Lezione 19 Fisica nucleare
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.
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.
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.
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.
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)
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
Isotopi
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: 16 O, 17 O, 18 O: sempre Z=8 ma A=16,17,18. Gli atomi ed i loro isotopi presenti in natura sono stabili, eccetto le famiglie radioattive.
Raggio del nucleo
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 nucleonucleo, interazione nucleo-fotone).
Esempio: interazione He - N 4 2 He + 14 7N 17 8O + p (Notazione A ZX ) 4 2 He: 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)
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,,
Decadimento Nel decadimento il nucleo instabile trasmuta emettendo una particella (nucleo di 4 2He: 2p e 2n).Questo tipo di decadimento è favorito per nuclei ad alto Z.
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): n p + e + e Ad esempio 14 6C 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: p n + e + + e ove e + è il positrone, l antiparticella dell elettrone.
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
Esempio
Legge del decadimento radioattivo In 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.
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 10 21 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.
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.
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.).