Chimica nucleare

• Radiazioni alfa, beta, gamma

• Decadimento radioattivo

• Stabilità nucleare

• Misura della radioattività

Chimica Nucleare

• La chimica nucleare studia la struttura del nucleo atomico, le trasformazioni cui questo va incontro e le conseguenze chimiche di tali trasformazioni.

• I nuclei che cambiano spontaneamente la propria struttura atomica emettendo radiazioni sono detti radioattivi.

radiazioni elettromagnetichead alta frequenza

nuclei di He

elettroni

Esperimento di Rutherford

Il nucleonucleo è insieme di nucleoni (protoni, p e

neutroni, n) uniti tra loro. Il NEUTRONE libero, è una particella

instabile e tende a decadere (td ca. 9x102 s ), liberando un elettrone ed un protone

Il PROTONE libero, è una particella stabile (td ca. 1032 s )

La maggior parte (non tutti) dei nuclidi sono isotopi stabili, ovvero tali che un consistente numero di protoni e neutroni si trova in un volume molto piccolo (il nucleo dell’atomo)

Una forza di attrazione fra i nucleoni vince la repulsione elettrostatica tra i protoni: FORZA FORTE

Interazione nucleo-protone

Le forze nucleari, che tengono insieme i nucleoni dentro un nucleo, sono forze molto forti

fm=10-15 m

I mesoni sono particelle subatomiche, di massa circa 1/5 dei nucleoni, e sono responsabili delle forze nucleari. Sono continuamente scambiate tra nucleoni

Nuclidi

• Il numero di protoni è il numero atomico Z • Il numero totale di nucleoni (protoni + neutroni) è

il numero di massa A dell'elemento • Il numero di neutroni (N) può variare in misura

ridotta e differenzia gli isotopi di un elemento: atomi con medesimo numero atomico ma differente numero di massa (numero di neutroni).

• Ciascun isotopo di un elemento è detto nuclide

ISOTOPI sono elementi che hanno uguale numero atomico Z

Es.: gli isotopi del Calcio hanno tutti 20 protoni nel nucleo ma ilnumero dei neutroni varia da 20 a 28 Es.: gli isotopi del Calcio hanno tutti 20 protoni nel nucleo ma ilnumero dei neutroni varia da 20 a 28

Z N A simbolo20 20 40 40Ca20 22 42 42Ca20 23 43 43Ca20 24 44 44Ca20 25 45 45Ca20 26 46 46Ca20 28 48 48Ca

20

20

20

20

20

20

20

Z : numero atomicoN : numero di neutroniA : numero di massa (N+Z)

Disintegrazioni nucleari

• L'emissione di una particella o da un nucleo è il risultato di una disintegrazione (o decadimento) nucleare, cioè della parziale rottura dei nucleo.

• La disintegrazione trasforma il nucleo in quello di di un altro elemento, figlio

• Quasi sempre le radiazioni e sono accompagnate da radiazioni : il nuovo nucleo è in una situazione di elevato contenuto energetico e si riassesta emettendo un fotone di una radiazioni

Disintegrazione

• Quando un nucleo emette una particella perde due unità di carica positiva e una massa equivalente a quella di quattro nucleoni.

• La perdita di due protoni causa una riduzione del numero atomico di due unità (Z -2)

Disintegrazione

• Quando dal nucleo di un atomo viene emessa una particella , essa priva il nucleo di una carica negativa

• questa perdita può essere interpretata come la trasformazione di un neutrone in un protone

• il numero atomico del nuclide prodotto aumenta di 1 (Z+1)

Altre modalità di disintegrazione

Nella cattura elettronica un nucleo cattura uno dei propri elettroni e si ha la diminuzione del numero atomico di una unità (Z-1)

Nell'emissione di positroni, viene emesso un positrone (carica +1), ed il numero atomico si riduce di una unità (Z-1)

disintegrazioni

: Z -2 A –4 - : Z +1 - + : Z –1 - Cattura e- Z –1 -

La stabilità dei nuclei • Un grafico di Z verso N definisce

la banda di stabilità, circondata dal mare di instabilità

• Per Z fino a 20 i nuclidi stabili possiedono uguale numero di protoni e neutroni.

• Per Z > 20 tutti i nuclidi conosciuti, sia stabili che instabili, possiedono più neutroni che protoni (quindi A >2Z).

Previsione del tipo di disintegrazione

I nuclei sopra la banda di stabilità sono ricchi di neutroni e per rientrare nella banda di stabilità espellono una particella (Z+1)

quelli sotto la banda di stabilità sono ricchi di protoni e per spostarsi verso la banda di stabilità – espellono un positrone (Z-1)

– oppure catturando un elettrone (Z-1)

i nuclidi con Z > 83 devono alleggerirsi eliminando protoni e neutroni: disintegrazioni

Neri: stabiliBlu: beta emittentiRosso: alfa emittentiRosa: positroni o cattura e-

Pari e dispari • Numero dei nuclidi

stabili per numeri pari (even) e dispari (odd) di neutroni e protoni.

• Quelli con numero pari sono più stabili (es: stagno, Z=50 ha 10 isotopi stabili, mentre antimonio Z=51 ne ha solo 2)

• Numeri magici: 2, 8, 20, 50, 82 e 126)

Elementi con Z <81: Isotopi stabili + 34 isotopi instabili81 Z 83: Isotopi stabili + 12 isotopi instabili84 Z 92: Tutti instabili con t 1/2<107 a tranne232Th, 235U, 238U ,

81Tl, 82Pb, 83Bi, 83Po

Velocità delle disintegrazioni nucleari

• nucleo precursore nucleo prodotto+ radiazione: decadimento uni-molecolare

• Normalmente si parla di decadimento radioattivo in termini di semivita t l/2 il tempo in cui si disintegra la metà dei nuclei presenti inizialmente nel campione

Semivita di alcuni nuclidi

Famiglie radioattive

 

 

Tutti gli isotopi degli elementi dal Polonio all’Uranio sono radioattivi.

Molti di essi hanno tempi di dimezzamento corti, anche nell’ordine di alcune oreDomanda: se alcuni nuclidi hanno tempi di dimezzamento corti,

come fanno ad esistere in natura? Non dovrebbero essere già “esauriti” da milioni di anni?

NO, se essi sono prodotti da nuclidi con tempi di dimezzamento lunghi, che continuano a “rifornire” costantemente di quel determinato isotopoEsistono alcuni isotopi radioattivi con tempi di dimezzamento molto lunghi (ca 107 a) che garantiscono la presenza in natura di una quantità costante di tutta una serie di nuclidi con tempi di dimezzamento molto piu’ brevi

Si definisce pertanto una serie di famiglie di decadimento

Serie radioattiva

La disintegrazione del nucleo degli atomi pesanti (Z>83) spesso procede a tappe: radiazione alfa seguita da beta o alfa… fino a raggiungere la stabilità (spesso piombo, Z=82)

Serie radioattive:Uranio 238 Pb-206Uranio 235 Pb-207Torio 232 Pb-208

Nucleosintesi

La formazione degli elementi chimici può essere ottenuta

• riscaldando una sostanza fino temperature elevatissime

• bombardando i nuclei con particelle elementari accelerate

• La trasmutazione indotta da neutroni è più facile: non subisce repulsione elettrostatica dalla carica elettrica del nucleo.

Misura della radioattività

• pellicole fotografiche: l'intensità della radiazione è indicata dal grado di annerimento della pellicola sviluppata

• contatore Geiger • Scintillatori

Radiazioni nucleari

Schermatura

L'attività di una sorgente radioattiva

• Curie (Ci) da Marie Curie: attività di 1 g di radio-226 si verificano 3,7x 1010 disintegrazioni nucleari per secondo.

• Bequerel (Bq): disintegrazioni per secondo (DPS)

• Conte per minuto (CPM): relativa allo strumento usato ed alla fonte radioattiva

Unità di radiazioni

• Rad: quantità di radiazione depositata per Kg di tessuto umano

• Rem: dose efficace che tiene conto del potere distruttivo delle diverse radiazioni

Radioattività e temperatura

Per l’enorme differenza che esiste fra l’energia di legame nucleare e l’energia termica scambiata con l’ambiente, le energie messe in gioco nel decadimento radioattivo degli isotopi instabili non sono influenzate dalla temperatura.

datazione con radiocarbonio • Il carbonio14 è presente in natura e in tutti gli

esseri viventi, ed ha tempo di semivita di 5730 anni.

• Viene costantemente immesso nell'ambiente perché prodotto da nuclei di azoto dell'atmosfera bombardati da neutroni prodotti dai raggi cosmici

• Negli esseri viventi il rapporto 14C/12C è circa 1/1012

Difetto di massaPer entrare a fare parte di un nucleo ogni nucleone “paga” un contributo energetico, per pagare questo contributo lui “attinge” dalla sua massa, trasformandola in energia sulla base della equazione di Einstein

E=mc2 c=2.998X108 m s-

1

Regionedi massimastabilità

Curva di energia di legame per nucleone

Fusione

Fissione

Fissione nucleare

 

 

La trasformazione di fissione nucleare dovrebbe essere spontanea, perché è accompagnata da un enorme guadagno energetico

Vi è pero’ una barriera di potenziale che impedisce una reazione di fissione e fa si che, spontaneamente, gli isotopi stabili subiscano il processo di decadimento, molto meno “vantaggioso” in termini energetici

Reazioni a catena

 

 

23592U+ n 93

36Kr+ 14056Ba +3n

9038Sr+ 144

54Xe +2n

Reazione a catena

Reazioni a catena

 

 

L’isotopo naturale più abbondante dell’Uranio è 238U che NON è fissile

La fissione nucleare, nell’Uranio nella sua composizione isotopica naturale non avviene spontaneamente perché si tratta di una reazione SPORADICA, ed i neutroni che vengono liberati sono dispersi e NON vanno a colpire altri nuclidi fissili

E dunque necessario arricchire l’Uranio rispetto alla sua composizione isotopica naturale, ovvero mettere a punto un procedimento per ottenere quantità di 235 U separato dagli altri isotopi

Reazioni a catena

 

 

Tuttavia anche piccole quantitò 235U NON provocano la reazione a catena, perché i neutroni sono dispersi verso l’esterno

E dunque necessario avere una massa minima, definita MASSA CRITICA, affinché il numero di neutroni generati dalla fissione che incontra un altro nuclide fissile sia maggiore del numero di neutroni che viene dispersi verso l‘esterno

LA velocità della reazione a catena puo’ essere controllata se si inseriscono, all’interno del materiale fissile, della barre di grafite, sostanza capace di assorbire neutroni e quindi capace di rallentare ed, al limite, interrompere, il processo della reazione a catena

Energia nucleare

• Fissione nucleare: cioè la rottura di un nucleo in due nuclei più piccoli di massa simile.

• Fusione nucleare: costringere nuclei di H a fondersi tra loro per formare nuclei di He o Li.

Radioisotopi in biologia e medicina

• Sono usati come traccianti o come fonti di energia distruttiva (radioterapia)

• Devono avere semivita di giorni o mesi

• Non devono accumularsi nell’organismo

• Si devono trasformare in isotopi stabili

Es. Fosforo32 (beta, 14 d), Zolfo35 (Beta, 88 d), Iodio125 (beta, 60 d), Trizio H3, C14.

Conclusioni

• La stabilità dei nuclei sta in una fascia molto ristretta.

• Quelli instabili emettono alfa (se pesanti), beta e gamma con decadimenti monomolecolari.

• Le radiazioni sono molto energetiche e dannose

• L’attività è misurata in Bq