Dalla struttura atomica alla nomenclatura

Capitolo 6 Radioattività e reazioni nucleari Unità 20 La chimica nucleare 6.1 La scoperta della radioattività 6.2 L’era atomica 6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa 6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Unità 21 Le trasformazioni del nucleo 6.5 Il decadimento radioattivo 6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi 6.7 Il tempo di dimezzamento

Capitolo 6 Radioattività e reazioni nucleari Unità 22 Le reazioni nucleari 6.8 Le trasmutazioni nucleari 6.9 La fissione nucleare 6.10 La fusione nucleare 6.11 Confronto tra reazioni chimiche e reazioni nucleari

6.1 La scoperta della radioattività Nel 1896 il fisico francese Antoine-Henry Becquerel scoprì per caso che i composti dell’uranio emettevano spontaneamente radiazioni capaci di impressionare le lastre fotografiche e attraversare la materia. Per questo motivo il fenomeno fu chiamato emissione di raggi uranici. La scienziata polacca Marie Sklodowska Curie si accorse che il fenomeno si verificava anche per altri elementi e ribattezzò l’emissione di raggi uranici con il termine di radioattività.

6.1 La scoperta della radioattività La radioattività è il fenomeno per cui alcuni atomi emettono spontaneamente radiazioni. Gli atomi in grado di emettere radiazioni sono chiamati atomi radioattivi. Il fisico Rutherford, scoprì che le radiazioni emesse dagli atomi radioattivi derivavano dai nuclei degli atomi e potevano essere di tre tipi: raggi a, raggi b e raggi g.

6.1 La scoperta della radioattività Il fisico inglese William Crookes si accorse che la radioattività di un campione di uranio aumentava nel tempo. Rutherford e Frederick Soddy spiegarono l’aumento della radioattività dell’uranio con l’ipotesi che l’atomo di uranio si trasforma nell’atomo di un altro elemento avente una maggiore capacità di emettere radiazioni. Un atomo di un elemento radioattivo può quindi trasformarsi in un atomo di un altro elemento.

6.2 L’era atomica Nel 1919 Rutherford dimostrò sperimentalmente che un elemento poteva essere trasformato in un altro. Gli scienziati iniziarono a trasformare chimicamente gli isotopi radioattivi degli elementi, i radioisotopi, bombardandoli con particelle subatomiche. A partire dal 1929 si costruirono gli acceleratori di particelle, apparecchi capaci di accelerare le particelle per ottenere urti sempre più forti.

6.2 L’era atomica A B Le particelle accelerate tramite l’azione di campi elettrici e magnetici, possono seguire percorsi lineari (A), o circolari (B), prima di colpire il bersaglio.

generando nuovi isotopi o nuovi elementi chimici. 6.2 L’era atomica Quando un nucleo è colpito da una particella ad alta energia si può scomporre o trasformare, generando nuovi isotopi o nuovi elementi chimici. Dal 1941 al 1951 furono preparati artificialmente una decina di elementi non esistenti in natura. Nel 1934 il fisico italiano Enrico Fermi bombardò con neutroni gli atomi di uranio. Il tedesco Otto Hahn scoprì che, a causa di questo bombardamento, il nucleo dell’atomo di uranio si scindeva in due parti e si liberavano tre neutroni.

6.2 L’era atomica A seguito degli approfonditi studi guidati da Fermi, il 2 dicembre 1942 iniziò a funzionare la prima pila atomica, un sistema capace di generare enormi quantità di energia utilizzando le reazioni nucleari. Nel luglio del 1945, in un deserto degli Stati Uniti, fu fatta esplodere la prima bomba atomica sperimentale. Un mese dopo due bombe atomiche sganciate da aerei americani distrussero completamente le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki.

6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa Le reazioni nucleari sono le trasformazioni del nucleo degli atomi. La massa del nucleo di un atomo è inferiore alla somma delle masse dei nucleoni (le particelle che compongono il nucleo) presenti. La differenza tra la somma delle masse dei singoli costituenti del nucleo e la massa del nucleo è definita difetto di massa.

6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa Quattro particelle isolate, due protoni e due neutroni, pesano più delle stesse quattro particelle riunite in un nucleo atomico. Nella formazione del nucleo c’è una diminuzione della massa.

E = m · c2 6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa In base all’equazione di Einstein: E = m · c2 La materia è una forma di energia, l’energia è una manifestazione della materia. Le due grandezze sono convertibili l’una nell’altra. Se diminuisce la massa di un corpo, diminuisce anche la sua energia. Quando un nucleo si forma a partire dai suoi costituenti, diminuisce la massa complessiva e quindi diminuisce l’energia.

6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa Il difetto di massa, conseguente al passaggio dai 4 nucleoni isolati alle 4 particelle unite, corrisponde alla diminuzione di una grande quantità di energia e al raggiungimento di una elevata stabilità. L’energia perduta dal sistema si libera nell’ambiente sotto forma di calore e radiazioni.

6.3 Il nucleo dell’atomo e il difetto di massa Il principio di conservazione della massa formulato da Lavoisier, mantiene sostanzialmente la sua validità in ambito chimico, perché i valori dell’energia liberata sono così bassi da non determinare difetti di massa apprezzabili. Solo quando entrano in gioco le forze che tengono unite le particelle del nucleo atomico, si possono liberare quantità di energia così grandi da rendere apprezzabile la diminuzione della massa.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Il difetto di massa di un nucleo corrisponde all’energia liberata durante la sua formazione oppure all’energia che occorre fornire per separare e allontanare i nucleoni gli uni dagli altri. Il difetto di massa è perciò anche una misura della stabilità dei nuclei. Quanto più elevato è il difetto di massa tanto più il nucleo è stabile.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili I neutroni sono responsabili delle forze nucleari che uniscono tra loro i nucleoni e si oppongono alle forze elettrostatiche di repulsione. La stabilità del nucleo dipende dal rapporto tra il numero dei neutroni e il numero dei protoni. Quanti più protoni vi sono in un nucleo, tanti più neutroni occorrono per renderlo stabile.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Per gli elementi più leggeri, con Z inferiore a 21, la stabilità del nucleo si ha quando il rapporto tra il numero dei neutroni e il numero dei protoni vale 1.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Per gli elementi più pesanti, con Z compreso tra 21 e 83, la stabilità del nucleo si ha quando il rapporto tra il numero dei neutroni e il numero dei protoni è maggiore di 1.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Per gli elementi molto pesanti, con Z maggiore di 83, la stabilità del nucleo non è mai del tutto raggiunta con la presenza dei neutroni.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili Oltre che dal rapporto neutroni/protoni, la stabilità dei nuclei dipende dal numero atomico Z. Il massimo di stabilità si ha per valori di numero atomico Z compresi tra 20 e 30 All’aumentare del numero atomico, la stabilità dei nuclei prima aumenta poi diminuisce.

6.4 Nuclei stabili e nuclei instabili I nuclei degli elementi più leggeri aumentano la loro stabilità per fusione, gli elementi più pesanti aumentano la loro stabilità per fissione.

6.5 Il decadimento radioattivo l processo attraverso il quale un nucleo instabile emette spontaneamente radiazioni per stabilizzarsi prende il nome di decadimento radioattivo. Il decadimento radioattivo è rappresentato attraverso una particolare equazione chimica, chiamata equazione nucleare. In una equazione nucleare la somma dei numeri atomici e la somma dei numeri di massa devono risultare uguali in entrambi i membri dell’equazione.

6.5 Il decadimento radioattivo Il decadimento α si verifica quando un nucleo emette una particella α. Il decadimento α riguarda nuclei pesanti (Z>83). La particella α è costituita da due protoni e due neutroni. A seguito del decadimento α il numero di massa diminuisce di 4 unità e il numero atomico di 2 unità.

6.5 Il decadimento radioattivo A seguito del decadimento α ogni atomo si trasforma in un atomo dell’elemento che lo precede di due posti nel Sistema periodico.

6.5 Il decadimento radioattivo Il decadimento β può provocare l'emissione di due tipi di particelle, particelle β– e particelle β+. La particella β– corrisponde a un elettrone. La particella β+ corrisponde a una particella con stessa massa di un elettrone ma carica positiva detto positrone. Nonostante l’emissione delle due particelle derivi dallo stesso tipo di processo nucleare i risultati del decadimento sono prodotti diversi.

6.5 Il decadimento radioattivo Nel decadimento β– un neutrone di un nucleo si trasforma in un protone ed emette una particella β–. Il decadimento β– riguarda nuclei con un eccesso di neutroni. A seguito del decadimento β– il numero di massa rimane invariato e il numero atomico aumenta di 1 unità.

6.5 Il decadimento radioattivo Il decadimento β– prevede la trasformazione di un neutrone in un protone. Con l’emissione di una particella β– l’idrogeno diventa elio e il carbonio diventa azoto.

6.5 Il decadimento radioattivo Un elemento radioattivo che emette una particella β– si trasforma in un elemento che lo segue di un posto nel Sistema periodico.

6.5 Il decadimento radioattivo Nel decadimento β+ un protone di un nucleo si trasforma in un neutrone ed emette una particella β+. Il decadimento β+ è più frequente per elementi a basso numero atomico. A seguito del decadimento β+ il numero di massa rimane invariato e il numero atomico diminuisce di 1 unità.

6.5 Il decadimento radioattivo Un elemento radioattivo che emette una particella β+ si trasforma in un elemento che lo precede di un posto nel Sistema periodico.

6.5 Il decadimento radioattivo Il decadimento γ avviene quando il nucleo di un atomo emette una radiazione γ. Una radiazione γ è un’onda elettromagnetica ad alta frequenza. Un nucleone che si trova in uno stato di alta energia può passare allo stato energetico inferiore rilasciando la differenza di energia sotto forma di fotone γ. Con il decadimento γ il numero atomico e il numero di massa non variano.

6.5 Il decadimento radioattivo Quando un radioisotopo subisce un decadimento α o β il suo numero atomico cambia e si forma un nuovo elemento. L’isotopo prodotto dal decadimento radioattivo potrebbe essere a sua volta un radioisotopo instabile che decade ancora. Tutti i radioisotopi che derivano dal decadimento dello stesso isotopo iniziale costituiscono una famiglia radioattiva. Le famiglie radioattive naturali sono quattro e derivano dal decadimento di: torio-232, uranio-238, uranio-235 e nettunio-237.

6.5 Il decadimento radioattivo La famiglia radioattiva del torio-232 Dall’isotopo 232 del torio si arriva, dopo una serie di decadimenti α e β, al piombo-208.

6.5 Il decadimento radioattivo Riassumendo:

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Un nucleo che contiene troppi o troppo pochi neutroni rispetto ai protoni è instabile e tende a trasformarsi, modificando il rapporto neutroni/protoni, fino a che non raggiunge il rapporto cui compete la massima stabilità. La radioattività è il fenomeno per cui un radioisotopo emette spontaneamente radiazioni per trasformarsi in un isotopo stabile.

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Le radiazioni emesse dai radioisotopi sono principalmente: radiazioni α (alfa); radiazioni β (beta); radiazioni γ (gamma). Le radiazioni α hanno carica elettrica positiva, le radiazioni β hanno carica elettrica negativa e le radiazioni γ sono neutre. Tutte le radiazioni sono ionizzanti.

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Una radiazione α, chiamata anche particella α, è costituita da due protoni e due neutroni e pertanto corrisponde a un nucleo di elio con due cariche positive. Queste radiazioni viaggiano a elevata velocità, ma, per la loro massa relativamente alta, riescono ad attraversare solo corpi molto sottili e non sono quindi particolarmente pericolose, se non vengono introdotte direttamente nel corpo.

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Una radiazione β, chiamata anche particella β, è un elettrone emesso da un neutrone che diventa un protone. Le particelle β sono emesse dal nucleo ad altissima velocità e hanno una massa quasi 7000 volte inferiore e una velocità circa tripla delle particelle α e sono perciò molto più penetranti e pericolose.

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Una radiazione γ , o raggio γ, è una radiazione elettromagnetica ad altissima frequenza. L’emissione di radiazioni γ, fa diminuire l’energia del nucleo, ma non la sua massa. I raggi γ sono in media 100 volte più penetranti delle particelle β e sono sempre pericolose per l’uomo, anche se sono emesse da sorgenti molto lontane.

6.6 Caratteristiche delle radiazioni emesse dai radioisotopi Radiazione Carica elettrica Massa (u) Velocità (km/s) α (alfa) +2 4 16 000÷32 000 Penetrazione (cm di aria) 2,5÷8,5 β (beta) –1 1/836 96 000÷220 000 30÷300 γ (gamma) 300 000 >3 000

6.7 Il tempo di dimezzamento Il decadimento radioattivo è un processo casuale. Pertanto non è possibile determinare l’istante in cui un nucleo si disintegrerà, ma si può prevedere la probabilità che un certo numero di nuclei si trasformi in un certo intervallo di tempo. Il tempo necessario per avere il decadimento di metà degli atomi di un radioisotopo si chiama tempo di dimezzamento (t1/2) e ha valore costante per ogni coppia nucleo genitore / nucleo figlio.

6.7 Il tempo di dimezzamento Nel caso del decadimento del 32P, ogni 14 giorni la quantità del radioisotopo si riduce alla metà della quantità precedente.

6.7 Il tempo di dimezzamento Il tempo di dimezzamento è caratteristico per ogni isotopo e non è influenzato dalla pressione, dalla temperatura e dai legami chimici.

6.7 Il tempo di dimezzamento Il metodo radiometrico per determinare l’età delle rocce si basa sulla costanza del tempo di dimezzamento. Scelta la coppia di isotopi più idonea, si misurano le quantità presenti di nuclei genitori e di nuclei figli e dal loro rapporto si calcola il tempo intercorso dalla formazione della roccia. L’isotopo 14 del carbonio, che ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni, si presta bene per datare reperti e rocce che abbiano meno di 80000 anni.

6.7 Il tempo di dimezzamento

6.7 Il tempo di dimezzamento Dopo la sua formazione nell’atmosfera da atomi di azoto, il carbonio-14 si combina con l’ossigeno e forma diossido di carbonio. Attraverso la fotosintesi operata dalle piante, che prelevano il diossido di carbonio dell’aria, il 14C va a costituire le molecole dei sistemi viventi. Con la morte e il seppellimento degli organismi il 14C comincia a diminuire. La misura della quantità di carbonio-14 rimasta permette di calcolare l’età del reperto.

6.8 Le trasmutazioni nucleari Dei 112 elementi del Sistema periodico, solo una novantina si trovano stabilmente in natura. Gli altri, gli elementi artificiali, sono stati sintetizzati dall’uomo bombardando gli atomi di altri elementi. Gli elementi che seguono l’uranio nel Sistema periodico, e che sono perciò chiamati elementi transuranici, sono stati prodotti con reazioni di trasmutazione nucleare. Il processo con cui un elemento chimico per mezzo di reazioni nucleari viene trasformato in un altro prende il nome di trasmutazione nucleare.

6.8 Le trasmutazioni nucleari Il nucleo di un atomo di azoto, colpito da una particella alfa, cattura due neutroni e un protone e si trasforma in un nucleo di ossigeno, liberando l’altro protone.

6.8 Le trasmutazioni nucleari

6.9 La fissione nucleare Nel 1938 si scoprì che colpendo un atomo di uranio con un neutrone si formavano due nuclei, tre neutroni e si liberava una elevata quantità di energia.

6.9 La fissione nucleare

Nel corso della fissione avvengono tre fenomeni: 6.9 La fissione nucleare Il processo per cui un nucleo si scinde per dare due nuclei più piccoli, particelle subatomiche ed energia si chiama fissione nucleare. Nel corso della fissione avvengono tre fenomeni: l’atomo si spezza in due; si libera energia; si liberano tre neutroni.

6.9 La fissione nucleare Con la reazione di fissione si ottengono due atomi più piccoli, quindi più stabili e con minore energia. L’energia che il sistema perde in questa reazione viene liberata come calore e sotto forma di particelle e radiazioni altamente energetiche, come i raggi g. I neutroni che si liberano possono colpire altri atomi innescando nuove reazioni di fissione e la reazione è una reazione a catena.

6.9 La fissione nucleare Se partiamo da una piccola quantità di uranio, una parte dei neutroni che si produce esce dal campione e quindi non determina altre reazioni. La velocità della reazione non aumenta in modo eccessivo e il processo può essere controllato. Nelle centrali nucleari la fissione viene fatta avvenire in condizioni controllate e il calore prodotto dalla reazione può essere utilizzato per produrre energia elettrica.

6.9 La fissione nucleare Se partiamo da una quantità di uranio elevata, almeno 1 kg circa, la maggior parte dei neutroni «proiettili» non sfugge dal campione, perché colpisce altri atomi. La reazione va sempre più veloce, la quantità di calore prodotto è sempre più grande e si determina un’esplosione. Utilizzando per la fissione una quantità di radioisotopo inferiore a uno dato valore, detto massa critica, si produce energia a una velocità regolabile; quando la quantità è maggiore della massa critica, la produzione di energia non è più controllabile e avviene un’esplosione, come nelle bombe atomiche.

Si può ottenere energia anche unendo due atomi 6.10 La fusione nucleare Si può ottenere energia anche unendo due atomi per sintetizzarne uno più grande. Si chiama fusione nucleare la reazione in base alla quale due nuclei atomici si uniscono per formarne uno più grande.

6.10 La fusione nucleare I nuclei di deuterio e di trizio si uniscono e formano un nucleo di elio, liberando un neutrone ed energia.

6.10 La fusione nucleare I processi di fusione presentano grandi vantaggi rispetto a quelli di fissione: si libera una quantità di energia circa 10 volte superiore a quella prodotta nei processi di fissione; gli isotopi dell’idrogeno necessari per la fusione sono relativamente abbondanti, mentre l’uranio fissile esistente in natura è una risorsa limitata; il processo di fusione non ha il problema della produzione di grandi quantità di scorie radioattive.

6.10 La fusione nucleare Affinché a reazione di fusione nucleare possa avvenire occorrono temperature più elevate di dieci milioni di gradi per far avvicinare e fondere insieme i due nuclei positivi. Alle temperature a cui avviene la fusione nucleare gli atomi si dissociano in nuclei ed elettroni, dando luogo a uno stato della materia del tutto particolare denominato plasma.

6.11 Confronto tra reazioni chimiche e reazioni nucleari Coinvolgono solo gli elettroni degli orbitali esterni Reazioni chimiche Non si producono nuovi elementi chimici Coinvolgono solo il nucleo dell’atomo Si possono produrre nuovi elementi chimici La velocità di reazione è influenzata da molti fattori Il tempo di dimezzamento è costante Coinvolgono piccole quantità di energia Si possono produrre grandi quantità di energia Avvengono comunemente in natura o si possono realizzare in un semplice laboratorio Per realizzarle occorrono apparecchiature costosissime e molto sofisticate