Decadimenti nucleari fissione fusione trasmutazione elementi naturale e artificiale datazione reperti

Decadimento beta negativo: un neutrone diventa protone emettendo un elettrone e un antineutrino protone neutrone elettrone positrone neutrino antineutrino Elemento cambia numero atomico 2 > 3 e mantiene costante la massa 3 Decadimento beta positivo: un protone diventa neutrone emettendo un positrone e un neutrino Z numero atomico : protoni A numero massa : nucleoni nucleoni :protoni + neutroni Elemento cambia numero atomico 2 > 1 e mantiene costante la massa 3

Decadimento alfa :esce una particella formata da 2 protoni e 2 neutroni Elemento cambia numero atomico 7 > 5 e numero massa 11 > 7 Cattura K : un elettrone penetra nel nucleo e trasforma protone in neutrone Elemento cambia numero atomico 4 > 3 e mantiene costante la massa 6

Un atomo di Uranio (92,235) cattura un neutrone, diventa isotopo instabile Uranio (92,236) che si divide in due frammenti liberando energia e neutroni fissione In un reattore i neutroni , veloci, possono essere rallentati (con moderatori come acqua pesante, grafite) in modo da favorire la loro cattura da parte di altri atomi di U (92,235) e mantenere una reazione a catena, moderabile mediante sostanze( come barre di cadmio) che possono assorbire i neutroni rallentando o bloccando la reazione Il calore generato nella reazione può essere utilizzato per la produzione di vapore in una centrale elettrica: i frammenti radioattivi prodotti nella fissione si accumulano e assorbono negativamente neutroni: devono essere allontanati (scorie radioattive) e l barre di uranio sostituite

atomo di Uranio (92,238) cattura un neutrone e diventa isotopo Uranio (92,239) Un neutrone decade in protone emettendo un elettrone e un antineutrino si genera un elemento transuranico: Nettunio (93,239) Nettunio( 93,239) >> Plutonio (94,239) Il Nettunio (93,239) è molto instabile e decade subito trasformando un altro neutrone in protone , emettendo un elettrone e un antineutrino: si genera un altro elemento transuranico, stabile, Plutonio (94,239) che può essere separato più facilmente dell’isotopo 235 dall’uranio naturale (235+238) e utilizzato come l’uranio (92,235) anche per scopi bellici

Esempio: idrogeno + idrogeno > elio + neutroni Nella reazione di fusione nucleare atomi leggeri si uniscono a formare atomi pesanti con liberazione di energia e particelle varie Esempio: idrogeno + idrogeno > elio + neutroni Deuterio (1,2) + Deuterio (1,2) > tritio (1,3) + protio(1,1) Protio (1,1) + Deuterio(1,2) > elio (2,3) Tritio (1,3) + Tritio (1,3) > elio (2,4) + 2 neutroni(0,1) Deuterio (1,2) + Tritio (1,3) > elio (2,4) + neutrone (0,1)

Ogni elemento presenta un simbolo: es Ogni elemento presenta un simbolo: es . X , Y un numero atomico=numero di protoni Z un numero di massa=numero di nucleoni=protoni + neutroni : A es. X(Z,A) = Z(92,238) = U (92,238) Isotopo: elemento con uguale Z e diverso A : es: U (92,235), U(92,238) Nelle reazioni si deve sempre conservare la carica totale e la massa X (50,70) + n(0,1) > X (50,71) > Y (48,67) + alfa(2,4) Elemento + neutrone > isotopo > decadimeto alfa > nuovo elemento Esempi di reazioni usando particelle neutre (neutroni) o accelerate (protoni, alfa) come proiettili per colpire nuclei vari

n(0,1) + x (11,18) > x(11,19) > y (12,19) + e(-1,0) + an(0,0) Un neutrone colpisce un nucleo; un altro neutrone decade in protone emettendo un elettrone e un antineutrino: cambia numero atomico e di massa n(0,1) + x (11,18) > x(11,19) > y (12,19) + e(-1,0) + an(0,0) Un protone colpisce un nucleo: esce una particella alfa: cambia Z e A P(1,1) + x (11,18) > Y(12,19) > Q(10,15) + alfa(2,4)

Una particella alfa colpisce un nucleo; un protone diventa neutrone emettendo un positrone e un neutrino: cambia numero atomico e massa alfa(2,4) + X (11,18) > Y(13,22) > Q(12,22) + e(+1,0) + n(0,0)

100 atomi diventano 50 in 1 anno 50 atomi diventano 25 in 1 anno Molti elementi presentano instabilità che li induce a un decadimento di vario tipo con trasformazione in elementi più stabili con variazione di numero atomico e di massa: radioattività naturale e trasmutazione elementi spontanea Ogni elemento è caratterizzato da uno specifico tempo di dimezzamento, tempo impiegato da una qualsiasi quantità di nuclei per trasformarsi nella metà della quantità originaria, indipendentemente dalla temperatura: tempi molto variabili (da pochi secondi a milioni di anni) atomi 100 atomi diventano 50 in 1 anno 50 atomi diventano 25 in 1 anno 100 Tempo dimezzamento 1 anno 50 25 1 anno 2 anni tempo

Esempio di decadimento di uranio (92,238) in isotopo del piombo (82,206) mediante successivi decadimenti alfa, beta e trasmutazioni intermedie (famiglia radioattiva) Uranio(238), alfa + torio(234), beta +protoattinio(234), beta + uranio(234), alfa + torio(230), alfa + radio(226), alfa + radon(222), alfa + polonio(218), alfa + piombo(214), beta + bismuto(214) beta + polonio(214), alfa + piombo(210), beta + bismuto(210), beta + polonio(210), alfa + piombo(206)

Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206) e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del piombo derivato Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Decadimento di uranio in piombo con dimezzamento di uranio e comparsa di piombo :uranio + piombo = costante 6+6=12 Ulteriore decadimento di uranio in piombo con dimezzamento da 6 a 3 di uranio e aumento di piombo da 6 a 9 : somma = 12 Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti

Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206) e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del piombo derivato (ipotesi tempo dimezzamento = 100) Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Situazione normale U 6 e Pb 6 : tempo trascorso 100 Aggiunta di uranio : analisi Uranio 10 + piombo 6 = 16 : sembra che non sia trascorso tempo 100 perché uranio non dimezzato (10 > 8) età minore di quella reale: ringiovanimento Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti possibili errori dovuti a variazioni nelle quantità di uranio, piombo per aggiunta o sottrazione avvenuta per interazione con esterno

Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206) e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del piombo derivato (ipotesi tempo dimezzamento = 100) Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0 Situazione normale U 6 e Pb 6 : tempo trascorso 100 Aggiunta di piombo : analisi Uranio 6 + piombo 10 = 16 : sembra che sia trascorso tempo > 100 perché uranio più che dimezzato (6 < 8) età maggiore di quella reale: invecchiamento Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti possibili errori dovuti a variazioni nelle quantità di uranio, piombo per aggiunta o sottrazione avvenuta per interazione con esterno