Esperienza di Rutherford 1907-1909 Nel 1907 non c’era ancora la tecnologia necessaria a creare proiettili dell’energia necessaria, ma Rutherford usa le particelle emesse dalle sostanze radioattive. Le particelle alfa (nuclei di atomi di elio, emessi da una sorgente radioattiva) vengono dirette contro una sottile lamina d’oro. Con un cristallo scintillante è possibile osservare le particelle alfa deviate dal fascio, a diversi angoli da esso. Se gli atomi sono formati da un “panettone” carico positivamente in cui alloggiano gli elettroni, le pesanti particelle alfa dovrebbero attraversare la lamina quasi indeflessi . Invece, i suoi assistenti Geiger e Marsden scoprono che in rari casi le particelle alfa subiscono deflessioni a grande angolo, alcune addirittura rimbalzando indietro! Nasce il modello atomico planetario di Rutherford!

Modello di Bohr nucleo n = numero quantico principale (livello) 13.6 eV 10.2 eV 12.1 eV 12.8 eV Lyman (UV) Balmer (V) emissione/ assorbimento stabile instabile nucleo elettrone n = numero quantico principale (livello) l = “ “ secondario (sottolivello) m = “ “ magnetico (orbitali s – p) s = “ “ spin (verso rotazione) Spettro emissione dell’idrogeno

INTERFERENZA CON ELETTRONI Davisson e Germer utilizzando un fascio di elettroni su cristalli di nichel, ottennero queste figure di interferenza. Variando il potenziale di accelerazione si modificava la quantità di moto degli elettroni. La misura della lunghezza d’onda degli elettroni era in accordo con l’ipotesi di D.Broglie. L’esperimento di Davisson-Germer dimostrò che anche gli elettroni presentano fenomeni ondulatori, aventi una lunghezza d’onda: In cui h è una costante e p=mv quantità di moto dell’elettrone

In base al principio di indeterminazione un singolo elettrone può essere rivisto come pacchetto d’onda localizzato in un Δx: Il comportamento delle particelle atomiche e subatomiche è di tipo ondulatorio in cui le incertezze nella posizione Δx e nella quantità di moto Δp sono date dalla relazione : PRINCIPIO di INDETERMINAZIONE

Le funzioni d’onda Il principio di indeterminazione dice: λ = h / mv l’energia cinetica: E = ½ m v² ed mv=√ 2mE λ = h / √ 2mE quanti modi per sistemare un’onda nella scatola? Risposta : nλ/2 = L sostiutendo nell’ultima eq. rossa λ si ha: ½ n h/√ 2mE = L ed elevando al quadrato si ricava l’energia E : En = n² ( h² / 8 m L² ) cioè: 2. E L n=1 n=2 n=3 n=4 2λ 3λ/2 λ λ/2 Probabilità di trovare la particella ai diversi valori di x:

L’atomo in fisica quantistica ORBITALI !!! 1s 2s 3s 4s

Tabella periodica degli elementi 1s1 1s2 2s1, 2s2 2p1 ... 2p6 3d1 ... 3d10

Un nucleo atomico è caratterizzato da: numero atomico (Z) che indica il numero di protoni numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico (protoni + neutroni). Se indichiamo con N il numero di neutroni, possiamo scrivere: A=N+Z.

Tutti i corpi tendono a raggiungere uno stato di ENERGIA MINIMA ! Le oscillazioni di un pendolo (come quelle del lampadario nel duomo di Pisa) fanno si che la massa m dopo un certo tempo si ferma. Allora il pendolo si presenterà come un filo a piombo. La posizione del pendolo inizialmente era in una situazione a più alta energia. Quando si ferma si trova in una situazione a più bassa (minima) energia. Meno di quella non gli è possibile! Tutti i corpi tendono a raggiungere uno stato di ENERGIA MINIMA ! Ciò vale anche per gli ATOMI e per i NUCLEI !

Livelli energetici del nucleo del carbonio 12 Nuclei stabili Carbonio 12 Z = 6 N = 6 A = 12 Nucleo STABILE Livelli energetici del nucleo del carbonio 12 n = 3 9E1 Questa configurazione dei nucleoni comporta uno stato ad energia minima, in cui tutti gli stati sono occupati. Il nucleo di Carbonio è quindi stabile. n = 2 4E1 E1 n = 1 Protoni Neutroni

Nuclei instabili Berillio 12 Z = 4 N = 8 A = 12 Nucleo INSTABILE Questa configurazione dei nucleoni comporta uno stato in cui non vi è una energia minima. I nucleoni occupano stati a più alta energia.Questo nucleo si trova ad energia quasi doppia del caso precedente. Infatti il Berillio 12 è radioattivo ed emette raggi beta, divenendo Boro 12. n = 4 16E1 Livelli energetici del nucleo del berillio 12 n = 3 9E1 n = 2 4E1 E1 n = 1 Protoni Neutroni

Nuclei instabili Carbonio 14 Z = 6 N = 8 A = 14 Nucleo INSTABILE Questa configurazione dei nucleoni comporta uno stato in cui non vi è una energia minima. I nucleoni occupano stati a più alta energia. Un neutrone in eccesso per decadimento beta si trasforma in protone e si ottiene l’ azoto 14. n = 4 16E1 Livelli energetici del nucleo del berillio 12 n = 3 9E1 n = 2 4E1 E1 n = 1 Protoni Neutroni

VEDIAMO ALCUNI ISOTOPI STABILI ED INSTABILI MOLTO NOTI:

I nuclei stabili sono prevalentemente quelli che hanno un ugual numero di protoni e neutroni. A =Z+N = 2Z (perché Z=N). I nuclei in cui N è molto maggiore di Z sono radioattivi! Ci sono nuclei radioattivi artificiali con N=3Z !

La radioattività è una conseguenza della instabilità di alcuni nuclei: un nuclide instabile tende, emettendo radiazioni, a raggiungere la fascia di stabilità dei nuclei. Il decadimento radioattivo può avvenire attraverso vari tipi di processi: processo particelle coinvolte variazione di Z variazione di A emissione a nuclei di He -2 -4 emissione b- elettroni +1 - emissione b+ positroni -1 emissione g radiazioni

Con il termine nuclide si indicano tutti gli isotopi conosciuti degli elementi chimici Stabili: 279 Instabili: ~ 5000 Fissione Emissione Alfa Beta più Beta meno

LA LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO Nell’intervallo compreso tra t e t+dt, il numero di nuclei che decadono (–dN) è proporzionale al numero di nuclei N presenti al tempo t: ed introducendo la constante radioattiva λ abbiamo: Periodo di dimezzamento τ½ di una sostanza radioattiva è il tempo necessario affinché questa si riduca della metà. dividendo: ed integrando: Sia N0 il numero di nuclei presenti al tempo t=0, allora: quindi: Moltiplicando per λ e ricordando che la quantità λN rappresenta l’attività della sostanza, che indicheremo con A, avremo: dove con A0 abbiamo indicato l’attività al tempo t = 0.

Decadimento del seaborgio in rutherfordio: RADIAZIONI a : nuclei con Z>80 e A>200 vengono emessi nuclei 42He , (2 protoni + 2 neutroni) perciò si ha una diminuzione di 2 unità per Z e di 4 per A.              Es:   21084Po ® 20682Pb + 42He              23290Th ® 22888Ra+ 42He                 23892U ® 23490Th + 42He                  23592U ® 23190Th + 42He                                         23793Np ® 23391Pa + 42He Decadimento del seaborgio in rutherfordio:

Proprieta’ delle radiazioni alfa • Natura: particelle costituite da nuclei di elio (2 neutroni e 2 protoni) che hanno una doppia carica positiva. • Sorgente: nuclei radioattivi. • Energia: generalmente superiore a 4 MeV. • Velocità: 15-20 mila km/s. • Potere penetrante: debolissimo (100 volte meno dei raggi beta), 2- 8 cm di aria, non oltre 0,05 mm di alluminio, non oltre lo strato basale dell'epidermide, non oltre un foglio di carta. Una particella alfa di 3 MeV percorre nell'aria ca. 2,8 cm. Occorre un'energia molto elevata (7,5 MeV) perché possano penetrare entro la pelle. • Potere ionizzante: molto elevato (mille volte maggiore dei beta). Una particella alfa di 3 MeV produce nell'aria 4000 coppie di ioni/mm. • Pericolosità: le particelle alfa sono dannose solo se emesse entro il corpo umano. In tal caso possono creare gravi danni per la grande forza di ionizzazione posseduta.

RADIAZIONI b-: nuclei con N>Z (neutroni in eccesso) vengono emessi elettroni (dal nucleo, non si tratta degli elettroni negli orbitali!); ciò corrisponde alla reazione: 10n ® 11p + 0-1e + neutrino perciò si ha aumento di una unità per Z, mentre A resta costante.                       Es:  146C ® 147N + 0-1b-                  23491Pa ® 23492U + 0-1b-                         31H ® 32He + 0-1b-                      22588Ra ® 22583Ac + 0-1b- In questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica, poiché cambia Z.

EMISSIONE b+: nuclei con Z>N (protoni in eccesso) 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+  neutrino                                                        Es:         116C = 115B + 01b + neutrino   Anche in questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica del nuclide; il simbolo b+ corrisponde a quello del positrone , un elettrone con carica positiva.

Proprieta’ delle radiazioni beta Natura: particelle costituite da elettroni (beta-, negativi) e da positroni (beta+, positivi) emessi da un nucleo che decade. Alcune particelle beta aventi alta velocità interagiscono con la materia, con emissione di raggi X (raggi X naturali). • Sorgente: nuclei radioattivi. • Energia: da pochi keV a molti MeV (generalmente inferiore a 4 MeV). • Velocità: 150-300 mila km/s. • Potere penetrante: debole (100 volte più dei raggi alfa,ma 100 volte meno dei raggi gamma), non oltre 5 mm di alluminio, non oltre 1 cm nella pelle, non oltre 2,5 cm di legno. Una particella beta di 3 MeV percorre nell'aria ca. 100 cm. • Potere ionizzante: minimo. Una particella beta di 3 MeV produce nell'aria solo 4 coppie di ioni/mm. • Pericolosità: se emesse entro il corpo umano sono sempre dannose. Se emesse da una sorgente esterna sono dannose solo per gli organi che si trovano subito sotto la cute.

EMISSIONE GAMMA: vengono emesse non particelle ma radiazioni altamente energetiche (hanno frequenza maggiore dei raggi X e ne sono anche più penetranti e pericolose); è caratteristica di nuclei in uno stato eccitato; in genere accompagna ognuno dei tipi di decadimento visti.                                             Es:   3 He* = 3 He + γ (gamma)     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.

Proprieta’ delle radiazioni gamma Natura: sono onde elettromagnetiche, come la luce, e non di natura corpuscolare come i raggi a e b. • Sorgente: nuclei radioattivi che hanno subito precedentemente un decadimento. • Energia: da pochi keV a molti MeV. L'energia è proporzionale alla loro frequenza. • Velocità: quella della luce. • Potere penetrante: forte (100 volte più dei raggi beta). • Potere ionizzante: producono ionizzazione indirettamente. • Pericolosità: sono pericolosi se molto intensi

PENETRAZIONE delle RADIAZIONI IONIZZANTI

β β ogni 3.82 giorni ogni 0.0001 secondi ogni 3.05 minuti Bi 214 Po 214 Radon 222 Po 218 Pb 214 Altri figli del radon dopo il Po 214: 210Ti, 210Pb, 210Bi, 210Po, 206Ti, infine il 206Pb stabile!. Ogni 26.8 minuti α α α Ogni 19.7 minuti

percorsa nella materia Range R (E) = distanza media percorsa nella materia Penetrazione Radiazioni a,b,g in diversi materiali... ... e nel corpo umano (impiego terapeutico) 10 20 cm g da 60Co g da elettroni protoni E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV

Rilascio di energia nei tessuti biologici Se una particella carica pesante entra nella materia è rallentata prevalentemente da numerose collisioni con gli e- atomici del mezzo. Il numero delle collisioni aumenta con il diminuire dell’energia della particella. Quindi i fasci di ioni perdono grande parte della loro energia cinetica nel tratto iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso (picco di Bragg). Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico Range delle particelle α nel corpo umano è di 40-70 μm; lo spessore cellule dei bronchioli 15 μm e 80 μm dei bronchi principali. L’alta pericolosità dei figli del Rn sull’albero della respirazione !