Nucleo
Il nucleo atomico è costituito da nucleoni (N),
ovvero: protoni (p) e neutroni (n).
Il numero di p è caratteristico di ogni elemento; è
detto numero atomico ed è indicato con la lettera
Z.
Il numero totale di nucleoni N è detto anche
numero di massa ed è indicato con la lettera
A.
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L’atomo è un sistema neutro (e stabile)
perché il numero di e è uguale a quello di p.
Moto elettroni (“atmosfera elettronica”
intorno ai nuclei) Chimica convenzionale.
Proprietà del nucleo Fisica nucleare,
Chimica nucleare.
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Atmosfera elettronica
Gli elettroni occupano posizioni stabili (o orbitali)
attorno ai nuclei.
In un fissato orbitale essi hanno energia definita
(e sempre costante).
Quando un elettrone si muove in un dato orbitale
la dinamica non è più descrivibile in termini
di meccanica classica ed em classico: si deve
usare la MQ.
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Stati eccitati
A causa di una qualche interazione esterna
(es. em, tipo illuminazione) l’elettrone di un
certo orbitale può andare ad occupare un
orbitale diverso “eccitandosi.”
Dallo stato eccitato instabile esso ritorna poi
a quello di partenza in un tempo brevissimo,
liberandosi dell’energia in eccesso con
emissione di un fotone.
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NB
Gli atomi di un determinato elemento hanno
tutti lo stesso numero Z di p.
Gli atomi di elementi diversi hanno un
diverso numero di p (e quindi di e).
Esempio: ogni atomo di H ha sempre 1 p (1
e, Z=1); ogni atomo di O ha sempre 8 p (8 e, Z=8)
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Nucleo
I nuclei di uno stesso elemento possono
avere un numero diverso di n e quindi
diversa massa atomica A.
Stesso Z le proprietà chimiche sono le
stesse.
Stesso A le proprietà fisiche sono le
stesse
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Isotopi
ISOTOPI: atomi i cui nuclei hanno lo stesso
Z ma diverso A (stesso numero di p ma
diverso numero di n).
In natura gli elementi si presentano come
miscele di più elementi.
Esempio:16O, 17O, 18O: sempre Z=8 ma A=16,17,18.
Gli atomi ed i loro isotopi presenti in natura sono stabili, eccetto le famiglie radioattive.
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Radioattività
La presenza di neutroni in eccesso nei nuclei
rappresenta un elemento di instabilità per gli
atomi: potranno essere emessi fino al
raggiungimento di una situazione stabile, mediante
un processo note come radioattività.
Molti degli isotopi possibili di un elemento che non
si trovano in natura possono essere prodotti in
laboratorio (reazioni nucleari: scattering nucleo-
nucleo, interazione nucleo-fotone).
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Esempio: interazione He - N
42He + 14
7N 178O + p (Notazione AZX )
42He: 2=p (Z=2), 4=p+n (A=4)
Sx = 2 p + 7p Dx = 8p +p (conservazione
numero protoni e quindi conservazione carica elettrica)
Sx = 2n+7n Dx = 9n (conservazione numero neutroni)
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Radioattività naturale e artificiale
Isotopi tipo quelli delle famiglie radioattive naturali
dell’uranio, del torio, del proattinio sono instabili: decadono
in successione in numerosi isotopi instabili fino a
raggiungere quelli stabili del Pb.
Per gli isotopi prodotti in laboratorio si parla di radioattività
artificiale.
Processi di decadimento radioattivo sono:
Decadimenti , ,
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Decadimento
Nel decadimento il nucleo instabile trasmuta
emettendo una particella (nucleo di 42He:
2p e 2n).Questo tipo di decadimento è
favorito per nuclei ad alto Z.
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Decadimento
Nel decadimento il nucleo instabile trasmuta emettendo un
elettrone (o particella ).
L’elettrone emesso non viene dall’atomo coinvolto ma è
generato nel corso del processo stesso. Quest’ultimo è una
vera e propria reazione nucleare (interazione debole):
np + e + e
Ad esempio 146C 14
7N + e (un atomo di Carbonio 14 si
trasforma in Azoto 14 emettendo un elettrone).
Accanto al processo diretto c’e’ anche quello inverso:
pn + e+ + e
ove e+ è il positrone, l’antiparticella dell’elettrone.
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Decadimento
In certi nuclei si può avere una eccitazione come quella
degli elettroni negli atomi.
Il nucleo decade nello stato stabile riemettendo l’energia di
eccitazione sotto forma di onda em, ovvero un fotone.
Questa trasformazione non è una trasmutazione (non
vengono alterati i numeri dei nuclei) ma una specie di
assestamento del nucleo stesso.
Di solito l’eccitazione è conseguenza di un decadimento
o
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Legge del decadimento
radioattivoIn un “campione” di isotopo radioattivo ci sono in generale
moltissimi atomi radioattivi. Il decadimento di un singolo
atomo è un fenomeno del tutto casuale e dunque
imprevedibile. Quello che si può prevedere invece su base
statistica è il numero di nuclei che in media potranno
decadere in un certo tempo (ammesso che tutti abbiano la
stessa probabilità a priori di farlo).
Detti n il numero di nuclei che decadono in un tempo t:
n=- n t
ove è detta costane di decadimento ed è tipica
dell’isotopo considerato.
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Tempo di dimezzamento
Il tempo di dimezzamento di un isotopo è il tempo
necessario al decadimento della metà degli atomi
radioattivi presenti ad un dato istante. Questi tempi variano
moltissimo passando da un isotopo radioattivo ad un altro,
ad es. da 10-22 s a 1021 y. Vale la legge
T/2= 0.693/
Il rapporto n/ t si chiama l’attività del campione e si
misura in Bequerel, pari all’attività di un campione in cui si
verifica 1 decadimento al secondo.
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Interazione radiazione -materia
Le particelle (nuclei di He) hanno grande massa (4 amu) e carica
(2e): muovendosi all’interno della materia determinano principalmente
ionizzazione. Non sono radiazioni penetranti. Le particelle (elettroni)
subiscono un numero di interazioni molto minore rispetto a quello
delle particelle Segue che l’effetto ionizzante è anch’esso minore ma
la radiazione risulta più penetrante. Le particelle e sono dette
anche particelle direttamente ionizzanti.
I fotoni ( ) privi di massa e carica non sono direttamente ionizzanti:
interagiscono con i campi em dei nuclei e degli e a cui cedono la
propria energia che può a sua volta, determinare ionizzazione. I
meccanismi di cessione di questa energia sono sostanzialmente 3:
effetto fotoelettrico, Compton, creazione di coppie.
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Medicina nucleare
Nelle applicazioni diagnostiche si usano isotopi radioattivi
come traccianti. Certe sostanze infatti hanno un “destino
metabolico” verso specifici organi (ad es. vengono
assorbite).
Marcando la sostanza stessa con un nuclide
radioattivo si può riconoscere la localizzazione, la
morfologia e la dinamica funzionale del bersaglio
(renoscintigrafia per il trattamento di reflussi
vescico-ureterali, etc.).
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