CHIMICA NUCLEARECome è possibile che cariche dello stesso segno, i

protoni, stiano confinate in un volume molto piccolo quale quello nucleare?

Sperimentalmente si osserva che occorre spendere energia per scindere un nucleo nei sui

nucleoni (protoni e neutroni) costituenti

Neutrone libero è instabile, si ha una probabilità del 50% che rimanga intatto per 886 s

Protone libero è stabile, deve passare più di1025 anni perche’ la probabilità di trovarlo intatto si riduca del 50%

Esiste una forza di attrazione che è 100 volte maggiore della forza di repulsione elettrostatica tra i protoni (e 1010 volte maggiore dell’attrazione eletrostatica tra il nucleo e l’elettrone dell’atomo di idrogeno) ed è detta forza forte, determinata dallo scambio di massa di particelle (mesoni)

fra i nucleoni

DIFETTO DI MASSA

I nucleoni quando fanno parte di un nucleo hanno massa minore di quella che possiedono quando

sono liberi e in stato di quiete

E = mc2

Esempio: 16O ha massa 15,994915 ed è costituito da 8 neutroni e 8 protoni.La somma delle masse di queste particelle fa:(8*1,008665 uma)+(8*1,007825)= 16,131925 uma16,131925 uma - 15,994915 uma = 0,137010 uma

DIFETTO DI MASSADifetto di massa si calcola:

(numero di protoni Z* la massa del nuclide 1H + numero di neutroni N * la massa del neutrone)

Se mi riferisco a una mole del nuclide, il difetto di massa è espresso in g/mol quindi ottengo 0,13701 g/mol

L’energia liberata è uguale a: E = 0,13701*9,0*10-16 = 1,23*1013 J/mol che è una quantità di energia enorme (per esempio la combustione di una mole di metano libera 890 kJ SOLTANTO)

Energia di legame media per nucleone

Un nucleo ha energia tanto più bassa quanto maggiore è il numero di nucleoni che lo compongono e quanto maggiore è la forza che li tiene uniti, definita come

energia di legame.

Questa energia la calcolo attraverso il difetto di massa

Dato che tale energia di legame cresce sempre all’aumentare del n° di nucleoni costituenti,

definisco una energia di legame media per nucleone

L’energia di legame media per nucleone: l’energia corrispondente al difetto di massa divisa per il numero di nucleoni. E’ indicata come El/A dove El sta per l’energia di legame del

nucleo e A è il numero di massa (somma dei protoni e neutroni).

LA FUSIONE E LA FISSIONE DI DUE NUCLEI E’ UN MODO PER OTTENERE ENERGIA!

1H difetto di massa = 0 perche’ è costituito da un unico nucleone, il protone

La FISSIONE NUCLEARE

Non avviene spontaneamente perche’ ho alta barriera di potenziale da superare

Solo nuclei molto grandi spontanemente danno fissione nucleare, altrimenti per farla bombardo con neutroni alcuni nuclidi, che si chiamano fissili come 235U, il quale decade emettendo neutroni ed ho una reazione a catena

+

Forma non stabile del nucleo

235U

n

238U non è fissile ma se lo arricchisco in 235U e creo una massa critica tale che i neutroni formati non vadano persi nell’ambiente ma urtino altri 235U, ho fatto la bomba atomica!, se assorbo un po’ di questi neutroni e/o controllo la massa del materiale radiattivocon grafite ho fatto un reattore nucleare!

DISTRIBUZIONE NATURALE DI NUCLIDI STABILI

Un nuclide stabile rimane inalterato nel tempo a causa di barriere di potenziale elevatissime che si oppongono ad ogni eventuale sua trasformazione. Ne esistono 260 di nuclidi stabili

Il numero di neutroni è sempre uguale o maggiore rispetto al numero dei protoni, a parte 1H e 3He

DECADIMENTO RADIOATTIVOE’ un processo mediante il quale un nuclide, naturale o prodotto artificialmente, si trasforma spontaneamente in un altro. In questo processo si libera enegia sotto forma di calore e di radiazione elettromagnetica (raggi ), oltre a particelle di diverso tipo. La liberazione di questa energia e l’emissione di particelle da parte di nuclidi instabili è il fenomeno della radioattività

n p+ + -

p+ + (positrone) + n

p+ + + n cattura elettronica

DECADIMENTO RADIOATTIVOLa maggior parte dei nuclidi instabili (in particolare quelli con Z>81) decadono spontaneamente con emissione di particelle e -.Il decadimento radioattivo mediante cattura elettronica è presente in isotopi leggeri con Z<81.Il decadimento di particelle + e’ raro nei nuclidi naturali, ma comune in nuclidi prodotti artificialmente.Il decadimento radiattivo produce nuclidi in stati energeticamente eccitati, che vanno allo stato fondamentale emettendo raggi (decadimento )Un nuclide che emette + per tornare neutro deve perdere un elettrone e si ha quindi il processo di annichilazione e la massa delle due particelle si trasforma in energia

I nuclidi con t1/2 > 107 sono presenti in natura dal tempo di formazione degli elementi

Elementi con 1 ≤ Z ≤ 83 Isotopi stabili + 34 isotopi instabili con t1/2 > 107 anni

Elementi con 81 ≤ Z ≤ 83 Isotopi stabili + 12 isotopi instabili con t1/2 < 107 anni

Elementi con 84 ≤ Z ≤ 92 Isotopi tutti instabili con t1/2 < 107 anni, tranne 232Th, 235U, e 238U con t1/2 > 107 anni

Elementi con Z = 43, 61, Z > 92 Isotopi tutti artificiali e instabili

Dal Polonio all’Uranio sono quindi tutti radioattivi. Esistono soltanto perchè hanno tempi di dimezzamento lunghi

Gli elementi transuranici con Z > 92 sono fatti per bombardamento a neutroni per gli elementi fino a Z = 100 per quelli con Z > 100 bombardo con nuclei piccoli. Hanno tutti t1/2 di minuti-secondi, siamo al limite degli elementi!

ISOTOPI STABILI e INSTABILI

FAMIGLIE RADIOATTIVE

t1/2 di 238U è di 109 anni con emissione di particelle

4n+2 con n =51-59 che deriva da 4*59 + 2 = A = 238

FAMIGLIE RADIOATTIVE

4n+3 con n =51-58 che deriva da 4*58 + 3 = A = 235

FAMIGLIE RADIOATTIVE

4n con n =52-58 che deriva da 4*58 = A = 232