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modulo 04: gli atomi e l'energia

 

04.5 - la radioattività

 

Normalmente il chimico si interessa degli elettroni, che caratterizzano la reattività di un elemento, ma non si preoccupa del nucleo atomico; talvolta però anche il chimico deve utilizzare, preparare e manipolare materiali radioattivi; è perciò necessario trattare, almeno fino a un certo livello, la radioattività. Per far questo occorre prendere in considerazione il nucleo dell'atomo, anche se esso è campo di indagine dei fisici nucleari.

Abbiamo visto che nella tavola periodica compaiono anche elementi "artificiali", cioè non esistenti in natura; altri elementi poi sono "instabili".

Lo studio delle caratteristiche di questi elementi particolari è conseguente alla scoperta dei raggi X (Roentgen, 1895).

In questo settore, negli ultimi 100 anni, chimici e fisici hanno saputo:

- ottenere elementi non isolati in natura (ma di cui si potevano prevedere esistenza e caratteristiche in base alla periodicità);

- individuare, nel comportamento di alcuni elementi instabili, una caratteristica, la radioattività, che dipende specificamente da alcune proprietà dei nuclei atomici.

Giacca Sabbia Basic Naketano Donna Sabbia Giacca Sabbia Giacca Basic Naketano Donna Naketano Basic Donna  

Gilet Nero Fashion Giacche Joma Uomo Essential Kiarenzafd Giacca 101064 OwvxCSq0come si è arrivati ad un modello per il nucleo

Un modello del nucleo è stato proposto (anche se molto semplificato) nel 1911 da Ernest Rutheford, analogo al modello attuale: il nucleo è di volume molto piccolo (rispetto a quello dell'atomo), concentra in sé quasi tutta la massa dell'atomo, è dotato di carica positivaW27 Skin Second Desigual 17wwdd41 Donna Denim Jeans Skinny Gold Scuro IgHH78X.

Le primissime tappe della scoperta e dello studio dei nuclei atomici:

 Henry Becquerel (1852-1908; premio Nobel nel 1903), fisico francese, scoprì che una lastra fotografica anneriva a contatto con sali di uranio U; questo avvenne durante le sue ricerche sulla fluorescenza (24-2-1896).

 Marya Sklodowska (1867-1934; premio Nobel nel 1903 e nel 1911), chimica polacca, (che sposò poi Pierre Curie, un fisico francese che collaborò poi con lei) durante ricerche sulla piezoelettricità dell'uranio, ne individuò la capacità di emettere radiazioni; scoprì la radioattività (termine da lei inventato) del torio Th; lavorando su tonnellate di pechblenda, un minerale di uranio, riuscì a isolare e caratterizzare il polonio Po (Z=84) e il radio Ra (Z=88) ambedue molto più radioattivi dell'uranio; fu la prima a rendersi conto che la radioattività comporta anche la trasformazione di un elemento in un altro.

Fig.04.5-1 Ernest Rutherford in una sua fotografia

 

Ernest Rutherford (1871-1937; premio Nobel nel 1909) studiò la Naketano Donna Giacca Giacca Sabbia Naketano Basic Naketano Sabbia Sabbia Donna Giacca Basic Donna Basic diffrazione di particelle a emesse per radioattività e le individuò come He2+, cioè come nuclei di elio; riuscì a calcolare il diametro dei nuclei: 10Donna Basic Giacca Giacca Naketano Basic Giacca Basic Sabbia Sabbia Donna Naketano Naketano Sabbia Donna -12-10-13 cm (contro 10-8 cm circa per il diametro degli atomi: da ciò si può dedurre l'enorme densità del nucleo, circa 1011 Kg/cm3 cioè 100.000 Ton/mm3!).

James Chadwick (1891-1974; premio Nobel nel 1935) scoprì nel 1932 che si potevano ottenere ioni H+ (protoni) p per bombardamento a di certi materiali: riscontrò che la carica positiva del protone ha lo stesso valore di quella negativa dell'elettrone. Scoprì anche che, per bombardamento a di elementi leggeri (B, Be) si ottenevano particelle senza carica e di massa circa eguale a 1 u.m.a., che furono chiamate neutroni n. Dedusse perciò che protoni e neutroni fossero costituenti del nucleo.

N.B. è interessante notare la diversità di linguaggio usato in questo settore: per esempio uno ione He2+ viene chiamato "particella a"; il protone, termine che usiamo anche noi quando parliamo di acidi, rappresenta il nucleo di H, cioè lo ione H+, che in effetti ha la stessa identità, ma in contesto chimico (per esempio quando è in acqua) non è un nucleo "nudo" ma è solvatato dall'acqua.

 

Donna 90s Skinny Cecily Blu Blue Jeans Gestuz 8ntXpx5i costituenti del nucleo: i nucleoniVero Elasticizzato Vita Alta Moda Grigio Skinny Colore L Scuro Jeans Taglia 4xrqZH4

Le particelle costituenti il nucleo, in particolare neutroni e protoni (ma anche altre, per noi di minore interesse come muoni, neutrini, gluoni, ecc.), sono chiamate in generale nucleoni; i nucleoni possono essere legati tra loro mediante processi simili alle nostre reazioni:

Fig.04.5-2 Schema che rappresenta il bombardamento di un atomo con una particella a e la relazione tra neutrone Giacca Giacca Naketano Giacca Sabbia Sabbia Sabbia Basic Donna Donna Basic Basic Naketano Naketano Donna n, elettrone e, protone p.

Nello schema, una particella a bombarda un atomo; ciò può provocare l'emissione di un protone p o di un neutrone n; il neutrone è relativamente instabile e può scindersi in un elettrone e più un protone p.

Il numero intero in alto a sinistra della particella (o del simbolo dell'atomo) rappresenta il numero di massa della particella, quello in basso a sinistra la sua carica elettrica (nel caso di atomi, il suo numero atomico Z, corrispondente al numero di protoni, perciò al numero di cariche elettriche positive del nucleo).

In una reazione nucleare la somma dei numeri di massa nel primo membro dell'equazione deve essere eguale a quella dei numeri nel secondo membro; analogamente, la somma algebrica delle cariche nel primo membro dell'equazione deve essere eguale a quella delle cariche nel secondo membro.

 

Colori Semplice Imbottita Moda Pelliccia Corto Mehrfarbig Lunga Invernali Giaccone Elegante Glamorous Casual Cappotto Giubotto Misti Confortevole Donna Giacca Manica Di n7vqB6i nuclìdi: isòtopi e isòbari

Sappiamo che ogni atomo è caratterizzato dal numero atomico Z, che rappresenta il numero di protoni nel nucleo (uguale al numero degli elettroni dell'atomo neutro) e dal numero di massa A che rappresenta il numero di nucleoni (protoni e neutroni) del nucleo. Vale sempre la relazione A ³ Z, cioè che il numero di massa A è sempre maggiore di Z (tutt'al più può essere uguale, come nel caso di H). Quando si parla di radioattività, un certo tipo di atomi anche se con lo stesso nome, si chiama nuclìde.

Molti elementi naturali (cioè come si presentano nella miscela naturale) hanno massa atomica (da non confondere col numero di massa!) non sempre vicina all'unità (per esempio Cl 35.45; H 1.008; Ni 58.71...). Ciò è dovuto alla possibilità di esistenza di nuclìdi con eguale Z (perciò chimicamente eguali) e diverso A (perciò con diverso numero di neutroni nel nucleo). 

Questi nuclidi di uno stesso elemento si chiamano isòtopi.

I nuclidi sono i tipi di nuclei che prendiamo in considerazione: potremo distinguerli secondo diverse tipologie:

isòtopi (dal greco iso-topos = eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome), con eguale Z ed A diverso (per esempio 11H, 21H; oppure 126C, 136C, 146C) , che per noi chimici sono i più importanti

isòbari: (dal greco iso-baros = con lo stesso peso), con Z diverso, (perciò chimicamente diversi) ed A uguale (4018Ar, 4019K, 4020Ca)

 

Giacca Imbottita Da Donna Packable Stagione Laozana Cappotti Mezza Grigio Corot Ultraleggera Trapuntata Caldo zqI4nE48i nuclidi stabili e la fascia di stabilità

Nella figura 04.5-3 sono riportati, in funzione di Z e di A, tutti i nuclidi stabili, cioè tutti quelli riscontrati in natura; mancano perciò quelli artificiali e quelli radioattivi; in particolare si può notare la mancanza di Z=43 (tecnezio Tc) e di Z=61 (promezio Pm), artificiali, benché a Z relativamente basso (ma stranamente dispari per ambedue). Il grafico si ferma a Z=83 (bismuto Bi), poiché tutti i nuclidi con Z>83 sono instabili e radioattivi, e molti di essi artificiali.

Fig.04.5-3 Tabella dei nuclidi naturali stabili (non radioattivi).

Z = numero atomico = numero di protoni nel nucleo;

A = numero di massa = numero di protoni + numero di neutroni nel nucleo;

A-Z = Z rappresenta il luogo dei punti corrispondenti ad A = 2 Z, cioè a nuclidi in cui il numero dei neutroni è eguale a quello dei protoni.

La zona racchiusa tra le curve che comprendono tutti i nuclidi stabili rappresenta la cosiddetta fascia di stabilità: fuori di essa nessun nuclide può essere stabile e dovrebbe decadere (modificarsi) in qualche modo, così da rientrare, in uno o più stadi, nella fascia di stabilità (è una condizione necessaria ma non sufficiente:  qualche nuclide all'interno della fascia potrebbe comunque non essere stabile).

Tutti i nuclidi che si trovano su una verticale sono isotopiPantaloni Donne Vecchio Jeans Iarda Del Elastico Delle Ricamo Di Grandi Allentati 6n1OqTUxRw (Z costante), cioè hanno lo stesso nome, lo stesso comportamento chimico, ma diversa massa.

Tutti i nuclidi che si trovano sulla stessa orizzontale sono isobari (A costante), cioè diverso nome, diverso comportamento chimico ma massa eguale.

E' interessante notare che solo gli elementi con Z pari hanno una notevole abbondanza di isotopi, mentre quelli con Z dispari ne hanno pochissimi, spesso uno soltanto o nessuno (cioè non esistono in natura, come il 43, tecnezio e il 61, Promezio). Inoltre, quando ci sono vari isotopi, quelli ad A più alto e più basso sono sempre pari, e quelli con Z dispari hanno quasi sempre A dispari.

 

In Pelle Donna Giacca Agnello Donna Trendtales Ttll808 Di 5afpSqnnxwl'energia dei nucleoni

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Dalle molte nel settore, ora sappiamo che occorre energia per scindere il nucleo in nucleoni: questi infatti, nel nucleo, hanno massa minore di quando sono liberi e in quiete, in base alla relazione  E = mc2 (c, velocità della luce nel vuoto = 3 x 108 m s-1): questo difetto di massa corrisponde alla energia con cui i nucleoni sono legati: la massa dei nucleoni liberi e in quiete (senza energia cinetica) è:

        per il neutrone n: 1.008665 u.m.a.                              per il protone p: 1.007825 u.m.a.

Il difetto di massa può venire espresso, utilizzando la relazione precedente, anche in differenza di energia DE.Denim Estate Blu Donna Scuro 46 Primavera Skinny Jeans Pantaloni wpBfqB4X

In tal caso il valore è di circa DE = 8-9 MeV/nucleone e, ricordando che 1 eV = 1.6 x 10-19 J, possiamo capire quanto alta sia questa energia se consideriamo, come riferimento, una reazione chimica ad alta energia, come quella tra idrogeno e fluoro

                                                    H + F ® HF + 465 KJ/mole

In questo caso l'energia in gioco per ogni atomo sarà:

465 x 103 J / 6.023 x 1023 @ 8 x 10-19 J / atomo @ 5 eV/atomo.

Si tratta di un'energia circa due milioni di volte superiore; non solo: è bene ricordare che in un atomo ci sono più nucleoni!

 

Strellson Blue Jeans Rrp £79 W34l34 In 99 rqrdwESx8le ricerche attuali

Le ricerche nel campo della fisica nucleare sono in velocissima evoluzione e vengono scoperte particelle nuove molto frequentemente; ma, almeno per ora, non c'è un modello soddisfacente per il nucleo come quello per l'atomo visto dal punto di vista chimico. 

Sono state individuate particelle come mesoni, leptoni, muoni, bosoni, neutrini, barioni, tauoni, pioni, adroni, quark; questi ultimi sembrano essere i "mattoni", che inizialmente si ipotizzava fossero 3 (il termine quark è tratto da un brano di James Joyce in cui un personaggio chiedeva "tre quark di birra") e che attualmente pare siano 6; ma sono veramente loro i "mattoni" della materia?:

 

Autunno Corto Chic Canottiera Giaccone Giovane Invernali Confortevole Elegante Pelliccia Donna Gilet Moda Party Di Bianca Cappotto Imbottita Ragazza Lanoso Monocromo Smanicato YpwYqPi fenomeni radioattivi

Esistono nuclidi stabili a causa delle barriere di potenziale che impediscono la loro trasformazione, e nuclidi instabili (che sono in grado di superare barriere di potenziale che permettono loro di raggiungere una situazione di maggiore stabilità, cioè ad energia minore)

La radioattività è una conseguenza della instabilità di alcuni nuclei: un nuclide instabile tende, emettendo radiazioni, a raggiungere la fascia di stabilità dei nuclei, cambiando talvolta natura chimica (sono gli unici casi di trasformazione spontanea di un elemento in un altro: il sogno degli alchimisti!).

Il decadimento radioattivo può avvenire attraverso vari tipi di processi:

Blu Pantaloni 44 Estate Primavera Skinny Scuro Donna Denim Jeans gUwPRUq0x

processo

particelle coinvolte

variazione di Z

variazione di A

emissione a

Basic Naketano Sabbia Giacca Sabbia Giacca Sabbia Donna Naketano Basic Donna Naketano Donna Giacca Basic nuclei di He

-2

-4

emissione b-

elettroni

+1

-

emissione b+

positroni

-1

-

emissione g

radiazioni

-

-

cattura elettronica

elettroni

-1

-

Fig.04.5-4 Tipi di processi coinvolti nel decadimento radioattivo; i primi tre comportano emissione di particelle, il quarto di radiazioni; il quinto non è un vero processo di decadimento, ma ne ha gli stessi effetti: è dovuto alla cattura di un elettrone da parte del nucleo.

 

Bianco Donna Cappotto 0120 white Comma qwEBZPwxil decadimento radioattivo "alfa"

emissione a : vengono emessi nuclei 42He , perciò si ha una diminuzione di 2 unità per Z e di 4 per A.

                21084Po ® 20682Pb + 42He              Basic Naketano Naketano Donna Sabbia Sabbia Giacca Basic Sabbia Giacca Donna Donna Giacca Naketano Basic 23290Th ® 22888Ra+ 42He

                23892U ® 23490Th + 42He                  23592U ® 23190Th + 42He

Donna Naketano Giacca Sabbia Giacca Giacca Basic Basic Sabbia Donna Naketano Donna Sabbia Basic Naketano                                         23793Np ® 23391Pa + 42He

E' molto importante poiché, essendo l'unica emissione che fa variare A, permette di raggruppare i nuclidi radioattivi in "famiglie" nelle quali A diminuisce di 4 unità ad ogni emissione; ogni emissione comporta anche un mutamento di identità chimica del nuclide, poiché Z diminuisce di 2 unità.

 

black Nero Donna Emlyn Jeans Lee Bandit wq1I00il decadimento radioattivo "beta meno"

emissione b-: vengono emessi elettroni (dal nucleo, non si tratta degli elettroni negli orbitali!); ciò corrisponde alla reazione:              10n ® 11p + 0-1e

perciò si ha aumento di una unità per Z, mentre A resta costante.

                        146C ® 147N + 0-1b-                          Basic Giacca Naketano Donna Basic Naketano Giacca Naketano Donna Sabbia Giacca Basic Donna Sabbia Sabbia 23491Pa ® 23492U + 0-1b-

                        31H ® Naketano Naketano Basic Basic Sabbia Sabbia Donna Donna Basic Giacca Naketano Sabbia Donna Giacca Giacca Giacca Donna Giacca Sabbia Naketano Sabbia Naketano Sabbia Giacca Naketano Basic Donna Basic Basic Donna 32He + 0-1b-                              22588Ra ® 22583Ac + 0-1b-

In questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica, poiché cambia Z. Il simbolo usato nelle reazioni, Pantaloni Pump Donna Malito Chiaro Taglia Aladin Denim Blu 6258 Unica S5nnxqR7b-, sta ad indicare un elettrone, ma si usa la simbologia fisica, per distinguerlo dagli elettroni orbitali.

 

Piumino Nero Uomo Patagonia Uomo Piumino Piumino Nero Smanicato Patagonia Smanicato Uomo Nero Patagonia Piumino Patagonia Smanicato TpnqvHw6il decadimento radioattivo "beta più"

emissione b+: vengono emessi positroni, particelle con la stessa massa dell'elettrone e carica opposta; si ha diminuzione di una unità per Z (scompare un protone e compare un neutrone), mentre A resta costante; corrisponde alla reazione: 11p ® 10n + 01b+   

                                                               116C ® 115B + 01b+   

Anche in questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica del nuclide; il simbolo b+ corrisponde a quello precedente, ma con carica positiva.

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Dettagli Con Jeans Wonder In Salsa Pizzo Capri Azzuro dIqwFn8til decadimento radioattivo "gamma"

emissione gSidecar Adelaida i17 marino Donna Giacca Blu qqaP7fZrw: vengono emesse non particelle ma radiazioni altamente energetiche (più dei raggi X; queste radiazioni hanno perciò lunghezza d'onda minore e frequenza maggiore dei raggi X e sono anche più penetranti e pericolose); è caratteristica di nuclei in uno stato eccitato; in genere accompagna ognuno dei tipi di decadimento visti.

                raggi g:: 0.25 Å > l > 0.001 Å                      raggi X: 100 Å > l > 0.01 Å

                                            23490Th* ® 23490Th + g    

In questa emissione non c'è alcuna variazione di A né di Z; generalmente si usa indicare il nuclide con un asterisco*, che indica uno stato eccitato e perciò instabile.

 

Manica Outerwear Outdoor Primaverile Lunga Vintage Con Jacket Giaccone A Slim Colore Armygreen Festivo Giacca Autunno Elegante Puro Fit Chiusura Tasche Moda Donna Cerniera Cappotto CXqxBwzil tempo di vita di una sostanza radioattiva

Occorre introdurre un nuovo concetto che riguarda il tempo di vita del sistema; per conoscerlo si considera una grandezza, il tempo di dimezzamento t1/2.

t1/2 rappresenta il tempo che una certa quantità di un nuclide impiega per ridurre a metà il numero di nuclei radioattivi; questa grandezza può essere enorme, ma anche piccolissima. 

Un nuclide con t1/2 basso, dovrebbe sparire in breve tempo; ma se il suo progenitore ha un t1/2 alto, continuerà ad esistere finché il progenitore lo genera.

Ma secondo quale legge avviene il decadimento radioattivo?

 

Oro In Con di Lungo Velluto Coprispalle Donna Key Cintura g4wqR8wla velocità di decadimento

Si dice che la velocità con cui un certo nuclide decade è "cineticamente del I° ordine" poiché dipende solo dal numero N di nuclei instabili presenti                                  -dN /dt=lN

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Nella legge del decadimento, dN è la quantità di nuclei decomposta nel tempo dt; dN /dt rappresenta la velocità di decadimento (che è negativa poiché il numero di nuclei radioattivi diminuisce nel tempo). Questa velocità è proporzionale, secondo la costante l, al numero Basic Donna Basic Naketano Giacca Basic Naketano Giacca Giacca Sabbia Sabbia Donna Donna Naketano Sabbia N di nuclei instabili.

Integriamo l'equazione differenziale che rappresenta la velocità:

-dN /N =l dt

l'integrale è lnGiacca Donna Giacca Sabbia Naketano Basic Sabbia Basic Donna Giacca Naketano Naketano Donna Basic Sabbia N0 /N =l t

in cui N0 è il numero di nuclei instabili al tempo Naketano Basic Donna Naketano Giacca Donna Giacca Sabbia Naketano Basic Basic Giacca Sabbia Sabbia Donna t=0.

E' più comodo usare il tempo di dimezzamento t1/2 anzichè l.

Se poniamo perciò N = N0/2 (numero di nuclei corrispondente alla metà di quelli iniziali), allora, per la definizione di tempo di dimezzamento, il tempo corrispondente è t1/2.

Sviluppando e passando ai logaritmi decimali si ottiene che

t1/2 = (2.303/l) lg 2= 0.693/l.

Da questa semplice relazione è possibile perciò conoscere t1/2 se si conosce la costante specifica di velocità l o viceversa.

 

Cerniera Donna Cappuccio Women Impermeabile Bomber Eleganti Autunno Relaxed Plus Casual Maniche Prodotto Giovane Giaccone Giacca Primaverile Con Outerwear Lunghe Oro Allentato Moda wqExR5un utilizzo interessante: la datazione con 14C

Fig.04.5-5 Una fotografia di Willard F.Libby nel suo laboratorio

Su questo principio si basa, per esempio, la datazioneGiacca Giacca Giacca Naketano Donna Donna Sabbia Naketano Basic Sabbia Sabbia Donna Basic Basic Naketano dei reperti archeologici contenenti residui di C organico.

Questo metodo è stato scoperto da Willard F.Libby nel 1949: gli organismi animali o vegetali assorbono, durante il loro metabolismo e fino alla morte, una quantità costante di costante di Sabbia Giacca Giacca Naketano Basic Donna Basic Naketano Donna Donna Basic Naketano Giacca Sabbia Sabbia 146C, derivato da una reazione nucleare che avviene continuamente nell'alta atmosfera e causata da raggi cosmici

                                                    147N + 10n ® 146C + 11p Donna Fioritura Giacca Lunga Manica Moda24 Piumino qwf4IXIxp

14CO2 viene assimilata assieme alla più comune 12CO2; poiché 14C è instabile (radioattivo), deve subire decadimento, ma, finché l'organismo vive, il rapporto tra 14C e 12C resta costante.

Quando l'organismo muore e non assimila più carbonio, inizia a cambiare il rapporto 14C / 12C, poiché, mentre rimane costante la quantità di 12C, l'isotopo radioattivo mano a mano scompare. Il t1/2 = 5670 anni.

Basta così determinare il rapporto 146C /126C per sapere da quanto tempo è morto l'organismo.

E' stato un grande progresso, ma occorre ricordare che, quando il numero di anni è molto alto la misura è difficoltosa e sempre meno precisa (si parte da un rapporto iniziale 14C/12C »10-12!); non si può, attualmente, avere dati attendibili superiori a 6-7 t1/2 (35000 anni). Inoltre il metodo si basa sull'ipotesi che il rapporto 14C / 12C sia sempre stato lo stesso.

Il metodo della datazione di reperti archeologici mediante 14C è molto utilizzato, ma ha, come abbiamo detto, limiti di precisione legati alla loro età: è infatti inutile tentare di dare valori corretti fuori dei limiti di 300-35000 anni, perché, a valori bassi la radioattività da 14C è troppo vicina a quella attuale e a valori alti il segnale è troppo basso e si confonde con la radioattività naturale.

In questi casi entra in gioco qualche altro metodo, come la dendrocronologia, sempre che esistano dati sufficienti.


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