Fisica nucleare

Lezione 19

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Nucleo

Il nucleo atomico è costituito da nucleoni (N),

ovvero: protoni (p) e neutroni (n).

Il numero di p è caratteristico di ogni elemento; è

detto numero atomico ed è indicato con la lettera

Z.

Il numero totale di nucleoni N è detto anche

numero di massa ed è indicato con la lettera

A.

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L’atomo è un sistema neutro (e stabile)

perché il numero di e è uguale a quello di p.

Moto elettroni (“atmosfera elettronica”

intorno ai nuclei) Chimica convenzionale.

Proprietà del nucleo Fisica nucleare,

Chimica nucleare.

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Atmosfera elettronica

Gli elettroni occupano posizioni stabili (o orbitali)

attorno ai nuclei.

In un fissato orbitale essi hanno energia definita

(e sempre costante).

Quando un elettrone si muove in un dato orbitale

la dinamica non è più descrivibile in termini

di meccanica classica ed em classico: si deve

usare la MQ.

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Stati eccitati

A causa di una qualche interazione esterna

(es. em, tipo illuminazione) l’elettrone di un

certo orbitale può andare ad occupare un

orbitale diverso “eccitandosi.”

Dallo stato eccitato instabile esso ritorna poi

a quello di partenza in un tempo brevissimo,

liberandosi dell’energia in eccesso con

emissione di un fotone.

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NB

Gli atomi di un determinato elemento hanno

tutti lo stesso numero Z di p.

Gli atomi di elementi diversi hanno un

diverso numero di p (e quindi di e).

Esempio: ogni atomo di H ha sempre 1 p (1

e, Z=1); ogni atomo di O ha sempre 8 p (8 e, Z=8)

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Nucleo

I nuclei di uno stesso elemento possono

avere un numero diverso di n e quindi

diversa massa atomica A.

Stesso Z le proprietà chimiche sono le

stesse.

Stesso A le proprietà fisiche sono le

stesse

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Isotopi

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Isotopi

ISOTOPI: atomi i cui nuclei hanno lo stesso

Z ma diverso A (stesso numero di p ma

diverso numero di n).

In natura gli elementi si presentano come

miscele di più elementi.

Esempio:16O, 17O, 18O: sempre Z=8 ma A=16,17,18.

Gli atomi ed i loro isotopi presenti in natura sono stabili, eccetto le famiglie radioattive.

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Raggio del nucleo

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Radioattività

La presenza di neutroni in eccesso nei nuclei

rappresenta un elemento di instabilità per gli

atomi: potranno essere emessi fino al

raggiungimento di una situazione stabile, mediante

un processo note come radioattività.

Molti degli isotopi possibili di un elemento che non

si trovano in natura possono essere prodotti in

laboratorio (reazioni nucleari: scattering nucleo-

nucleo, interazione nucleo-fotone).

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Esempio: interazione He - N

42He + 14

7N 178O + p (Notazione AZX )

42He: 2=p (Z=2), 4=p+n (A=4)

Sx = 2 p + 7p Dx = 8p +p (conservazione

numero protoni e quindi conservazione carica elettrica)

Sx = 2n+7n Dx = 9n (conservazione numero neutroni)

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Radioattività naturale e artificiale

Isotopi tipo quelli delle famiglie radioattive naturali

dell’uranio, del torio, del proattinio sono instabili: decadono

in successione in numerosi isotopi instabili fino a

raggiungere quelli stabili del Pb.

Per gli isotopi prodotti in laboratorio si parla di radioattività

artificiale.

Processi di decadimento radioattivo sono:

Decadimenti , ,

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Decadimento

Nel decadimento il nucleo instabile trasmuta

emettendo una particella (nucleo di 42He:

2p e 2n).Questo tipo di decadimento è

favorito per nuclei ad alto Z.

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Decadimento

Nel decadimento il nucleo instabile trasmuta emettendo un

elettrone (o particella ).

L’elettrone emesso non viene dall’atomo coinvolto ma è

generato nel corso del processo stesso. Quest’ultimo è una

vera e propria reazione nucleare (interazione debole):

np + e + e

Ad esempio 146C 14

7N + e (un atomo di Carbonio 14 si

trasforma in Azoto 14 emettendo un elettrone).

Accanto al processo diretto c’e’ anche quello inverso:

pn + e+ + e

ove e+ è il positrone, l’antiparticella dell’elettrone.

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Decadimento

In certi nuclei si può avere una eccitazione come quella

degli elettroni negli atomi.

Il nucleo decade nello stato stabile riemettendo l’energia di

eccitazione sotto forma di onda em, ovvero un fotone.

Questa trasformazione non è una trasmutazione (non

vengono alterati i numeri dei nuclei) ma una specie di

assestamento del nucleo stesso.

Di solito l’eccitazione è conseguenza di un decadimento

o

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Esempio

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Legge del decadimento

radioattivoIn un “campione” di isotopo radioattivo ci sono in generale

moltissimi atomi radioattivi. Il decadimento di un singolo

atomo è un fenomeno del tutto casuale e dunque

imprevedibile. Quello che si può prevedere invece su base

statistica è il numero di nuclei che in media potranno

decadere in un certo tempo (ammesso che tutti abbiano la

stessa probabilità a priori di farlo).

Detti n il numero di nuclei che decadono in un tempo t:

n=- n t

ove è detta costane di decadimento ed è tipica

dell’isotopo considerato.

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Tempo di dimezzamento

Il tempo di dimezzamento di un isotopo è il tempo

necessario al decadimento della metà degli atomi

radioattivi presenti ad un dato istante. Questi tempi variano

moltissimo passando da un isotopo radioattivo ad un altro,

ad es. da 10-22 s a 1021 y. Vale la legge

T/2= 0.693/

Il rapporto n/ t si chiama l’attività del campione e si

misura in Bequerel, pari all’attività di un campione in cui si

verifica 1 decadimento al secondo.

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Interazione radiazione -materia

Le particelle (nuclei di He) hanno grande massa (4 amu) e carica

(2e): muovendosi all’interno della materia determinano principalmente

ionizzazione. Non sono radiazioni penetranti. Le particelle (elettroni)

subiscono un numero di interazioni molto minore rispetto a quello

delle particelle Segue che l’effetto ionizzante è anch’esso minore ma

la radiazione risulta più penetrante. Le particelle e sono dette

anche particelle direttamente ionizzanti.

I fotoni ( ) privi di massa e carica non sono direttamente ionizzanti:

interagiscono con i campi em dei nuclei e degli e a cui cedono la

propria energia che può a sua volta, determinare ionizzazione. I

meccanismi di cessione di questa energia sono sostanzialmente 3:

effetto fotoelettrico, Compton, creazione di coppie.

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Medicina nucleare

Nelle applicazioni diagnostiche si usano isotopi radioattivi

come traccianti. Certe sostanze infatti hanno un “destino

metabolico” verso specifici organi (ad es. vengono

assorbite).

Marcando la sostanza stessa con un nuclide

radioattivo si può riconoscere la localizzazione, la

morfologia e la dinamica funzionale del bersaglio

(renoscintigrafia per il trattamento di reflussi

vescico-ureterali, etc.).

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