Nucleare - Tesina

Atomo e radioattività

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L’atomo e le particelle fondamentali

3 L’atomo è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche. L’atomo è formato da tre particelle fondamentali:

• Protone: particella con carica positiva;
• Elettrone: particella con carica negativa;
• Neutrone: particella con carica neutra.

• I protoni e i neutroni si trovano nel nucleo, mentre gli elettroni girano intorno al nucleo in delle orbite.

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Ognuna di queste particelle fondamentali possiede una sua massa:

Particella fondamentale — massa in kg

Protone 1,6726231 × 10^-27 kg

Elettrone 9,109 382 6 × 10^-27 kg

Neutrone 1,674 927 29 × 10^-27 kg

Per convenzione la massa del protone è all’incirca pari ad 1 U.M.A. (unità di massa atomica).

• Per ogni elemento chimico esiste un numero atomico ed un numero di massa.
• Il numero atomico corrisponde al numero dei protoni e si indica con la lettera Z.
• Mentre il numero di massa indica il numero dei protoni + il numero dei neutroni e si indica con la lettera A.

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Elementi chimici e isotopi

Ogni elemento chimico ha un suo numero di protoni ed elettroni.

Gli elementi chimici si suddividono in:

• Elementi chimici naturali: da idrogeno con numero atomico 1 ad uranio con numero atomico 92;
• Elementi chimici artificiali: esiste il tecnezio con numero atomico 43 e i transuranici con numero atomico superiore a 92.

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Gli isotopi sono degli elementi chimici con stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni, quindi con stesso numero atomico ma con diverso numero di massa.

Protone

Neutrone

Vari esempi:

Idrogeno: numero atomico = 1. Elio: numero atomico = 2

Non esiste

Deuterio

Tritio 7

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Radioisotopi e radioattività

In natura esistono degli isotopi non stabili chiamati anche isotopi radioattivi o radioisotopi.

Questa instabilità è data dagli elementi chimici con:

• Nuclei con troppi protoni;
• Nuclei con troppi neutroni;
• Nuclei con pochi neutroni;
• Nuclei con troppa energia.

In sintesi sono radioattivi quei nuclei che non fanno parte della valle di stabilità, che comprende nuclei con numero atomico inferiore o uguale a 20. 8

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• Si definisce radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere radiazioni ionizzanti.
• La radioattività di un elemento rispetto ad un altro si misura in Becquerel (Bq), ed indica il numero di esplosioni del nucleo al secondo. Il numero delle esplosioni dipende dalla quantità dei nuclei instabili. Questa unità di misura è molto piccola.
• Un’altra unità di misura è il tempo di dimezzamento. Questa unità quantifica il tempo necessario per dimezzare la quantità di atomi radioattivi di un elemento.
• Dopo dieci tempi di dimezzamento la radioattività di quel elemento è 1000 volte più piccola. 9

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Questi isotopi radioattivi, avendo un eccesso di energia, tenderanno a decadere liberando un po’ della loro energia interna in eccesso sotto forma di raggi gamma e quindi radiazioni elettromagnetiche e sotto forma di particelle ad alta velocità (α e β).

• Se questo atomo decade rilasciando particelle α o β, esso diventa un nuovo elemento che tenderà a progredire per non essere più radioattivo.
• Mentre se l’atomo rilascia radiazioni gamma, esso si trasformerà in un altro isotopo che prende il nome di isomero, sempre radioattivo. 10

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Radiazione alfa

La radiazione α si ha negli atomi nei cui nuclei si ha una quantità eccessiva di protoni e neutroni.

La radiazione α è costituita da un nucleo di elio (due protoni + due elettroni), quindi avente due cariche positive.

Per esempio l’uranio-238 passa a uranio-234 rilasciando un nucleo di elio.

Protone

Neutrone

Elettrone 11

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Radiazione beta

La radiazione β è dovuta ad un eccesso di neutroni.

In questo processo uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone ed un elettrone + un antineutrino.

Il protone rimane nel nucleo mentre le altre due vengono espulse. In questo caso aumenta il numero atomico mentre rimane invariato il numero di massa.

Es.: cobalto-60 diventa nichel-60.

Neutrone

Antineutrino

Protone espulsi

Elettrone

Z Numero atomico 12

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Radiazione gamma

La radioattività gamma è un’onda elettromagnetica, mentre quella alfa e quella beta sono radiazioni di tipo corpuscolare e dotate di carica.

• Il decadimento gamma corrisponde all’emissione di un fotone.
• La radiazione gamma accompagna in genere una radiazione alfa o beta.

Es.: nel cobalto-60, quando si trasforma in nichel-60, c’è un surplus di energia che viene liberata sotto forma di radiazione gamma.

Queste radiazioni sono molto penetranti.

Energia espulsa

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Energia nucleare

L’impiego dell’energia nucleare nasce dalla possibilità di usare la grande energia e la radioattività presente nel nucleo dell’atomo, specialmente nei radioisotopi. Queste energie sono ben maggiori rispetto alle energie ottenute dalle reazioni chimiche, dove il nucleo dell’atomo non è coinvolto.

L’energia nucleare la si può ottenere attraverso la fusione o attraverso la fissione nucleare. 15

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• 1- Concetti principali
• 2- Reazione più semplice
• 3- Creazione di energia
• 4- Funzionamento
• 5- Il confinamento del plasma
• 6- Problematiche
• 7- Esperimenti reattori
• 8- Esempio macchina
• 9- Schema impianto
• 10- Altre sperimentazioni
• 11- Vantaggi
• 12- Svantaggi

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La fusione nucleare

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• È il processo con cui da tempo si sprigiona energia nel Sole.
• La fusione è il processo nucleare in cui si va all’unione di nuclei leggeri per formarne uno più pesante.
• Affinché avvenga la fusione tra nuclei è necessario che questi ultimi stiano molto vicini per superare la forza di repulsione coinvolta (i due nuclei hanno entrambi cariche positive e quindi si respingono).
• Per superare la repulsione è necessario raggiungere una elevata quantità di energia, raggiungibile o ad alte temperature o ad alte densità. 17

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La più semplice reazione di fusione è quella tra un deuterio e un trizio per formare un atomo di elio più un neutrone.

Deuterio

Tritio

Protone

Neutrone

Elio

Neutrone

• Per fare questa reazione bisogna raggiungere una temperatura di 100 milioni di gradi.
• Il deuterio lo si trova in natura, mentre il trizio deve essere prodotto bombardando un atomo di litio con un neutrone. 18

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• Durante la reazione si ha una diminuzione di massa che si trasforma in energia per la legge E=mc².
• Questa variazione di massa è dovuta alla forza di legame che si crea per tener unito il nucleo. Infatti la massa del nucleo di un elemento è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni di cui è composto il medesimo nucleo.
• Per calcolare questa variazione di massa bisogna usare la massa nucleare e non la massa atomica usata nella tavola periodica.
• Questa variazione di massa viene convertita in energia. 19

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• La fusione nucleare in questo momento è possibile solo nel Sole, dove si può raggiungere temperature elevate.
• Nel Sole infatti si ha la creazione del plasma.
• Il plasma può essere considerato il quarto stadio della materia, dove si crea un gas ionizzato dove elettroni e nuclei non sono più legati.