Atomo e isotopi

ATOMO E ISOTOPI

domenica 18 ottobre 2020   17:03

Ogni atomo è composto da un nucleo (che contiene protoni e neutroni) ed elettroni.

PARTICELLE SUBATOMISTICHE

• PROTONE Particella carica positivamente, con massa all'incirca pari ad un u.m.a.
• ELETTRONE Particella carica negativamente, con massa all'incirca 1840 volte più piccola di quella del protone.
• NEUTRONE Particella neutra, con massa leggermente superiore a quella del protone.

Il nucleo degli atomi occupa quindi una minima parte di volume ma ne rappresenta la quasi totalità della massa, mentre al contrario gli elettroni occupano la maggior parte del volume dell'atomo ma hanno masse trascurabili.

La massa del nucleo è circa la somma delle masse di neutroni e protoni che lo compongono: in realtà la somma effettiva delle masse dei neutroni e dei protoni risulta leggermente superiore a quella effettiva del nucleo. Questo difetto di massa corrisponde ad una perdita di energia che avviene durante la formazione del nucleo; ciò è spiegato dall'equazione di Einstein E = MC².

La composizione dell'atomo può essere riassunta dal simbolo atomico (visibile a lato in figura), caratterizzato da:

• - X: simbolo dell'elemento chimico in questione
• - Z: numero atomico (numero dei protoni)
• - A: numero di massa (numero di protoni e neutroni)

protoni = A elettroni = A (se atomo neutro) neutroni = A - Z

ISOTOPI

Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni.

Gli isotopi sono invece atomi dello stesso elemento che hanno differenti masse per la presenza di un differente numero di neutroni

ATOMO E ISOTOPI

domenica 18 ottobre 2020 17:03

Ogni atomo è composto da un nucleo (che contiene protoni e neutroni) ed elettroni.

PARTICELLE SUBATOMICHE

• PROTONEParticella carica positivamente, con massa all'incirca pari ad un u.m.a.
• ELETTRONEParticella carica negativamente, con massa all'incirca 1840 volte più piccola di quella del protone.
• NEUTRONEParticella neutra, con massa leggermente superiore a quella del protone.

Il nucleo degli atomi occupa quindi una minima parte di volume ma ne rappresenta la quasi totalità della massa, mentre al contrario gli elettroni occupano la maggior parte del volume dell'atomo ma hanno masse trascurabili.

La massa del nucleo è circa la somma delle masse di neutroni e protoni che lo compongono: in realtà la somma effettiva delle masse dei neutroni e dei protoni risulta leggermente superiore a quella effettiva del nucleo. Questo difetto di massa corrisponde ad una perdita di energia che avviene durante la formazione del nucleo; ciò è spiegato dall'equazione di Einstein E = MC².

La composizione dell'atomo può essere riassunta dal simbolo atomico (visibile a lato in figura), caratterizzato da:

• X: simbolo dell'elemento chimico in questione
• Z: numero atomico (numero dei protoni)
• A: numero di massa (numero di protoni e neutroni)

protoni = A elettroni = A (se atomo neutro) neutroni = A - Z

ISOTOPI

Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni.

Gli isotopi sono invece atomi dello stesso elemento che hanno differenti masse per la presenza di un differente numero di neutroni.

Tra i vari isotopi di uno stesso elemento rimane dunque invariato il numero atomico (Z); quello che varia è il numero di massa (A).

Conseguenza della variazione della massa di un atomo è la variazione di alcune caratteristiche fisiche, come la densità. Ad esempio l’acqua ha una temperatura di ebollizione di 100 °C mentre l’acqua pesante (costituita da deuterio al posto dell'idrogeno) ha una temperatura di circa 101,5 °C. Le proprietà chimiche di diversi isotopi rimangono invece invariate.

Si definisce con l'espressione ABBONDANZA RELATIVA il rapporto tra il numero di atomi di un determinato isotopo di un elemento e il numero di atomi totali dell’elemento.

Es.

STABILITA' DEI NUCLEI E DECADIMENTO RADIOATTIVO

La stabilità dei nuclei dipende dal rapporto tra il numero dei neutroni e il numero dei protoni. Infatti non tutti i nuclei possono essere considerati stabili.

Il rapporto ottimale tra neutroni e protoni tende ad 1.

Se invece il rapporto diventa troppo elevato, il nucleo diventa instabile e tende a stabilizzarsi mediante l’espulsione di alcuni suoi frammenti sotto forma di radiazioni: questo fenomeno prende il nome di DECADIMENTO RADIOATTIVO.

Se Z > 84 i nuclei sono sempre instabili.

Il TEMPO DI DIMEZZAMENTO (t_1/2) rappresenta la misura della stabilità di un isotopo radioattivo.

Esso è definito come il tempo che occorre affinché la quantità iniziale dell'isotopo radioattivo si dimezzi. E' grazie a questo indice e alle abbondanze isotopiche relative che vengono fatte le datazioni al carbonio 14.

Tipi di decadimento radioattivo:

• Decadimento α: emissione diretta di una particella α (2p + 2n) con doppia carica positiva. A = -4 ; Z = -2. Sono particelle molto grandi e pesanti; i raggi α possiedono una bassa energia e un basso potere penetrante: non riescono a percorrere infatti più di 7 cm all'aria e non possono attraversare sottili strati metallici. Anche un sottile strato di carta riesce ad assorbire completamente questo tipo di radiazioni. Gli elementi che, per stabilizzarsi, emettono radiazioni α andranno incontro, emettendo 2 neutroni e 2 protoni, ad una diminuzione del loro numero di massa di 4 unità ed una diminuzione del loro numero atomico di 2 unità.
• Decadimento β-: emissioni che riguardano particelle di massa paragonabile a quella dell'elettrone. Sono tipiche del decadimento naturale.
• Decadimento β+: perlopiù artificiali, dovuti all'emissione di positroni dal nucleo che vanno poi incontro ad un processo di annichilimento con un elettrone, provocando l'emissione di 2 fotoni in direzioni opposte.
• Decadimento γ: emissione di radiazione elettromagnetica ad altissima energia e frequenza (quindi non di vere e proprie particelle) dovute alla transizione energetica in seguito ad un passaggio di un nucleo da uno stato eccitato ad uno a energia minore. Essendo emissioni di energia elettromagnetica e non di particelle non avvengono variazioni per quanto riguarda numero atomico o numero di massa. Sono le radiazioni più penetranti ma non vanno confuse con i raggi X, che sono invece radiazioni elettromagnetiche emesse in seguito alla transizione energetica di elettroni da livelli energetici più esterni (a maggior energia) a quelli più interni (a minor energia).
• Un altro tipo di decadimento radioattivo è poi la CATTURA ELETTRONICA, dovuto all'interazione tra un protone ed un elettrone molto vicino al nucleo con la conseguente formazione di un neutrone e l'emissione di un raggio γ. Questo tipo di decadimento non provoca alcuna variazione nel numero di massa in quanto un protone viene trasformato in un neutrone, ma avendo l'annichilimento di un protone con un elettrone avremo una diminuzione di uno del numero atomico.

ISOTOPI IN MEDICINA

Gli isotopi sono molto utilizzati in medicina, sia per la diagnosi che per la terapia.

A livello diagnostico abbiamo principalmente:

• SPET (Tomografia ed Emissione di Fotone Singolo) sfrutta le emissioni β+.