Chimica Nucleare. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
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1 Chimica Nucleare Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 1
2 Riassunto Numero Atomico (Z) = numero di protoni nel nucleo Numero di Massa (A) = numero di protoni + numero di neutroni = numero atomico (Z) + numero di neutroni Numero di Massa Numero Atomico A Z X Simbolo dell Elemento protone or 1 1 H 1 p 1 neutrone 1 n 0 elettrone 0 e -1 or 0 β -1 positrone or 0 +1 β 0 e +1 particella α 4 He 2 or 4 α 2 A Z
3 Il nucleo nucleo è insieme di nucleoni (protoni, p e neutroni, n) uniti tra loro. Il NEUTRONE libero, è una particella instabile e tende a decadere (t d ca. 9x10 2 s ), liberando un elettrone ed un protone Il PROTONE libero, è una particella stabile (t d ca 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 dell atomo) Una forza di attrazione fra i nucleoni vince la repulsione elettrostatica tra i protoni: FORZA FORTE
4 Interazione nucleo-protone Le forze nucleari, che tengono insieme i nucleoni dentro un nucleo, sono forze molto forti fm=10-15 m
5 n/p too large beta decay X Y n/p too small positron decay or electron capture 5
6 6
7 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. 235 U 1 0 n 92 + Cs Rb = x1 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. 1 n U 1 0 n 92 + Cs Rb = x0 1 n 0 7
8 Disintegrazioni nucleari L'emissione di una particella β o α da un nucleo è il risultato di una disintegrazione (o decadimento) nucleare, cioè della parziale rottura dei nucleo. La disintegrazione trasforma il nucleo in quello di di un altro elemento, figlio Quasi sempre le radiazioni β e α sono accompagnate da radiazioni γ: il nuovo nucleo è in una situazione di elevato contenuto energetico e si riassesta emettendo un fotone di una radiazioni γ
9 Stabilità Nucleare e Decadimento Radioattivo Decadimento Beta 14 C 14 N + 0 β K 40 Ca + 0 β Diminuisce # di neutroni di 1 Aumenta # di protoni di 1 Decadimento Positronico 1 n 1 p + 0 β C 11 B + 0 β K 38 Ar + 0 β Aumenta # di neutroni di 1 Diminuisce # protoni di 1 1 p 1 n + 0 β
10 Disintegrazione β Quando dal nucleo di un atomo viene emessa una particella β, essa priva il nucleo di una carica negativa questa perdita può essere interpretata come la trasformazione di un neutrone in un protone il numero atomico del nuclide prodotto aumenta di 1 (Z+1)
11 Altre modalità di disintegrazione Nella cattura elettronica un nucleo cattura uno dei propri elettroni e si ha la diminuzione del numero atomico di una unità (Z-1) Nell'emissione di positroni, viene emesso un positrone (carica +1), ed il numero atomico si riduce di una unità (Z-1)
12 Stabilità Nucleare e Decadimento Radioattivo Cattura elettronica 37 Ar + 0 e 37 Cl Fe + 0 e 55 Mn Aumenta # di neutroni di 1 Diminuisce # protoni di 1 Decadimento Alfa 1 p + 0 e 1 n Po 4 He Pb Diminuisce # di neutroni di 2 Diminuisce # protoni di 2 Fissione Spontanea 252 Cf In n
13 Disintegrazione α Quando un nucleo emette una particella α perde due unità 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 unità (Z -2)
14 Stabilità Nucleare Certi numeri di neutroni e protoni possiedono una stabilità extra n or p = 2, 8, 20, 50, 82 and 126 E simile alla stabilità 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 più 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 14
15 15
16 L energia di legame nucleare è l energia richiesta per rompere un nucleo nei suoi componenti protoni e neutroni. Energia di legame + 19 F ΔE = (Δm)c p n Δm = 9 x (p mass) + 10 x (n mass) 19 F mass Δm= 9 x x Δm = amu ΔE = amu x (3.00 x 10 8 m/s) 2 = x amu m 2 /s 2 Usando i fattori di conversione: 1 kg = x amu 1 J = kg m 2 /s 2 ΔE = 2.37 x J 16
17 ΔE = (2.37 x J) x (6.022 x /mol) ΔE = x J/mol ΔE = x kj/mol Energia di legame nucleare= 1.43 x kj/mol Energia di legame per nucleone = Energia di legame numero di nucleoni = 2.37 x J 19 nucleoni = 1.25 x J/nucleone 17
18 Energia di legame per nucleone vs numero di massa Energia di legame nucleone stabilità nucleare 18
19 Cinetica del decadimento radioattivo N figlio velocità = λn N t ln N0 = λt N = il numero di atomi al tempo t N 0 = il numero di atomi al tempo t = 0 λ è la costante di decadimento t ½ = λ 19
20 Semivita di alcuni nuclidi
21 Radiodatazione al carbonio 14 N + 1 n 14 C + 1 H C 14 N + 0 β + ν t ½ = 5730 years Radiodatazione Uranio U Pb α β t ½ = 4.51 x 10 9 years 21
22 Transmutazione Nucleare 14 N + 4 α 17 O + 1 p Al + 4 α 30 P + 1 n N + 1 p 11 C + 4 α
23 Fissione Nucleare 235 U + 1 n 90 Sr Xe n + Energia Energia = [mass 235 U + mass n (mass 90 Sr + mass 143 Xe + 3 x mass n )] x c 2 Energia = 3.3 x J per 235 U = 2.0 x J per mole 235 U Combustione di 1 ton di carbone = 5 x 10 7 J 23
24 Fissione Nucleare Reazione rappresentativa di fissione 235 U + 1 n 90 Sr Xe n + Energia
25 Fissione Nucleare La reazione a catena nucleare è una sequenza di reazioni di fissione nucleare che si autosostiene. La minima massa di materiale fissile richiesta per generare una reazione a catena è la massa critica. 25
26 Reazioni a catena L isotopo naturale più abbondante dell Uranio è 238 U che NON è fissile La fissione nucleare, nell Uranio nella sua composizione isotopica naturale non avviene spontaneamente perché 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 l Uranio rispetto alla sua composizione isotopica naturale, ovvero mettere a punto un procedimento per ottenere quantità di 235 U separato dagli altri isotopi
27 Reazioni a catena Tuttavia anche piccole quantità 235 U NON provocano la reazione a catena, perché i neutroni sono dispersi verso l esterno E dunque necessario avere una massa minima, definita MASSA CRITICA, affinché il numero di neutroni generati dalla fissione che incontra un altro nuclide fissile sia maggiore del numero di neutroni che viene dispersi verso l esterno La velocità della reazione a catena puo essere controllata se si inseriscono, all interno 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
28 Schema di una bomba atomica 28
29 Schema di un Reattore Nucleare refueling U 3 O 8 29
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34 Scorie Nucleari
35 Fusione Nucleare Reazione di Fusione 2 H + 2 H 3 H + 1 H H + 3 H 4 He + 1 n Li + 2 H 2 4 He Energia Rilasciata 6.3 x J 2.8 x J 3.6 x J solar fusion Tokamak: confinamento magnetico del plasma 35
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41 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 nell organismo Si devono trasformare in isotopi stabili Es. 32 P (β, 14 d), 35 S (β, 88 d), 125 I (β, 60 d), 3 H, 14 C.
42 Immagini della tiroide con un composto avente 125 I normale ingrandita 42
43 Radioisotopi in Medicina Produzione di laboratorio di 99 Mo 98 Mo + 1 n 99 Mo Produzione commerciale di 99 Mo 235 U + 1 n 99 Mo + altri prodotti di fissione Ossa scansionate con 99m Tc 99 Mo 99m Tc + 0 β t ½ = 66 ore 99m 43 Tc Tc + raggi-γ t ½ = 6 ore 43
44 Schermatura Radiazioni nucleari
45 Effetti Biologici delle Radiazioni Radiation absorbed dose (rad) 1 rad = 1 x 10-5 J/g of material Roentgen equivalent for man (rem) 1 rem = 1 rad x Q Quality Factor γ-ray = 1 β = 1 α = 20 45
46 Misura della radioattività pellicole fotografiche: l'intensità della radiazione è indicata dal grado di annerimento della pellicola sviluppata contatore Geiger Scintillatori
Il Nucleo. Dimensioni del nucleo dell'ordine di 10. m Il raggio nucleare R = R 0 -15
Il Nucleo Nucleo e' costituito da nucleoni (protoni e neutroni). Mentre i neutroni liberi sono abbastanza instabili tendono a decadere in un protone ed un elettrone (t 1/2 circa 900 s), i protoni sono
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