CHIMICA NUCLEARE Come possibile che cariche dello stesso
CHIMICA NUCLEARE Come è possibile che cariche dello stesso segno, i protoni, stiano confinate in un volume molto piccolo quale quello nucleare? Sperimentalmente si osserva che occorre spendere energia per scindere un nucleo nei sui nucleoni (protoni e neutroni) costituenti Neutrone libero è instabile, si ha una probabilità del 50% che rimanga intatto per 886 s Protone libero è stabile, deve passare più di 1025 anni perche’ la probabilità di trovarlo intatto si riduca del 50%
Esiste una forza di attrazione che è 100 volte maggiore della forza di repulsione elettrostatica tra i protoni (e 1010 volte maggiore dell’attrazione eletrostatica tra il nucleo e l’elettrone dell’atomo di idrogeno) ed è detta forza forte, determinata dallo scambio di massa di particelle (mesoni) fra i nucleoni
DIFETTO DI MASSA I nucleoni quando fanno parte di un nucleo hanno massa minore di quella che possiedono quando sono liberi e in stato di quiete E = mc 2 Esempio: 16 O ha massa 15, 994915 ed è costituito da 8 neutroni e 8 protoni. La somma delle masse di queste particelle fa: (8*1, 008665 uma)+(8*1, 007825)= 16, 131925 uma - 15, 994915 uma = 0, 137010 uma
DIFETTO DI MASSA Difetto di massa si calcola: (numero di protoni Z* la massa del nuclide 1 H + numero di neutroni N * la massa del neutrone) Se mi riferisco a una mole del nuclide, il difetto di massa è espresso in g/mol quindi ottengo 0, 13701 g/mol L’energia liberata è uguale a: E = 0, 13701*9, 0*10 -16 = 1, 23*1013 J/mol che è una quantità di energia enorme (per esempio la combustione di una mole di metano libera 890 k. J SOLTANTO)
Energia di legame media per nucleone Un nucleo ha energia tanto più bassa quanto maggiore è il numero di nucleoni che lo compongono e quanto maggiore è la forza che li tiene uniti, definita come energia di legame. Questa energia la calcolo attraverso il difetto di massa Dato che tale energia di legame cresce sempre all’aumentare del n° di nucleoni costituenti, definisco una energia di legame media per nucleone
L’energia di legame media per nucleone: l’energia corrispondente al difetto di massa divisa per il numero di nucleoni. E’ indicata come El/A dove El sta per l’energia di legame del nucleo e A è il numero di massa (somma dei protoni e neutroni). 1 H difetto di massa = 0 perche’ è costituito da un unico nucleone, il protone LA FUSIONE E LA FISSIONE DI DUE NUCLEI E’ UN MODO PER OTTENERE ENERGIA!
La FISSIONE NUCLEARE Non avviene spontaneamente perche’ ho alta barriera di potenziale da superare + Forma non stabile del nucleo Solo nuclei molto grandi spontanemente danno fissione nucleare, altrimenti per farla bombardo con neutroni alcuni nuclidi, che si chiamano fissili come 235 U, il quale decade emettendo neutroni ed ho una reazione a catena
238 U non è fissile ma se lo arricchisco in 235 U e creo una massa critica tale che i neutroni formati non vadano persi nell’ambiente ma urtino altri 235 U, ho fatto la bomba atomica!, se assorbo un po’ di questi neutroni e/o controllo la massa del materiale radiattivocon grafite ho fatto un reattore nucleare! n 235 U
DISTRIBUZIONE NATURALE DI NUCLIDI STABILI Un nuclide stabile rimane inalterato nel tempo a causa di barriere di potenziale elevatissime che si oppongono ad ogni eventuale sua trasformazione. Ne esistono 260 di nuclidi stabili Il numero di neutroni è sempre uguale o maggiore rispetto al numero dei protoni, a parte 1 H e 3 He
DECADIMENTO RADIOATTIVO n p+ + b - E’ un processo mediante il quale un nuclide, naturale o prodotto artificialmente, si trasforma spontaneamente in un altro. In questo processo si libera enegia sotto forma di calore e di radiazione elettromagnetica (raggi g), oltre a particelle di diverso tipo. La liberazione di questa energia e l’emissione di particelle da parte di nuclidi instabili è il fenomeno della radioattività p+ b+ (positrone) + n p+ + b+ n cattura elettronica
DECADIMENTO RADIOATTIVO La maggior parte dei nuclidi instabili (in particolare quelli con Z>81) decadono spontaneamente con emissione di particelle a e b-. Il decadimento radioattivo mediante cattura elettronica è presente in isotopi leggeri con Z<81. Il decadimento di particelle b+ e’ raro nei nuclidi naturali, ma comune in nuclidi prodotti artificialmente. Il decadimento radiattivo produce nuclidi in stati energeticamente eccitati, che vanno allo stato fondamentale emettendo raggi g (decadimento g) Un nuclide che emette b+ per tornare neutro deve perdere un elettrone e si ha quindi il processo di annichilazione e la massa delle due particelle si trasforma in energia
I nuclidi con t 1/2 > 107 sono presenti in natura dal tempo di formazione degli elementi
ISOTOPI STABILI e INSTABILI Elementi con 1 ≤ Z ≤ 83 Isotopi stabili + 34 isotopi instabili con t 1/2 > 107 anni Elementi con 81 ≤ Z ≤ 83 Isotopi stabili + 12 isotopi instabili con t 1/2 < 107 anni Elementi con 84 ≤ Z ≤ 92 Isotopi tutti instabili con t 1/2 < 107 anni, tranne 232 Th, 235 U, e 238 U con t 1/2 > 107 anni Elementi con Z = 43, 61, Z > 92 Isotopi tutti artificiali e instabili Dal Polonio all’Uranio sono quindi tutti radioattivi. Esistono soltanto perchè hanno tempi di dimezzamento lunghi Gli elementi transuranici con Z > 92 sono fatti per bombardamento a neutroni per gli elementi fino a Z = 100 per quelli con Z > 100 bombardo con nuclei piccoli. Hanno tutti t 1/2 di minuti-secondi, siamo al limite degli elementi!
FAMIGLIE RADIOATTIVE t 1/2 di 238 U è di 109 anni con emissione di particelle a 4 n+2 con n =51 -59 che deriva da 4*59 + 2 = A = 238
FAMIGLIE RADIOATTIVE 4 n+3 con n =51 -58 che deriva da 4*58 + 3 = A = 235
FAMIGLIE RADIOATTIVE 4 n con n =52 -58 che deriva da 4*58 = A = 232
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