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Chimica Nucleare

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X A Z Numero di Massa

Numero Atomico Simbolo dellElemento

Numero Atomico (Z) = numero di protoni nel nucleo

Numero di Massa (A) = numero di protoni + numero di neutroni

= numero atomico (Z) + numero di neutroni

A

Z

1p 1 1H 1 or protone

1n 0

neutrone 0e -1 0

-1 or elettrone

0e +1 0

+1 or positrone

4He 2 4

2 or particella

1

1

1

0

0

-1

0

+1

4

2

Riassunto

Il nucleo nucleo insieme di nucleoni (protoni, p e

neutroni, n) uniti tra loro. Il NEUTRONE libero, una particella

instabile e tende a decadere (td ca. 9x102 s ), liberando un elettrone ed un protone

Il PROTONE libero, una particella stabile (td ca. 1032 s )

La maggior parte (non tutti) dei nuclidi sono isotopi stabili, ovvero tali che un consistente numero di protoni e neutroni si trova in un volume molto piccolo (il nucleo dellatomo)

Una forza di attrazione fra i

nucleoni vince la repulsione

elettrostatica tra i protoni: FORZA

FORTE

Interazione nucleo-protone Le forze nucleari, che tengono insieme i nucleoni

dentro un nucleo, sono forze molto forti

fm=10-15 m

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n/p too large beta decay

X

n/p too small positron decay or electron capture

Y

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Bilanciare le Reazioni Nucleari

1. Conservare il numero di massa (A). La somma di protoni e neutroni nei prodotti deve essere uguale alla somma di protoni e neutroni nei reagenti.

1n 0 U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 1n 0 + + 2

235 + 1 = 138 + 96 + 2x1

2. Conservare il numero atomico (Z) o la carica nucleare. La somma delle cariche nucleari nei prodotti deve essere uguale alla somma delle cariche nucleari nei reagenti.

1n 0 U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 1n 0 + + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

Disintegrazioni nucleari L'emissione di una particella o da

un nucleo il risultato di una disintegrazione (o decadimento) nucleare, cio della parziale rottura dei nucleo.

La disintegrazione trasforma il nucleo in quello di di un altro elemento, figlio

Quasi sempre le radiazioni e sono accompagnate da radiazioni : il nuovo nucleo in una situazione di elevato contenuto energetico e si riassesta emettendo un fotone di una radiazioni

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Stabilit Nucleare e Decadimento Radioattivo

Decadimento Beta

14C 14N + 0

6 7 -1 40K 40Ca + 0

19 20 -1

1n 1p + 0

0 1 -1

Diminuisce # di neutroni di 1

Aumenta # di protoni di 1

Decadimento Positronico

11C 11B + 0

6 5 +1 38K 38Ar + 0

19 18 +1

1p 1n + 0

1 0 +1

Aumenta # di neutroni di 1

Diminuisce # protoni di 1

Disintegrazione

Quando dal nucleo di un atomo viene emessa una particella -, essa priva il nucleo di una carica negativa

questa perdita pu essere interpretata come la trasformazione di un neutrone in un protone

il numero atomico del nuclide prodotto aumenta di 1 (Z+1)

Altre modalit di disintegrazione

Nella cattura elettronica un nucleo cattura uno dei propri elettroni e si ha la diminuzione del numero atomico di una unit (Z-1)

Nell'emissione di positroni, viene emesso un positrone

(carica +1), ed il numero atomico si riduce di una unit

(Z-1)

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Cattura elettronica

Aumenta # di neutroni di 1

Diminuisce # protoni di 1

Stabilit Nucleare e Decadimento Radioattivo

37Ar + 0e 37Cl

18 17 -1 55Fe + 0e 55Mn

26 25 -1

1p + 0e 1n

1 0 -1 Decadimento Alfa

Diminuisce # di neutroni di 2

Diminuisce # protoni di 2 212Po 4He + 208Pb 84 2 82

Fissione Spontanea

252Cf 2125In + 21n 98 49 0

Disintegrazione

Quando un nucleo emette una particella perde due unit di carica positiva e una massa equivalente a quella di quattro nucleoni.

La perdita di due protoni causa una riduzione del numero atomico di due unit (Z -2)

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Stabilit Nucleare

Certi numeri di neutroni e protoni possiedono una stabilit extra

n or p = 2, 8, 20, 50, 82 and 126 E simile alla stabilit extra del numero di elettroni nei

gas nobili (e- = 2, 10, 18, 36, 54 and 86) Nuclei con numero pari sia di protoni che di neutroni sono

pi stabili di quelli con numero dispari di neutroni e protoni Tutti gli isotopi degli elementi con numero atomico

maggiore di 83 sono radioattivi Tutti gli isotopi del Tc e del Pm sono radioattivi

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Lenergia di legame nucleare lenergia richiesta per rompere un nucleo nei suoi componenti protoni e neutroni.

Energia di legame + 19F 91p + 101n 9 1 0

m = 9 x (p mass) + 10 x (n mass) 19F mass E = (m)c2

m= 9 x 1.007825 + 10 x 1.008665 18.9984

m = 0.1587 amu

E = 2.37 x 10-11J

E = 0.1587 amu x (3.00 x 108 m/s)2 = -1.43 x 1016 amu m2/s2

Usando i fattori di conversione:

1 kg = 6.022 x 1026 amu 1 J = kg m2/s2

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= 2.37 x 10-11 J 19 nucleoni

= 1.25 x 10-12 J/nucleone

Energia di legame per nucleone = Energia di legame numero di nucleoni

E = (2.37 x 10-11J) x (6.022 x 1023/mol)

E = -1.43 x 1013J/mol

E = -1.43 x 1010kJ/mol

Energia di legame nucleare= 1.43 x 1010kJ/mol

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Energia di legame per nucleone vs numero di massa

stabilit nucleare Energia di legame nucleone

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Cinetica del decadimento radioattivo

N figlio

velocit = N

N = il numero di atomi al tempo t

N0 = il numero di atomi al tempo t = 0

la costante di decadimento

Nt ln N0 -t =

= t

0.693

Semivita di alcuni nuclidi

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Radiodatazione al carbonio 14N + 1n 14C + 1H 7 1 6 0 14C 14N + 0 +

6 7 -1 t = 5730 years

Radiodatazione Uranio-238 238U 206Pb + 8 4 + 6 0

92 -1 82 2 t = 4.51 x 109 years

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Transmutazione Nucleare

14N + 4 17O + 1p 7 2 8 1

27Al + 4 30P + 1n 13 2 15 0

14N + 1p 11C + 4

7 1 6 2

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Fissione Nucleare

235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energia 92 54 38 0 0 Energia = [mass 235U + mass n (mass 90Sr + mass 143Xe + 3 x mass n )] x c2

Energia = 3.3 x 10-11J per 235U = 2.0 x 1013 J per mole 235U

Combustione di 1 ton di carbone = 5 x 107 J

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Fissione Nucleare

235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energia 92 54 38 0 0

Reazione rappresentativa di fissione

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Fissione Nucleare

La reazione a catena nucleare una sequenza di reazioni di fissione nucleare che si autosostiene. La minima massa di materiale fissile richiesta per generare una reazione a catena la massa critica.

Reazioni a catena

Lisotopo naturale pi abbondante dellUranio 238U che NON fissile

La fissione nucleare, nellUranio nella sua composizione isotopica naturale non avviene

spontaneamente perch si tratta di una reazione SPORADICA, ed i neutroni che vengono liberati sono

dispersi e NON vanno a colpire altri nuclidi fissili

E dunque necessario arricchire lUranio rispetto alla sua composizione isotopica naturale, ovvero

mettere a punto un procedimento per ottenere quantit di 235 U separato dagli altri isotopi

Reazioni a catena

Tuttavia anche piccole quantit 235U NON provocano la reazione a catena, perch i neutroni sono dispersi verso lesterno

E dunque necessario avere una massa minima, definita MASSA CRITICA, affinch il numero di neutroni generati dalla fissione che

incontra un altro nuclide fissile sia maggiore del numero di neutroni che viene dispersi verso lesterno

La velocit della reazione a catena puo essere controllata se si inseriscono, allinterno del materiale fissile, della barre di grafite,

sostanza capace di assorbire neutroni e quindi capace di rallentare ed, al limite, interrompere, il processo della reazione a

catena

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Schema di una bomba atomica

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Schema di un Reattore Nucleare

U3O8

refueling

Scorie Nucleari

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Fusione Nucleare

2H + 2H 3H + 1H 1 1 1 1

Reazione di Fusione Energia Rilasciata

2H + 3H 4He + 1n 1 1 2 0 6Li + 2H 2 4He 3 1 2

6.3 x 10-13 J

2.8 x 10-12 J

3.6 x 10-12 J

Tokamak: confinamento magnetico del

plasma

solar fusion

Radioisotopi in biologia e medicina

Sono usati come traccianti o come fonti di energia distruttiva (radioterapia)

Devono avere semi-vita di giorni o mesi Non devono accumularsi nellorganismo Si devono trasformare in isotopi stabili Es. 32P (, 14 d), 35S (, 88 d), 125I (, 60 d),

3H, 14C.

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Immagini della tiroide con un composto avente 125I

normale ingrandita

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Radioisotopi in Medicina

98Mo + 1n 99Mo 42 0 42

235U + 1n 99Mo + altri prodotti di fissione 92 0 42

99mTc 99Tc + raggi- 43 43

99Mo 99m