9 CAPITOLO La chimica nucleare Indice 1 Nuclei stabili e nuclei instabili Velocità del decadimento radioattivo Datazione di materiali organici Energia nucleare Fissione nucleare Fusione nucleare Scorie radioattive Isotopi radioattivi preparati artificialmente Rivelazione della radioattività e sua misura 1

1 Nuclei stabili e nuclei instabili Gli atomi degli elementi radioattivi sono instabili e si disintegrano spontaneamente emettendo spontaneamente particelle alfa o particelle beta. Questo processo è noto come decadimento radioattivo. La radioattività naturale è il risultato della trasformazione di un isotopo di un elemento in un isotopo di un elemento differente. Una tale trasformazione è chiamata reazione nucleare. Grafico del numero dei neutroni (N) in funzione del numero dei protoni (Z). In figura i punti blu sono isotopi stabili, mentre quelli rossi isotopi radioattivi (instabili).

Velocità del decadimento radioattivo 2 Velocità del decadimento radioattivo Una caratteristica di ciascun nuclide radioattivo è la velocità di decadimento misurata dal tempo di dimezzamento. Il tempo di dimezzamento (t1/2) è il tempo necessario perché la massa di una sostanza radioattiva, mediante decadimento, si riduca fino alla metà del suo valore iniziale. La velocità di decadimento, anche se è differente da un nuclide ad un altro, procede sempre secondo una curva con andamento esponenziale.

Datazione di materiali organici 3 Datazione di materiali organici Per determinare l’età di resti fossili di organismi viventi (animali e vegetali) si misura la velocità di decadimento di un isotopo radioattivo del carbonio, il C-14. Gli organismi viventi contengono oltre al C-12, la stessa percentuale di C-14 presente nell’aria. L’attività radioattiva del C-14, data dagli elettroni emessi, sarà tanto minore quanto più è l’intervallo trascorso tra la morte della pianta o dell’animale ed i nostri giorni.

4 Energia nucleare La massa è una forma di energia. Questo concetto, sviluppato nella teoria della relatività di Einstein, permette di comprendere gli aspetti energetici delle reazioni nucleari. La massa che “scompare” si trasforma in energia secondo l’equazione di Einstein: E = m x c2 dove E rappresenta l’energia sviluppata in joule, m la massa in kg della sostanza che viene perduta e c la velocità della luce in metri al secondo, m/s.

5 Fissione nucleare Bombardando con neutroni alcuni nuclei di un materiale fissile (235U, 238U, 232Th) si verifica una fissione nucleare e si libera una notevole quantità di energia.

6 Fusione nucleare Nelle reazioni di fusione nucleare si combinano nuclei leggeri per formarne altri più pesanti liberando una notevole quantità di energia, superiore a quella ottenuta con la fissione nucleare. La fusione, per poter avvenire, richiede alte temperature, dell’ordine di 100 milioni di gradi centigradi. Questa tecnica non può ancora essere utilizzata per produrre energia elettrica per usi domestici e industriali. La fusione di un nucleo di deuterio (21H)con uno di trizio (31H) dà luogo ad un nucleo di elio (42He) più un neutrone (n) e una radiazione di alta energia (fotone gamma).

7 Scorie radioattive Le centrali nucleari presentano il problema della conservazione delle sostanze radioattive (scorie) che sono presenti nei prodotti di scarto.

Isotopi radioattivi preparati artificialmente 8 Isotopi radioattivi preparati artificialmente La maggior parte degli isotopi radioattivi si prepara mediante bombardamento con neutroni di nuclei stabili. I primi isotopi radioattivi furono preparati in laboratorio nel 1934 da Irene Curie e dal marito, Frederic Joliot, utilizzando particelle-alfa di elevata energia.

Rivelazione della radioattività e sua misura 9 Rivelazione della radioattività e sua misura La radioattività può essere rivelata e misurata con il contatore di Geiger, dal nome del fisico tedesco Hans Geiger (1882-1945). Le particelle cariche (alfa o beta) o i raggi gamma ionizzano gli atomi del gas (argon), creando ioni positivi di argon e elettroni liberi. Si ha una corrente elettrica tra gli elettrodi che può essere convertita in un suono percepibile. Schema di contatore Geiger.