3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA

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1 3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA La struttura dell'atomo L'atomo è la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento; è composto da un nucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso. Il nucleo Elettricamente positivo, presenta densità molto elevata infatti, pur occupando solo la centomillesima parte circa del volume dell'atomo, ne costituisce la quasi totalità della massa. Il nucleo è composto da particelle, chiamate nucleoni, che si suddividono in protoni e neutroni. Il protone (p + ) possiede una massa circa 1836 volte maggiore di quella dell'elettrone e carica elettrica positiva unitaria, uguale a quella di un elettrone ma di segno opposto. Il neutrone (n ) possiede massa circa 1838 volte maggiore di quella dell'elettrone e non possiede carica elettrica. Il numero di nucleoni definisce il numero di massa (A), che è la somma del numero dei neutroni (N) e del numero di protoni (Z), detto anche numero atomico. Vale quindi la relazione: A = Z + N Il neutrino e l'antineutrino sono due particelle di massa prossima allo zero e carica elettrica neutra. Non possono essere considerati dei costituenti del nucleo ma vengono emessi da questo in corso di vari processi radioattivi. I numeri quantici I nucleoni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante quattro numeri quantici: n l j m numero quantico principale che determina l'energia del nucleone nell'orbita numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita numero quantico che esprima la direzione di rotazione del nucleone sul suo asse (spin) numero quantico magnetico in relazione con l'orientazione dell'orbita nello spazio Pagina 1 di 8

2 Per il principio di esclusione di Pauli su ogni orbita nucleare permessa non possono muoversi insieme più di un protone e di un neutrone. Il legame nucleare La forza che mantiene unite le particelle nucleari è la forza nucleare. Essa, agendo entro distanze paragonabili alla dimensione del nucleo, prevale sulla forza elettrica che provocherebbe la repulsione tra i protoni, elettricamente positivi. Al crescere della massa atomica aumentano le distanze tra i protoni che iniziano a sentire l'effetto della repulsione elettrostatica. Pertanto, per la stabilità nucleare è necessaria una prevalenza di neutroni rispetto ai protoni. L'energia di legame necessaria alla coesione dei nucleoni proviene dalla trasformazione di parte della massa di questi ultimi e corrisponde alla differenza fra la massa che hanno quando sono legati tra loro e la somma delle masse che avrebbero se non fossero legati. Tale massa mancante è trasformata in energia di legame secondo la relazione di equivalenza massa-energia, scoperta da Einstein E=mc 2 dalla quale deriva che una unità di massa atomica (amu), pari ad un dodicesimo della massa arbitraria assegnata al 12 C, corrisponde a 931 MeV di energia. Nuclidi In generale, mentre per la distinzione di una specie chimica da un'altra si è soliti usare una simbologia che si riferisce solamente all'elemento chimico X, per individuare una specie fisica (nucleare), ossia un nuclide, si usa la notazione: dove in alto a sinistra dell'elemento chimico X compare il numero di massa A e in basso il numero atomico Z. Ad esempio: è un nuclide dell'ossigeno (O indica il simbolo dell' elemento chimico considerato). Isotopi, isobari, isotoni e isomeri In base ad A, Z e N i nuclidi possono classificarsi in isotopi, isobari, Pagina 2 di 8

3 isotoni e isomeri: Differenze tra isotopi, isobari, isotoni e isomeri Numero atomico Numero di massa Numero di neutroni Proprietà chimiche Isotopi Uguale Diverso Diverso Uguale Isobari Diverso Uguale Diverso Diverso Isotoni Diverso Diverso Uguale Diverso Isomeri Uguale Uguale Uguale Uguale Isotopi Sono isotopi due o più forme di uno stesso elemento, che presentano quindi lo stesso numero atomico Z, con diverso numero di massa A; in altre parole, hanno lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni. Tra loro gli isotopi presentano le stesse caratteristiche chimiche, e possono essere fisicamente stabili (ossia non radioattivi) o instabili (radioattivi). Ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno sono: l'idrogeno comune ( abbondante in natura; ) che ha solo un protone (A=Z=1) ed è il più il deuterio ( ) che ha un protone (Z=1) ed 1 neutrone (A=2) ed è presente in natura anche se raro (lo 0.8% dell'idrogeno naturale); il trizio ( ) che ha un protone (Z=1) e 2 neutroni (A=3), esiste solo perché prodotto artificialmente ed è fisicamente instabile. La Medicina Nucleare sfrutta le proprietà dei radioisotopi, a scopo diagnostico, terapeutico e di ricerca. Isobari Sono isobari elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso peso atomico (uguale A). In altre parole presentano lo stesso numero di nucleoni, ma diverso numero di protoni e diverse caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Medicina Nucleare. Isotoni Sono isotoni elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso numero di neutroni (diverso A). Differiscono dunque anche per le caratteristiche chimiche. Non trovano impiego in Medicina Nucleare. Pagina 3 di 8

4 Isomeri Sono forme di uno stesso elemento, identiche nella composizione nucleare (Z e A uguali), che si differenziano per lo stato di eccitazione del nucleo. Alcuni elementi, infatti, rimangono in stato eccitato per un tempo misurabile (da 1E-12 secondi fino ad alcune ore) prima di decadere ad un livello energetico inferiore attraverso un'emissione di fotoni gamma per transizione isomerica. Tale condizione è detta "stato metastabile". Normalmente, infatti, un nucleo che si trova ad un livello energetico superiore (in stato eccitato) libera l'energia in eccesso, sotto forma di radiazione gamma, riportandosi al livello energetico più basso in un tempo inferiore a 1E-13 secondi. Esempio di isomero è il Tecnezio 99 metastabile ( 99m Tc), di fondamentale importanza in medicina nucleare. Gli elettroni Sono particelle extranucleari che orbitano ad alta velocità attorno al nucleo. Possiedono massa costante di amu e carica elettrica negativa unitaria. Gli elettroni si caratterizzano dal punto di vista energetico mediante quattro numeri quantici: n L M S numero quantico principale che determina l'energia dell'elettrone nell'orbita numero quantico azimutale che caratterizza la forma dell'orbita numero quantico magnetico che caratterizza l'orientazione dell'orbita nello spazio numero quantico che esprime la direzione di rotazione dell'elettrone sul suo asse (spin) Per il principio di esclusone di Pauli non possono esistere nello stesso atomo due o più elettroni con gli stessi numeri quantici, ossia nello stesso stato energetico. Da ciò deriva che ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con spin opposto. Pagina 4 di 8

5 Il legame elettronico Nella configurazione energetica più stabile gli elettroni orbitano attorno al nucleo occupando le orbite più interne che sono a più basso contenuto di energia. L'energia che lega gli elettroni al nucleo è maggiore per quelli che occupano le orbite più vicine rispetto a quelli più periferici; inoltre, a parità di orbita, è maggiore per gli elementi con alto Z che hanno una carica nucleare positiva maggiore. Tale energia di legame è uguale all'energia necessaria per rimuovere completamente l'elettrone dall'atomo. Gli elettroni possono spostarsi verso orbite più periferiche o addirittura abbandonare l'atomo se viene loro ceduta energia. Quando ciò accade l'equilibrio energetico perturbato viene ripristinato per mezzo dello spostamento degli elettroni da orbite a più alto contenuto di energia verso le orbite a più basso contenuto di energia e la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica denominata raggi X. Tabella riassuntiva delle caratteristiche delle particelle fondamentali Particella Carica Elettrone -1 1 Massa relativa Protone Neutrone Kg amu 9.1* * * Il decadimento radioattivo In natura esistono circa 1300 nuclidi diversi a fronte di circa un centinaio di elementi chimici. Tali nuclidi si possono ottenere combinando i possibili valori di Z (da 1 a 102) con i possibili valori di A (da 1 a 260). L 80% di questi nuclidi ha una composizione nucleare che li rende energeticamente instabili. Tali specie nucleari sono chiamati radionuclidi e si portano in condizione di stabilità energetica attraverso l'emissione di radiazione corpuscolare o elettromagnetica. Il decadimento radioattivo o disintegrazione è quindi il processo di trasformazione, con liberazione di energia nucleare, di un radionuclide padre, in un nuclide figlio, il quale può essere a sua volta stabile o instabile. Se il figlio è stabile, il processo di decadimento è terminato. Se anche il figlio è instabile, inizia un nuovo processo di decadimento che può essere differente rispetto a quello del suo predecessore. Pagina 5 di 8

6 Emivita fisica (T 1/2 ) Il tempo che trascorre affinché un nucleo instabile decada è soggetto ad una legge probabilistica e caratteristico per ogni radionuclide. Si definisce emivita o tempo di dimezzamento il tempo che deve trascorrere affinchè la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Tale tempo può variare tra le frazioni di secondo a milioni di anni. Il decadimento di un radionuclide può essere espresso dalla funzione: N(t)=N 0 e - λ t dove: N(t) = numero degli atomi al tempo t N 0 =numero degli atomi al tempo zero λ=costante di decadimento che equivale circa al 70% dell emivita I decadimenti α, β e γ Decadimento alfa La particella alfa è un nucleo di elio (costituito da 2 protoni e da 2 neutroni) e presenta doppia carica elettrica positiva. Origina dal decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la perdita di 4 nucleoni (e due cariche positive). Il radio (Ra), ad esempio, si trasforma in radon (Rn): Ra Rn + α Il percorso di una particella alfa, a parità di energia cinetica, è molto più breve di quello di radiazioni con massa minore. La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione ma alta densità di ionizzazione. In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle. Decadimento beta Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in disintegrazione. Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si trasforma in protone secodo la formula: n = p + + e - (+ antineutrino) Essendo molto più piccole e elettricamente meno cariche delle particelle alfa, le particelle beta hanno una più bassa densità di ionizzazione e Pagina 6 di 8

7 potere penetrante circa 1000 volte quello di una particella alfa di pari energia. Il range medio di una particella beta può arrivare fino ad alcuni metri in aria e fino ad alcuni millimetri nei tessuti molli. Fotoni X e Gamma Derivano dalla diseccitazione energetica di nuclei instabili che liberano l'energia in eccesso sotto forma di radiazioni gamma. I fotoni gamma (come i fotoni X) sono radiazioni elettromagnetiche: non hanno massa né carica e viaggiano alla velocità della luce ( km/sec). L'unica differenza tra i fotoni gamma e i fotoni X è la loro origine: i gamma sono prodotti a seguito di riequilibri energetici del nucleo, mentre gli X originano da riequilibri energetici del mantello elettronico dell'atomo. I fotoni viaggiano nello spazio (anche vuoto) sotto forma di onde elettromagnetiche che sono la propagazione sinusoidale delle intensità dei campi elettrico e magnetico e che possiedono tre caratteristiche: lunghezza d'onda λ, frequenza ν (cicli/sec o Hertz) e velocità c (la velocità della luce nel vuoto è pari a km/sec ). Lunghezza d'onda e frequenza sono tra loro inversamente proporzionali, secondo la formula: ν=c/λ. L'energia E dei fotoni è direttamente proporzionale alla loro frequenza, secondo la formula: E=h ν, dove h è la costante di Plank pari a 6.6 x J*s. I fotoni X e gamma trasferiscono la loro energia alla materia che attraversano, per mezzo di complesse interazioni con i nuclei e gli elettroni atomici. Alcune di queste interazioni provocano la fuoriuscita di un elettrone orbitale da un atomo, con conseguente ionizzazione, o la creazione di una coppia elettrone-positrone. A loro volta, questi elettroni producono ionizzazione del mezzo. Il fenomeno della ionizzazione è alla base del meccanismo per il quale le radiazioni ionizzanti producono effetti biologici. Serie radioattive Quando l'uranio 238 decade emettendo una particella alfa, si forma il torio 234 che a sua volta decade con emissione di una particella beta, e forma protattinio 234. Il protattinio 234 emette una particella beta e si trasforma in un nuovo isotopo dell'uranio, con numero di massa 234. Quest'ultimo decade per emissione alfa e forma il torio 230, che a sua volta decade per emissione alfa formando il radio 226. Come mostrato in figura, questa serie radioattiva, chiamata serie dell'uranio, prosegue in modo analogo e attraverso ulteriori cinque emissioni alfa e quattro emissioni beta arriva al prodotto finale, un isotopo non radioattivo (stabile) del piombo con numero atomico 82 e numero di massa 206. Ogni elemento della tavola periodica tra l'uranio e il piombo è rappresentato in questa serie e ogni nuclide è distinguibile per il suo caratteristico periodo di dimezzamento. I membri della serie hanno tutti una caratteristica comune: i loro numeri di massa possono essere espressi dalla semplice formula 4n + 2, dove n è un numero intero. Pagina 7 di 8

8 . Un'altra serie naturale è quella del torio, detta serie 4n perché i numeri di massa di tutti i suoi membri sono esattamente divisibili per 4; vi è poi quella dell'attinio, o serie 4n + 3. Il capostipite della serie del torio è l'isotopo torio 232 e il suo elemento finale è l'isotopo stabile piombo 208. La serie dell'attinio comincia invece con l'uranio 235 (chiamato attinuranio dai primi ricercatori) e si conclude col piombo 207. Una quarta serie, la serie 4n+ 1, nella quale tutti i membri sono radioisotopi artificiali, è stata scoperta in anni recenti; il termine iniziale è l'isotopo curio 241 e l'elemento finale è il bismuto 209. Pagina 8 di 8