(
00
30
300
1 4
1)(
4
1cos
)(
4
1)(
R
RpdV
R
rRrdV
R
r
R
rRV
dVrrp)(
dV
R
RrRrr
R
r
R
dVrRV
5
222
0
2
2
2
02
)(3)(
4
1
2
1cos3)(
4
1)(
9
Sviluppo in serie di multipoli (4)Sviluppo in serie di multipoli (4)In realta’ lo svipuppo in multipoli e’ piu’ complesso se si tiene in mente che il dipolo e’ in realta’ un vettore, il qualdropolo un tensore…I polinomi di Legendre vengono rimpiazzati dalle armoniche sferiche Yl
m(,)
Termine l m Pl Ylm(,)
Monopolo 0 0 1
Dipolo 1 0
Quadripolo 2 02
1cos3 2
41
cos
4
3
)1cos3(16
5 2
cos
10
Emissione di onde e.m.Emissione di onde e.m.Approccio semiclassico: si calcola la potenza emessa in forma di onde elettromagnetiche da una sorgente costituta da una distribuzione non stazionaria di cariche e correnti Questa sorgente è descrivibile da un densita’ di corrente
variabile nel tempo. Facciamo i calcoli per il caso di un dipolo elettrico oscillante
nella zona di radiazione, cioe’ per punti a distanza r >> delle dimensioni della sorgente e >> della lunghezza d’onda della radiazione:Queste condizioni sono sicuramente verificate nel caso della radiazione gamma
emessa nei decadimenti dei nuclei, che hanno energie tipicamente di 1 MeV, quindi lunghezza d’onda:
molto maggiore delle dimensioni di un nucleo (dell’ordine di qualche fm) e molto minore della distanza a cui si osserva la radiazione
fm1200MeV1
fmMeV19728.62
E
c
p
h
11
Potenziali elettromagneticiPotenziali elettromagneticiSi parte dalle equazioni di Maxwell nel vuoto:
Dal fatto che B ha divergenza nulla, lo si può esprimere come il rotore di un vettore A(r,t) detto potenziale vettore:
da cui, sostituendo nella terza equazione di Maxwell:
Dal fatto che E+A/t ha rotore nullo, lo si può esprimere come il gradiente di una funzione scalare V(r,t) detto potenziale scalare. Il campo elettrico risulta quindi essere dato da:
0
t
AE
t
AA
tt
BE
AB
t
AVE
t
EjB
t
BEBE
0000 0/
12
Trasformazioni di gaugeTrasformazioni di gaugeLa scelta dei potenziali A(r,t) e V(r,t) non è univoca: I campi elettrico e magnetico rimangono invariati se si applica
una trasformazione:
detta trasformazione di gauge (r,t) è una funzione scalare
Se si scegle la funzione in modo da soddisfare la condizione di gauge di Lorentz:
le equazioni per i potenziali elettromagnetici diventano:
e consentono di determinare il campo elettromagnetico in funzione delle cariche e delle correnti che danno origine al campo
tVVVAAA
012
t
V
cA
jt
A
cA
t
V
cV
02
2
22
02
2
22 11
13
Potenziali ritardatiPotenziali ritardatiUsando il metodo dei potenziali ritardati Si tiene conto della velocità finita di propagagazione (la
velocità della luce c) dei campi e dei potenziali dalla sorgente in movimento al punto in cui si osservano i campi stessi
Il potenziale in un punto lontano dalla sorgente è quindi determinato dalla configurazione della sorgente a un istante t0 precedente il tempo di osservazione t:
rdrr
crrtrjtrA
rdrr
crrtrtrV
)/,(
4),(
)/,(
4
1),(
0
0
Dipolo elettrico oscillante (1)Dipolo elettrico oscillante (1)Due cariche +q e -q a distanza d. Una delle cariche oscilla lungo una direzione assegnata in modo che:
Si tratta di un dipolo con momento di dipolo oscillante dato da:
La densità di corrente associata al dipolo risulta essere:
La delta di Dirac tiene conto del fatto che la carica è puntiforme Sostituendo nell’espressione del potenziale vettore si ricava:
14
tiedd 0
titi epedqp 00
)()()( 00 rrepirredqirrddt
dqj Q
tiQ
tiQ
r
ep
c
i
r
epitrA
crticrti )/(
020
)/(
00
4
1
4),(
z
x
y
-q
d
+q
Dipolo elettrico oscillante (2)Dipolo elettrico oscillante (2)In coordinate cartesiane, orientandol’asse z lungo il dipolo, si ha:
In coordinate sferiche, assumendo la direzione di j come asse polare, le componenti di A risultano:
150),(
sin4
1),(
cos4
1),(
0cossin
sinsincoscoscos
cossinsincossin)/(
20
0
)/(
20
0
trAr
e
c
pitrA
r
e
c
pitrA
A
A
A
A
A
Acrti
crti
r
z
y
xr
p
z
x
y
r
r
e
c
pitrA
trA
trA
crti
z
y
x
)/(
20
04
1),(
0),(
0),(
Dipolo elettrico oscillante (3)Dipolo elettrico oscillante (3)Il campo magnetico si può ricavare dalla relazione B=A.In coordinate cartesiane:
In coordinate sferiche:
16
0),(
1
4),(
1
44
1),(
)/(
00
)/(
00
)/(
20
0
y
A
x
AtrB
r
x
rc
i
r
epi
x
A
z
AtrB
r
y
rc
i
r
epi
r
e
yc
pi
z
A
y
AtrB
xyz
crtizx
y
crticrtiyz
x
sin1
4),(
0),(
0),(
0cossin
sinsincoscoscos
cossinsincossin
)/(
00
rc
i
r
epitrB
trB
trB
B
B
B
B
B
B
crti
r
z
y
xr
Dipolo elettrico oscillante (4)Dipolo elettrico oscillante (4)Il potenziale scalare si ricava dalla condizione di gauge di Lorentz:
da cui:
e:
17
cos1
4
1
1
4
1
4
)/(
00
)/(
00
)/(
0
022
c
i
rr
epi
r
z
rc
i
r
epi
z
r
r
e
r
pi
z
AcAc
t
V
crti
crticrtiz
)(1
cos4
1),( 0
)/(
00
rVc
i
rr
eptrV
crti
01
),(
1sin
4
11),(
1cos
4
2),(
2
2
2
)/(
00
2
)/(
00
t
AV
rtrE
rcc
i
rr
ep
t
AV
rtrE
c
i
rr
ep
t
A
r
VtrE
crti
crtir
r
Dipolo elettrico oscillante (5)Dipolo elettrico oscillante (5)Nella zona di radiazione:
le espressioni dei campi elettrico e magnetico diventano:
E e B sono ortogonali alla direzione r E e B sono ortogonali tra loro e |B|=|E|/c mentre il campo elettrico statico di un
dipolo diminuisce come 1/r3, la radiazione che si propaga diminuisce come 1/r.
18
rccr
cr
crrd
11
12
2
0),(sin4
),(
sin4
1),(0),(
0),(0),(
)/(2
00
)/(
2
2
00
trEr
e
cptrB
r
e
cptrEtrB
trEtrB
crti
crti
rr
p
z
x
y
rB
E
Dipolo elettrico oscillante (6)Dipolo elettrico oscillante (6)L’intensità di radiazione è data dal valor medio del vettore di Pointing su un tempo T:
da cui:
dipendenza angolare come sin2 ; decresce come r2 al crescere della distanza dalla sorgente
La potenza media irradiata dal dipolo vale quindi:
che è la formula di Larmor (a parte un cambio di variabile per esprimerla in funzione dell’accelerazione media) 19
TTT
dtr
crt
cp
TdtBEc
Tdt
TI
02
22
3
420
02
0
20
0
)/(cossin
16
1111
3
4
0
20
3
4
02
20
0
32
03
4
02
202
4 123
42
32sin
32 c
p
c
pdd
c
pdrIW
2
2
3
4
02
20 sin
32 rc
pI
Dipolo magnetico oscillanteDipolo magnetico oscillantePer una spira di area con corrente variabile nel tempo (i=i0e-it), il momento magnetico vale:
L’intensità di radiazione risulta:
analoga a quella del dipolo elettricoCompare il momento di dipolo magnetico 0 al posto di quello di dipolo
elettrico p0 Diversa la potenza a cui compare c (c5 al posto di c3)
La potenza media irradiata dal dipolo magnetico vale:
20
titi eeii 00
5
4
0
20
12 cW
2
2
5
4
02
20 sin
32 rcI
r
qv
MultipoliMultipoliIn generale la potenza irraggiata a frequenza dal termine di ordine L dello sviluppo in multipoli risulta essere:
L e’ l’ordine del multipoloL=1 : dipolo ; L=2 : quadrupolo ; L=3 ottupolo …
il doppio fattoriale (2L+1)!! = (2L+1)(2L-1) … 3 1
M(tL) è il momento di multipolo elettrico (t=E) o magnetico (t=M)Per una particella di carica q, massa m e momento magnetico =
geħ/2m
21
2
22
20
)(1
!)!12(
12tL
cL
L
L
cW
L
M
),(1
2
2)(),()( 1 m
lLm
lL Y
L
Lgr
mc
eMLYqrEL
MM
QuantizzazioneQuantizzazioneL’energia emessa è quantizzata: si passa da a E che è l’energia dei fotoni emessi:
Il rate di decadimento è dato da W/ E:
Il momento di multipolo M(tL) viene sostituito dall’elemento di matrice:
dove M(tL) è l’operatore che agisce sullo stato iniziale del nucleo |i> e produce lo stato finale |f> e un fotone in stato di momento angolare |l,m> 22
2
22
20
)(1
!)!12(
12tL
c
E
L
L
L
cW
L
M
2
12
20
)(1
!)!12(
121tL
c
E
L
L
Lw
L
M
dVtLtLM ifif )()( *M
Elemento di matriceElemento di matriceStime di Weisskopf di particella singola: Si assume che la transizione sia dovuta a un singolo
nucleone che ha una transizione tra due livelli nucleari del modello a shell
Si fattorizza la funzione d’onda in una parte angolare e una radiale: (r,,)=u(r)Yl
m(,) Si assume che la parte radiale sia costante dento il
nucleo e nulla al di fuori e che l’emissione di radiazione sia dovuta a una variazione della parte angolare della funzione d’onda
Gli elementi di matrice per transizioni E e M risultano:
dove MN è la massa del nucleone e R il raggio del nucleo23
1
3
3
2
10)(10)(
3
3
4)(
L
Nif
Nif
Lif
RLcM
eELM
cRMMLM
RL
eELM
Rate di transizione (1)Rate di transizione (1)Sostituendo le stime di Weisskopf nelle formule per i rate di transizione si ha:
Introducendo l’espressione del raggio del nucleo in funzione del numero di massa A si ricava:
24
22
122
2
2
20
2
2
122
20
2
3
31
!)!12(
1
4
20
3
31
!)!12(
1
4
2
L
L
NML
L
L
EL
Rc
E
LL
L
LcM
cew
Rc
E
LL
L
L
ew
3/23/222
0
122
2
2
20
2
3/220
122
20
2
3
31
!)!12(
1
4
20
3
31
!)!12(
1
4
2
AARc
E
LL
L
LcM
cew
ARc
E
LL
L
L
ew
LL
L
NML
LL
L
EL
Rate di transizione (2)Rate di transizione (2)Confrontando i rate di transizione elettrica e magnetica si ricava:
che è sempre minore di 1, quindi a parità di multipolarità L, una transizione M è sfavorita
La dipendenza dalla polarità L è principalmente nel termine
in cui il termine in parentesi è sempre minore di 1 per le energie in gioco.Ad esempio per un fotone di 500 keV per un nucleo con A=125, vale ≈10-2
Il rate di transizione diminuisce di diversi ordini di grandezza al crescere di ogni unità di L 25
3/23/222
3/220
2
2306.02.1
938
1971010
AAAR
cM
c
w
w
NEL
ML
LL
L
L
AMeVEc
ARER
c
E 23/13
23/102
2
][101.6
Rate di transizione (3)Rate di transizione (3)Valori numerici delle stime di particella singola di Weisskopf Queste stime approssimate riproducono i valori
misurati entro un fattore 10 Definiscono una chiara gerarchia di valori della
probabilità di decadimento per le diverse transizioni.
26
2
Rate di transizione (4)Rate di transizione (4)
La forte dipendenza da L del rate di transizione implica che la radiazione elettromagnetica verrà emessa con la multipolarità più bassa consentita dalle regole di selezione
27
Regole di selezione (1)Regole di selezione (1)Il fotone emesso porta via una quantità di momento angolare determinata dal valore L della multipolarità della transizione L può assumere un valore intero >0
Il valore del momento angolare L del fotone deve soddisfare la conservazione del momento angolare:
dove Ji e Jf sono gli spin dei nuclei iniziale e finaleQuesto porta a una regola si selezione per la multipolarità della transizione
Siccome le transizioni con L=0 non sono permesse, una transizione tra due stati con spin 0 (cosa che capita in alcuni casi come 16O, 68Ni , 90Zr) avvengono per conversione interna
28
LJJ fi
fifi JJLJJ
Regole di selezione (2)Regole di selezione (2)La conservazione della parità introdce una seconda regola di selezione.La radiazione emessa ha una parità che dipende sia dalla multipolarità L che dal tipo di radiazione emessa e vale: (-1)L per transizioni elettriche
Ad esempio nel caso di un dipolo elettrico, il momento di dipolo d=qr ha parità dispariperché si trasforma in –qr in seguito a unainversione delle coordinate (vettore polare)
(-1)L+1 per transizioni magneticheAd esempio nel caso di un dipolo magnetico,
il momento di dipolo m=qrv ha parità pariperché rimane invariato in seguito a unainversione delle coordinate (vettore assiale) 29
r
qv
r
-q
+q
Transizioni elettromagneticheTransizioni elettromagneticheLe caratteristiche principali delle transizioni elettromagnetiche sono: La probabilità di transizione descresce al crescere della
multipolarità L A parità di multipolarità L, la probabilità di una transizione
magnetica è minore rispetto a una elettrica Devono essere soddisfatte le regole di selezione del momento
angolare e della parità
Quindi: Il ruolo dominante nelle transizioni radiative tra due stati
nucleari di dati valori di Πi e Πf e ΔJ è giocato dai multipoli elettrici e/o magnetici con il più basso valore di L che soddisfano le regole di selezione di parità e momento angolare
30
Esempi (1)Esempi (1)
Nel ≈100% dei casi il decadimento beta del 60Co produce uno stato eccitato del 60Ni con JP=4+ che decade nel primo stato eccitato con JP=2+ J=2, =No Le regole di selezione
consentono E2, M3, E4, M5 e E6.
Domina E2La transizione diretta dallo stato 4+ al livello base 0+ richiederebbe una transizione E4 che è fortemente soppressa 31
NiNidaseguitoeNiCo e60*60*6060
4+
2+
0+
E2
E2
Esempi (2)Esempi (2)
Nel 94.4% dei casi il decadimento beta del 137Cs produce uno stato eccitato del 137Ba con JP=11/2- che decade sullo stato base con JP=3/2+ J=4, =Si’ La transizione emessa è
di tipo M4 Il basso rate di
transizione per radiazione di multipolarità M4 spiega la lunga vita media di questo stato eccitato del 137Ba (2.5 min)
32
BaBadaseguitoeBaCs e137*137*137137
IsomerismoIsomerismoLe vite medie per i decadimenti gamma sono solitamente molto corte (<10-9 s) se confrontate con quelle dei decadimenti e Esistono però stati eccitati con vite medie molto più lunghe Gli stati che hanno vite medie “misurabili” vengono chiamati
stati metastabili o isomeri e i relativi decadimenti sono chiamati transizioni isomeriche Le transizioni gamma osservate hanno vite medie che vanno da 10-16 a 108 secondi. Il punto da cui si comincia a chiamare uno stato metastabile è arbitrario
Le transizioni isomeriche hanno rate di transizione molto bassi -> corrispondono a grandi ΔJ e piccoli E. Il valore critico è tipicamente ΔJ ≥ 3, quindi la radiazione emessa in transizioni
isomeriche sono di tipo è E3, M3 o di multipolarità più elevata La condizione citata è soddisfatta solo per A≥39, e non si hanno isomeri di elementi
leggeri. Anche ad A più elevati, gli stati isomerici nucleari non sono distribuiti
uniformemente tra tutti i nuclei, ma sono di preferenza concentrati in “isole” con Z o N dispari subito al di sotto dei numeri magici 50, 82, 126
33
Conversione interna (1)Conversione interna (1)Un nucleo in uno stato eccitato X* può decadere allo stato fondamentale X senza emettere radiazione , ma cedendo l'energia di eccitazione a un elettrone atomico. Questo processo si chiama conversione interna Il risultato della transizione è l’emissione di un elettrone atomico che (trascurando il rinculo del nucleo) emerge con un’energia cinetica:
dove E è l’energia di eccitazione del nucleo e Be è l’energia di legame dell’elettrone atomico
Elettroni appartenenti a shell atomiche diverse emergeranno quindi con energie diverse
Il fenomeno di conversione è sempre accompagnato da emissione di raggi X caratteristici della shell atomica interessata o elettroni Auger 34
eNucleusee BcMBET 2
Conversione interna (2)Conversione interna (2)Spettro degli elettroni emessi in un decadimento seguito da una diseccitazione per conversione interna
35
Conversione interna (3)Conversione interna (3)Gli elettroni di conversione possono essere osservati assieme alla radiazione gamma, oppure senza di essa es. nel caso di transizioni 0→0
Per effetto della conversione interna la vita media di uno stato eccitato è più breve di quanto previsto dal solo processo di decadimento radiativo Le probabilità di decadimento per radiazionee
conversione interna si sommano
dove è il coefficiente di conversione interna che: è il rapporto tra la probabilità di emissione di un elettrone e la probabilità di
emissione di un fotonepuò essere espresso come somma dei coefficiente di conversione parziale per
gli elettroni della shell K, L, M ..
36
)1( wwww IC
... MLKIC
w
w
Conversione interna (4)Conversione interna (4)
Esistono tabelle dettagliate dei valori calcolati per il coefficiente di conversione interna dalla teoria La teoria mostra che il coefficiente di conversione interna: decresce all’aumentare della
energia della transizione; cresce con il numero atomico
Z del nucleo; decresce con il raggio della
shell atomica dalla quale l’elettrone è emesso;
cresce con la multipolarità della corrispondente transizione gamma.
37