Con quale criterio, in un atomo eccitato, un elettrone “decide” quando e in quale stato saltare? Perché i neutroni liberi sono instabili? Dove erano il protone, l’elettrone e l’antineutrino prima del decadimento? Se particella e antiparticella sono create in coppia perché non compare anche l’antineutrino elettronico? Grazie.

La risposta a questa domanda verrà divisa in due sezioni:

MECCANISMI DI ECCITAZIONE

Prendiamo come esempio l'atomo di idrogeno (H) dove il nucleo è formato da un protone ed un solo elettrone che gli orbita attorno: se forniamo l'energia giusta all'elettrone questo salterà dallo stato fondamentale al primo stato eccitato (in questo caso tale energia vale 10,2 eV) mentre per farlo saltare direttamente al secondo stato eccitato servirà un'energia leggermente maggiore (12,1 eV); mentre se si fornisce un'energia ancora maggiore l'elettrone schizza via dall'atomo lasciandolo ionizzato.

Allora, una volta che l'elettrone dallo stato fondamentale (o anche da uno stato eccitato) assorbe energia (sotto forma di radiazione ad una ben determinata frequenza) questo salta allo stato eccitato successivo rimanendoci per un tempo medio di circa

10810^{-8}

secondi; trascorso tale periodo riemette l'energia assorbita precedentemente sotto forma di radiazione elettromagnetica (fotone) ad una ben determinata frequenza, data dalla relazione:

EiEf=hν

E_i – E_f = h u

quindi la differenza delle energie tra l'orbitale di partenza (iniziale) e quello di arrivo (finale) deve essere uguale al prodotto tra la costante di planck (h) e la frequenza (v).

Il meccanismo per cui un elettrone "decide" di ritornare al suo stato di appartenenza è dato dal fatto che ogni elettrone di un atomo più o meno complicato è caratterizzato da quelli che vengono chiamati NUMERI QUANTICI che individuano univocamente ogni elettrone e il suo stato di appartenenza, e questi sono:

  • n numero quantico principale: rappresenta l'autovalore dell'energia e assume valori interi;
  • l numero quantico angolare: questo definisce la forma dell'orbitale atomico e può assumere valori interi compresi tra (0…n-1);
  • ml

    numero quantico magnetico: rappresenta la componente z del momento angolare orbitale e può assumere valori interi compresi tra (-l…+l);

  • ms

    numero quantico di spin elettrico: questo numero quantizza il momento angolare di spin e può assumere valori interi o seminteri compresi tra (-s…+s).

Inoltre è buona regola citare e ricordare, a questo punto, anche il PRINCIPIO DI PAULI che stabilisce che due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico, quindi non possono esistere due elettroni con gli stessi numeri quantici ma al più possano differire per uno di questi.

MODALITA' DI DECADIMENTO DEL NEUTRONE

Il decadimento del neutrone avviene per effetto della forza nucleare debole e tale argomento è ampiamente trattato nella risposta al link: http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=14630
Inoltre, per comprendere al meglio la questione intrinseca del decadimento rimando il lettore al link del nostro esperto Nicola Fusco che risponde egregiamente alla domanda: http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=13242

In un nucleo stabile il processo di decadimento avviene "virtualmente" tutto il tempo, ma i prodotti del decadimento non possono scappare dal nucleo perchè questo richiederebbe energia che invece la formazione del nucleo ha sottratto: si parla di ENERGIA DI LEGAME.

Il nucleo di elio ad esempio ha una massa che è inferiore alla somma della massa dei due protoni e dei due neutroni: tale differenza è stata irradiata sotto forma di energia
all'atto della formazione del nucleo e un decadimento del neutrone porterebbe a un nucleo con numero atomico 3 e massa superiore, per cui il processo è impedito dalla
conservazione dell'energia e quindi si può immaginare che l'elettrone e il neutrino vengono immediatamente riassorbiti da un protone.