Scalari e Vettori€¦ · UNITÀ DI MASSA ATOMICA: dodicesima parte della massa di un atomo di 12C...
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Radioattivitagrave
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Radioattivitagrave
bull Radioattivitagrave bull Tappe della Fisica Moderna bull Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo bull Unitagrave di Massa Atomica bull Massa in elettronvolt bull Massa delle particelle bull Difetto di massa bull Energia di legame bull Stabilitagrave nucleare bull Decadimenti Radioattivi bull Legge del decadimento radioattivo bull Radioattivitagrave Primordiale bull Tavola Periodica
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Radioattivitagrave
La radioattivitagrave egrave il fenomeno per cui un nucleo atomico instabile (radionuclide) si trasforma in seguito a emissione spontanea di radiazioni (decadimento radioattivo) nel nucleo di un elemento differente piugrave stabile oppure passa in uno stato energetico stabile
Egrave stata scoperta nel 1896 da Antoine Henri Becquerel che durante uno studio sulle relazioni intercorrenti tra fosforescenza e Raggi X si rese conto che lrsquouranio emetteva naturalmente radiazioni Nel 1898 Maria Skłodowska (piugrave nota come Marie Curie) e Pierre Curie scoprirono la radioattivitagrave del polonio e del radio
Questa scoperta si inserisce in un periodo di intenso fervore scientifico che ha portato alla nascita della fisica moderna ed alla definizione dei moderni modelli atomici
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Tappe della Fisica Moderna
1808 ndash Modello atomico particella indivisibile (Dalton)
1895 ndash Scoperta dei raggi X (Roumlntgen)
1896 ndash Scoperta della radioattivitagrave (Becquerel)
1896 ndash Scoperta dellrsquoelettrone (Thomson)
1898 ndash Isolamento del Radio e del Polonio (coniugi Curie)
1899 ndash Effetto Fotoelettrico (Lenard)
1899 ndash Identificazione di 3 tipi di radiazioni a b g (Rutherford)
1900 ndash Teoria dei Quanti (Planck)
1904 ndash Modello atomico a ldquopanettonerdquo (Thomson)
1905 ndash Relativitagrave ristretta (Einstein)
1909 ndash Esperimento di Rutherford (Mardsen Geiger)
1913 ndash Modello atomico ldquoplanetariordquo (Rutherford)
1913 ndash Modello atomico ldquoquantizzatordquo (Bohr e Bohr-Sommerfeld)
1924 ndash Dualismo corpuscolo-onda (DeBroglie)
1925 ndash Principio di esclusione (Pauli)
1925 ndash Effetto Compton (Compton)
1926 ndash Equazione di Schroumldinger (Schroumldinger )
1927 ndash Principio di indeterminazione (Heisenberg)
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Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo
Numero atomico Z numero dei protoni (elettroni)
Numero N numero dei neutroni
Numero di massa A numero di protoni + neutroni
A = Z + N
NUCLEONI Particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni) Danno stabilitagrave al nucleo in quanto la forza nucleare bilancia la forza di repulsione tra i protoni
NUCLIDI Nuclei di specie individuati dal numero atomico Z e dal numero di neutroni N
N
A
Z X
ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A
ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z
ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N
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Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
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Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
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Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
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Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
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Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
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massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
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NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
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Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
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Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
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Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
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Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
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e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
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Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
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Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
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Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
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Radioattivitagrave
bull Radioattivitagrave bull Tappe della Fisica Moderna bull Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo bull Unitagrave di Massa Atomica bull Massa in elettronvolt bull Massa delle particelle bull Difetto di massa bull Energia di legame bull Stabilitagrave nucleare bull Decadimenti Radioattivi bull Legge del decadimento radioattivo bull Radioattivitagrave Primordiale bull Tavola Periodica
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Radioattivitagrave
La radioattivitagrave egrave il fenomeno per cui un nucleo atomico instabile (radionuclide) si trasforma in seguito a emissione spontanea di radiazioni (decadimento radioattivo) nel nucleo di un elemento differente piugrave stabile oppure passa in uno stato energetico stabile
Egrave stata scoperta nel 1896 da Antoine Henri Becquerel che durante uno studio sulle relazioni intercorrenti tra fosforescenza e Raggi X si rese conto che lrsquouranio emetteva naturalmente radiazioni Nel 1898 Maria Skłodowska (piugrave nota come Marie Curie) e Pierre Curie scoprirono la radioattivitagrave del polonio e del radio
Questa scoperta si inserisce in un periodo di intenso fervore scientifico che ha portato alla nascita della fisica moderna ed alla definizione dei moderni modelli atomici
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Tappe della Fisica Moderna
1808 ndash Modello atomico particella indivisibile (Dalton)
1895 ndash Scoperta dei raggi X (Roumlntgen)
1896 ndash Scoperta della radioattivitagrave (Becquerel)
1896 ndash Scoperta dellrsquoelettrone (Thomson)
1898 ndash Isolamento del Radio e del Polonio (coniugi Curie)
1899 ndash Effetto Fotoelettrico (Lenard)
1899 ndash Identificazione di 3 tipi di radiazioni a b g (Rutherford)
1900 ndash Teoria dei Quanti (Planck)
1904 ndash Modello atomico a ldquopanettonerdquo (Thomson)
1905 ndash Relativitagrave ristretta (Einstein)
1909 ndash Esperimento di Rutherford (Mardsen Geiger)
1913 ndash Modello atomico ldquoplanetariordquo (Rutherford)
1913 ndash Modello atomico ldquoquantizzatordquo (Bohr e Bohr-Sommerfeld)
1924 ndash Dualismo corpuscolo-onda (DeBroglie)
1925 ndash Principio di esclusione (Pauli)
1925 ndash Effetto Compton (Compton)
1926 ndash Equazione di Schroumldinger (Schroumldinger )
1927 ndash Principio di indeterminazione (Heisenberg)
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Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo
Numero atomico Z numero dei protoni (elettroni)
Numero N numero dei neutroni
Numero di massa A numero di protoni + neutroni
A = Z + N
NUCLEONI Particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni) Danno stabilitagrave al nucleo in quanto la forza nucleare bilancia la forza di repulsione tra i protoni
NUCLIDI Nuclei di specie individuati dal numero atomico Z e dal numero di neutroni N
N
A
Z X
ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A
ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z
ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N
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Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
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Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
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Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
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Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
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Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
3
Radioattivitagrave
La radioattivitagrave egrave il fenomeno per cui un nucleo atomico instabile (radionuclide) si trasforma in seguito a emissione spontanea di radiazioni (decadimento radioattivo) nel nucleo di un elemento differente piugrave stabile oppure passa in uno stato energetico stabile
Egrave stata scoperta nel 1896 da Antoine Henri Becquerel che durante uno studio sulle relazioni intercorrenti tra fosforescenza e Raggi X si rese conto che lrsquouranio emetteva naturalmente radiazioni Nel 1898 Maria Skłodowska (piugrave nota come Marie Curie) e Pierre Curie scoprirono la radioattivitagrave del polonio e del radio
Questa scoperta si inserisce in un periodo di intenso fervore scientifico che ha portato alla nascita della fisica moderna ed alla definizione dei moderni modelli atomici
4
Tappe della Fisica Moderna
1808 ndash Modello atomico particella indivisibile (Dalton)
1895 ndash Scoperta dei raggi X (Roumlntgen)
1896 ndash Scoperta della radioattivitagrave (Becquerel)
1896 ndash Scoperta dellrsquoelettrone (Thomson)
1898 ndash Isolamento del Radio e del Polonio (coniugi Curie)
1899 ndash Effetto Fotoelettrico (Lenard)
1899 ndash Identificazione di 3 tipi di radiazioni a b g (Rutherford)
1900 ndash Teoria dei Quanti (Planck)
1904 ndash Modello atomico a ldquopanettonerdquo (Thomson)
1905 ndash Relativitagrave ristretta (Einstein)
1909 ndash Esperimento di Rutherford (Mardsen Geiger)
1913 ndash Modello atomico ldquoplanetariordquo (Rutherford)
1913 ndash Modello atomico ldquoquantizzatordquo (Bohr e Bohr-Sommerfeld)
1924 ndash Dualismo corpuscolo-onda (DeBroglie)
1925 ndash Principio di esclusione (Pauli)
1925 ndash Effetto Compton (Compton)
1926 ndash Equazione di Schroumldinger (Schroumldinger )
1927 ndash Principio di indeterminazione (Heisenberg)
5
Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo
Numero atomico Z numero dei protoni (elettroni)
Numero N numero dei neutroni
Numero di massa A numero di protoni + neutroni
A = Z + N
NUCLEONI Particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni) Danno stabilitagrave al nucleo in quanto la forza nucleare bilancia la forza di repulsione tra i protoni
NUCLIDI Nuclei di specie individuati dal numero atomico Z e dal numero di neutroni N
N
A
Z X
ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A
ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z
ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N
6
Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
7
Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
8
Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
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Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
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Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
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Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
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Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
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Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
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Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
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Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
4
Tappe della Fisica Moderna
1808 ndash Modello atomico particella indivisibile (Dalton)
1895 ndash Scoperta dei raggi X (Roumlntgen)
1896 ndash Scoperta della radioattivitagrave (Becquerel)
1896 ndash Scoperta dellrsquoelettrone (Thomson)
1898 ndash Isolamento del Radio e del Polonio (coniugi Curie)
1899 ndash Effetto Fotoelettrico (Lenard)
1899 ndash Identificazione di 3 tipi di radiazioni a b g (Rutherford)
1900 ndash Teoria dei Quanti (Planck)
1904 ndash Modello atomico a ldquopanettonerdquo (Thomson)
1905 ndash Relativitagrave ristretta (Einstein)
1909 ndash Esperimento di Rutherford (Mardsen Geiger)
1913 ndash Modello atomico ldquoplanetariordquo (Rutherford)
1913 ndash Modello atomico ldquoquantizzatordquo (Bohr e Bohr-Sommerfeld)
1924 ndash Dualismo corpuscolo-onda (DeBroglie)
1925 ndash Principio di esclusione (Pauli)
1925 ndash Effetto Compton (Compton)
1926 ndash Equazione di Schroumldinger (Schroumldinger )
1927 ndash Principio di indeterminazione (Heisenberg)
5
Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo
Numero atomico Z numero dei protoni (elettroni)
Numero N numero dei neutroni
Numero di massa A numero di protoni + neutroni
A = Z + N
NUCLEONI Particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni) Danno stabilitagrave al nucleo in quanto la forza nucleare bilancia la forza di repulsione tra i protoni
NUCLIDI Nuclei di specie individuati dal numero atomico Z e dal numero di neutroni N
N
A
Z X
ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A
ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z
ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N
6
Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
7
Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
8
Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
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2ln
5370ln
1 0
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
5
Lrsquoatomo e i suoi ldquonumerirdquo
Numero atomico Z numero dei protoni (elettroni)
Numero N numero dei neutroni
Numero di massa A numero di protoni + neutroni
A = Z + N
NUCLEONI Particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni) Danno stabilitagrave al nucleo in quanto la forza nucleare bilancia la forza di repulsione tra i protoni
NUCLIDI Nuclei di specie individuati dal numero atomico Z e dal numero di neutroni N
N
A
Z X
ISOBARI Nuclidi con eguale numero di massa A
ISOTOPI Nuclidi con eguale numero atomico Z
ISOTONI Nuclidi con eguale numero di neutroni N
6
Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
7
Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
8
Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
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Unitagrave di Massa Atomica (u)
UNITAgrave DI MASSA ATOMICA dodicesima parte della massa di un atomo di 12C (carbonio 12)
Una mole di sostanza contiene 60225bull1023 molndash1 (numero di Avogadro) particelle quindi poicheacute una mole di 12C ha una massa di 12 g egrave possibile ricavare la massa di un atomo di 12C
g1019225 mol 10 middot 60225
molg12 23-
1-23
-1
12
C
m
kg1016604 12
g1019225
12u1 27-
-2312
C
m
12C 6 neutroni 6 protoni 6 elettroni
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Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
8
Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
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massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
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Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
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Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
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Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
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Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
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Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
7
Massa in elettronvolt (eV)
elettronvolt (eV) energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto la differenza di potenziale di 1 volt
Lequazione di conversione della relativitagrave ristretta E = mcsup2 ci consente di esprimere la massa delle particelle in eV
In particolare lrsquounitagrave di massa atomica in eV egrave
MeV931JeV 10 16022
J 10 14923J 10 14923
19ndash
-1010-
uE
1 eV = 16022 ∙ 10-19 J
J 10 14923ms1079992kg1016604 10-21827-2 cmuE u
8
Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
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Z eYX
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e
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1enep
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Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
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Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
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13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
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Massa delle particelle
Particella Massa
(kg) Massa
(u) Massa (MeV)
Carica elettrica (C)
elettrone (e)
9109 10minus31 5486 10minus4 0510 MeV minus1621 10minus19
protone (p)
1673 10minus27 1007276 938 MeV +1621 10minus19
neutrone (n)
1675 10minus27 1008665 939 MeV 0
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
9
Difetto di massa
Difetto di massa la massa atomica di un elemento egrave minore della somma delle masse dei costituenti
Dai dati otteniamo quindi un difetto di massa pari a
u564634u10086652656 u) 54900001007276(26
)(
)(
mZ)(AmmZM nep
Vediamo ad esempio il caso del 56Fe (A=26p+30n=56) che ha una massa pari a 559349u
legame di energiaMeV 492MeVu 931u05285
u05285u93495546345626
B
MMMFe
Tale difetto di massa rappresenta lrsquoenergia che dobbiamo fornire al nucleo dellrsquoisotopo in questo caso al 56Fe per scinderlo nei suoi componenti originari
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
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Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
10
Energia di legame
Dal difetto di massa possiamo trarre una misura della forza di coesione media del nucleo data dallrsquoenergia di legame media per nucleone
Ad esempio nel caso del 56Fe si ha
MeV79856
MeV492
A
BEB
Riportando su grafico lrsquoenergia di legame per nucleone degli isotopi in funzione del numero di massa si osserva che essa egrave piccola per elementi con numero di massa piccolo quindi cresce rapidamente con il valore di A raggiungendo il massimo in corrispondenza di valori di A prossimi a 50 per poi diminuire gradualmente
13
massadiNumero
legame di Energia
A
BEB
11
Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
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Energia di legame 23
La curva aumenta rapidamente allrsquoaumentare di A raggiungendo il valore massimo di 88 MeV in corrispondenza di 56Fe per diminuire quindi lentamente
Ne risulta che la somma di nuclei con A ltlt 56 per dare un unico nucleo con Alt56 (fusione nucleare) genera energia
La dissociazione di un nucleo pesante (A gt 56) per darne due di piugrave leggeri (processo di fissione nucleare) comporta liberazione di energia
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
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Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
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Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
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15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
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Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
12
Energia di legame In sintesi considerato lrsquoandamento dellrsquoenergia di legame per nucleone si ha
33
NB allo stato attuale tutti i reattori nucleari commerciali si basano sul processo di fissione nucleare mentre quelli a fusione sono ancora nella fase di studio e sono quindi unicamente reattori di ricerca poicheacute attualmente non riescono a produrre piugrave energia di quella che impiegano
FISSIONE NUCLEARE scissione di un nucleo di un elemento molto pesante (quindi che si trova verso lrsquoestremo destro della curva) in due nuclei piugrave leggeri (che si trovano quindi in una zona centrale) Produrrebbe due elementi maggiormente legati con conseguente emissione della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale
FUSIONE NUCLEARE fusione di due nuclei di elementi molto leggeri (quindi che si trovano verso lrsquoestremo sinistro della curva) in un uno piugrave pesante Determina uno stato finale in cui il nucleo egrave maggiormente legato Anche questo processo egrave accompagnato dal rilascio della differenza tra lrsquoenergia finale e quella iniziale Lrsquoenergia nelle stelle egrave dovuta a questi processi di sintesi nucleare
13
Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
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Stabilitagrave nucleare
Per essere stabile un nucleo deve avere un rapporto protonineutroni ben definito
Per bassi valori del numero Z i nuclei esistenti hanno circa lo stesso numero di protoni e di neutroni al crescere di Z il numero di neutroni aumenta rispetto a quello dei protoni
Infatti al crescere del numero di protoni aumenta la repulsione coulombiana per cui egrave necessario che cresca il numero di neutroni in modo che la forza nucleare prevalga sulla forza di repulsione coulombiana
Per nuclei con numero atomico Z fino a 20 il rapporto neutroniprotoni egrave normalmente 1
Allrsquoaumentare del numero atomico Z il numero di neutroni necessari per avere nuclei stabili egrave largamente superiore a Z
Esistono 267 isotopi stabili e piugrave di 60 isotopi radioattivi naturali (quelli artificiali sono oltre 1000)
12
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
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A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
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03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
14
Stabilitagrave nucleare
I nuclei instabili per il fatto di avere troppi neutroni o troppi protoni tendono a trasformarsi per raggiungere una configurazione piugrave stabile diminuendo proprio il numero di protoni o di neutroni
Un nucleo che si trova al di sopra della curva di stabilitagrave (rappresentata dallrsquoinsieme dei nuclei stabili in rosso) ha troppi neutroni e quindi tenderagrave a trasformare un neutrone in un protone per spostarsi verso una regione a maggiore stabilitagrave
Allo stesso modo un nucleo che si trova al di sotto della curva di stabilitagrave ha troppi protoni e tenderagrave quindi a trasformare un protone in un neutrone
22
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
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15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
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21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
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16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
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1
annia
at 15506
10
74ln
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5370ln
1 0
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
15
Decadimenti Radioattivi
Per decadimento radioattivo si intende il processo che rende un nucleo piugrave stabile
emettendo radiazioni che in realtagrave sono costituite da piccole particelle (radiazioni alfa eo beta)
producendo un nuclide piugrave stabile dello stesso elemento emettendo in tal caso radiazioni di natura elettromagnetica (radiazioni gamma)
I decadimenti nucleari sono raggruppabili in tre classi principali
decadimento alfa (a)
decadimento beta (b+ o b-)
decadimento gamma (g)
Nel caso dei decadimenti a e b si ottiene un nuclide di unrsquoaltra specie mentre per il decadimento g resta lo stesso nuclide con uno stato energetico diverso
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
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e
A
Z
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Z eYX
1eepn
e
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e
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19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
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03
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N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
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Bqa 141002640
10525
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
16
Decadimento alfa (a)
Decadimento alfa (a) emissione dallrsquointerno del nucleo di una particella α costituita da 2 protoni e 2 neutroni che non egrave altro che un nucleo di elio (4He)
Il decadimento alfa interessa principalmente i nuclei pesanti (Zgt82) e carenti in neutroni (per Z grandi la repulsione elettrostatica diventa preponderante visto il corto raggio drsquoazione della forza nucleare forte)
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Ciograve egrave possibile quando la massa del nucleo padre egrave maggiore della massa del nucleo figlio + la massa della particella alfa Il difetto di massa si traduce in emissione di energia DISCRETA che egrave principalmente energia cinetica della particella alfa
Il risultato di questo tipo di decadimento egrave un nuclide di altra specie e una particella alfa con emissione di energia secondo lo schema
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
Energia liberata nel decadimento del 232U
ESEMPIO
HeThU 4228232
Elemento Massa (u)
232U 232037131
228Th 228028716
4He 4002602
uMeVuQ 59310026024028716228037131232
MeVuMeVuQ 4559310058130
In base alla legge di conservazione della quantitagrave di moto si puograve dimostrare
che la particella alfa in questo decadimento ha una energia cinetica di circa
53 MeV
Il nucleo figlio che rincula ha quindi una energia cinetica di circa 01 MeV
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
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12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
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bull httpslideplayeritslide571610
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Crediti Immagini
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18
Decadimento beta (b)
Esistono 3 diversi tipi di decadimento beta
Decadimento b trasformazione di un neutrone del nucleo in un protone con emissione di un elettrone e di un antineutrino
Decadimento b+ trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone con emissione di un positrone e di un neutrino
Cattura Elettronica (EC) trasformazione di un protone del nucleo in un neutrone mediante cattura di un elettrone atomico
12
e
A
Z
A
Z eYX
1eepn
e
A
Z
A
Z eYX
1eenp
e
A
Z
A
Z YeX
1enep
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
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14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
19
Decadimento gamma (g)
ldquoEmissione gammardquo Si ha quando un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo si trova in uno stato eccitato
In questo caso il nucleo si porta nella configurazione piugrave stabile emettendo radiazione elettromagnetica (raggi gamma) corrispondente al salto energetico dei livelli interessati
I raggi g sono di fatto radiazione costituita da fotoni del tutto simili ai raggi X
La differenziazione si deve essenzialmente allrsquoorigine nucleare nel caso dei raggi g e atomica (elettronica) per quella dei raggi X
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
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Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
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In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
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N
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Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
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Bqa 141002640
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
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Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
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DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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1
annia
at 15506
10
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
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bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
20
Legge del decadimento radioattivo 13
I nuclei conosciuti a oggi sono circa 2700 e di questi solo il 10 circa (quindi circa 270 nuclei) risulta stabile
Lrsquoistante esatto in cui un radionuclide decadragrave non si puograve prevedere esattamente Tuttavia il numero di decadimenti che avvengono in una sostanza radioattiva rispetta una legge statistica ben precisa
La probabilitagrave che ha ogni nucleo di decadere nellrsquounitagrave di tempo egrave indicata con il nome di costante di decadimento λ
Si definisce attivitagrave del campione la quantitagrave di atomi che decade nellrsquounitagrave di tempo Detto N il numero di nuclei si ha
La sua unitagrave di misura egrave sminus1 che nel Sistema Internazionale viene indicata con il nome becquerel (Bq)
Altra unitagrave di misura storicamente importante e ancora usata egrave il curie (Ci) che corrisponde allrsquoattivitagrave di 1 g di 226Ra
Na
1 Ci = 37 times 1010 Bq
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
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N0
N0e
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Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
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N
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Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
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Bqa 141002640
10525
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6930 237
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10160
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
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C
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105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
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DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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annia
at 15506
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
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bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
21
Legge del decadimento radioattivo 23
Se consideriamo un intervallo di tempo t in base allrsquoattivitagrave del campione il
numero di nuclei N che decadono nellrsquointervallo t egrave dato da
tNN
Dove N0 il numero di nuclei di cui egrave costituito il campione radioattivo al
tempo t = 0 00 05 10 15 20 25 30 35 40
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15N
N0
N0e
N02
N04
t T12 2 T12 t
teNtN 0
Legge del decadimento radioattivo
Il segno meno indica il fatto che il numero di atomi diminuisce nel tempo Integrando lrsquoequazione differenziale otteniamo
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
2ln
21
Bqa 141002640
10525
104
6930 237
16
Bqg
sa 400010026
40
10160
104
6930 234
16
24
Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
25
Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
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bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
22
Legge del decadimento radioattivo 33
La legge del decadimento radioattivo si puograve esprimere anche in termini di attivitagrave (che egrave una sorta di velocitagrave di decadimento)
teataaNt
NtNN
0
In termini di tempo si definiscono le seguenti caratteristiche
69302ln2
1 T
Tempo di Dimezzamento
1
Vita Media
Nota la massa m (grammi) di una sorgente radioattiva con costante di decadimento la sua attivitagrave egrave
(A egrave il numero di massa e NA il numero di Avogadro)
ANm
Na A
Attivitagrave
A
AS
N
m
aa
Attivitagrave Specifica
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
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ANm
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A
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Bqa 141002640
10525
104
6930 237
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Bqg
sa 400010026
40
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104
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
12
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
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TNa 741081
360024253655370
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0
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
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at 0210 ln
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1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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1
annia
at 15506
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Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
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bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
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bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
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bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
Calcolare lrsquoattivitagrave a di 40K in una banana sapendo che essa contiene 525 mg di
potassio (T12 del 40K =126 109 anni percentuale isotopica 40K 001)
m egrave la massa (in grammi) del solo 40K
Egrave pari allo 001 della massa totale di K
sanniT 169 104102612
1
ggm 73 10525100
01010525
Nel corpo umano di un adulto vi sono circa 160 grammi di potassio contenuti
essenzialmente nelle ossa Ersquo quindi una sorgente naturale di 40K la cui attivitagrave egrave
ESEMPI
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
ANm
TNa
A
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Bqa 141002640
10525
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Bqg
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104
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
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1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
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(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
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DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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Bibliografia amp Sitografia
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Radioattivitagrave Primordiale
Esistono in natura una serie di radionuclidi con tempo di dimezzamento confrontabile con lrsquoetagrave dellrsquoUniverso (Tasymp13∙109 anni) o della Terra (T asymp 45∙109 anni) e pertanto ancora presenti sulla Terra anche in quantitagrave rilevanti
Tra questi alcuni decadono originando dei nuclei instabili che decadono a loro volta creando in questo modo delle catene radioattive dette ldquoSerierdquo o ldquoFamiglierdquo Radioattive Le famiglie radioattive piugrave importanti sono
Famiglia del 232Th T12 = 1405 109 anni e ai=100 =gt 208Pb
Famiglia dellrsquo238U T12 = 45 109 anni e ai=9928 =gt 207Pb
Famiglia dellrsquo235U T12 = 07 109 anni e ai= 072 =gt 206Pb
Th presente in molte rocce e nel suolo con concentrazione media di circa 12 ppm U presente nelle rocce nel suolo nellrsquoacqua La concentrazione media sulla crosta terrestre egrave di circa 3 ppm essa varia perograve notevolmente a seconda del tipo di suoloroccia
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
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1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
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Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
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at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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Bibliografia amp Sitografia
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bull httpslideplayeritslide571610
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Radioattivitagrave Primordiale
Se i tempi di dimezzamento degli elementi delle catene sono tali che il radionuclide padre ha una vita media molto piugrave lunga del radionuclide figlio (1ltlt2) si raggiunge una condizione detta equilibrio secolare in cui la quantitagrave di un isotopo radioattivo rimane costante percheacute il suo tasso di produzione (dovuto ad es al decadimento di un isotopo padre) egrave uguale al suo tasso di decadimento
22
Altri elementi decadono direttamente in elementi stabili senza innescare catene e pertanto sono detti Isolati
Ne egrave un esempio il Potassio-40 (40K) con T12 asymp 13∙109 anni che si trova
pressocheacute ovunque (terreno materiali edili cibo corpo umano)
Un altro radionuclide naturale di particolare importanza egrave il carbonio-14 (14C)
con T12 asymp 5730 anni prodotto nellrsquoalta atmosfera per interazione dei raggi
cosmici con azoto-14 (14N) molto utilizzato per la datazione degli organismi viventi
DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
TNa 741081
360024253655370
2ln2ln 13
0
21
00
I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
Slide da ldquoELEMENTI DI OTTICA E FISICA NUCLEARErdquo di Ivan Veronese
httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
aT
a
at 0210 ln
2lnln
1
annia
at 15506
10
74ln
2ln
5370ln
1 0
28
29
Bibliografia amp Sitografia
bull Mirri L- Parente M Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili Zanichelli
bull httponlinescuolazanichelliitchimicafacilefiles201106Espansione-2-1pdf
bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
bull httplemchunitoitdidatticainfochimica2007_Tecnezioradiochimicahtml
bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
bull httpsuploadwikimediaorgwikipediacommonsbb3Tavola_periodica_2013png
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DATAZIONE CON 14C
Una misura chimica su un osso ha quantificato la presenza di 300 g di carbonio Una
misura dellrsquoattivitagrave del 14C ha fornito un valore di 10 Bq Determinare
approssimativamente lrsquoepoca di appartenenza del campione
Bq
sN
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360024253655370
2ln2ln 13
0
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I 300 g di carbonio sono quasi tutto 12C 120 g di 12C contengo 602x1023 atomi quindi 300 g
contengono un numero di atomi di 12C pari a atomig
g
atomiN
C
2523
105130012
1002612
Questa egrave lrsquoattivitagrave fintanto che lrsquoanimale era in vita Dallrsquoistante del decesso cessa lrsquoassunzione di
carbonio e quindi lrsquoattivitagrave di 14C diminuisce secondo la legge di decadimento
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Il numero di atomi di 14C presenti quando lrsquoanimale era in vita era
atomiNNCC
1312 10811021 1214
Lrsquoattivitagrave originale corrispondente
teaa 0
Da cui si ricava il tempo
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httpslideplayeritslide571425
(12∙10minus12
abbondanza isotopica 14
C)
a
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at 0210 ln
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1
DATAZIONE CON 14C
Sostituendo i valori dellrsquoattivitagrave al tempo t (ossia quella misurata) e dellrsquoattivitagrave
iniziale (quella dellrsquoanimale in vita) e ricordando il tempo di dimezzamento del 14C si ottiene
ESEMPIO DATAZIONE CON 14C
Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
stimare cioegrave lrsquoerrore associato al risultato ottenuto
a
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at 0210 ln
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annia
at 15506
10
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bull httpwwwchimdocet-inorganicaitSITO_ESERCIZIComplementiCOMP1NUCLEOpdf
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bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
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Crediti Immagini
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Ci sarebbe ovviamente da considerare anche lrsquoanalisi delle incertezze
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a
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annia
at 15506
10
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bull httpslideplayeritslide980740
bull httpslideplayeritslide571610
bull httpsitwikipediaorgwikiRadioattivitC3A0
bull httpwwwsapereitsaperestrumentistudiafacilechimicaLa-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimicheChimica-nucleareLa-radioattivit-html
30
Crediti Immagini
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