Schemi Chimica Generale

U235 fissione nucleare, ovvero la rottura di un nucleo pesante

Nuclidi stabili

Si possono definire stabili i nuclidi che rimangono inalterati per un tempo così lungo da rendere impossibile una valutazione delle loro trasformazioni.

In natura esistono circa 260 nuclidi che possono essere definiti stabili e se si analizzano la grande maggioranza di questi ha Z e N pari (pochissimi li hanno entrambi dispari, solo 4) e ciò dimostra la tendenza di neutroni e protoni ad appaiarsi.

I nucleoni possiedono un momento magnetico e tendono ad accoppiarsi con momento magnetico opposto.

H He1 3Ad eccezione di e nei nuclidi stabili il numero di neutroni è sempre uguale o maggiore rispetto al numero di protoni: nuclidi leggeri per i N è circa uguale a Z, nuclidi pesanti per i N>Z.

Il decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo è un processo, naturale o artificiale, in cui un nuclide si trasforma in un altro. In questo processo vengono liberate energia (calore).

trasformazione di un protone in neutrone: p —> n + β+ +

In questa trasformazione A rimane costante e Z diminuisce. È un decadimento molto meno comune del precedente, ciò a causa della scarsa tendenza dei protoni a decadere. È molto raro nei nuclidi naturali ma abbastanza comune in quelli artificiali.

Cattura elettronica: Il nucleo può catturare un elettrone degli strati più interni e si ha quindi p + β —> n+ -

In questa reazione Z diminuisce e A rimane costante. Questo tipo di decadimento è presente in alcuni isotopi stabili di elementi più leggeri (Z < 81).

Si può dunque concludere che il decadimento radioattivo produce nuclidi che si trasformano nel loro stato fondamentale attraverso l'emissione di radiazioni elettromagnetiche che prendono il nome di raggi γ (decadimento reazione di annichilazione).

Fra l'elettrone e il positrone si ha una reazione di annientamento: la massa delle

Due particelle infatti si trasforma in energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Termodinamicamente tutti questi decadimenti sono sfavoriti rispetto alle reazioni di fissione e scissione ma nonostante ciò sono i principali ad avvenire poiché la barriera di potenziale è minore.

Il tempo di dimezzamento (t_1/2)

La velocità con cui avviene il processo di decadimento varia entro ampi limiti. Si definisce infatti il tempo di dimezzamento, ovvero il tempo necessario affinché un certo numero di nuclidi si sia ridotto alla metà; ogni nuclide ha il suo tempo di dimezzamento ed è una costante.

I nuclidi con tempo di dimezzamento maggiore di 10⁷ anni sono presenti in natura dal tempo di formazione degli elementi. Tecnezio Promezio

Tutti gli elementi con Z compreso tra 1 e 83, ad eccezione di (43) e (61) hanno almeno un isotopo stabile. Alcuni di questi hanno anche isotopi instabili naturali che però hanno tutti tempo di dimezzamento maggiore di 10⁷.

anni.Gli isotopi naturai degli elementi con Z compreso tra 84 e 92 sono tutti radioattivi ma la loro presenza in natura non implica necessariamente lunghi tempi di dimezzamento. Basta che siano prodotti da nuclidi con lunghi tempi di dimezzamento. Le famiglie radioattiveU particelle α,238L'esempio tipico è che decade con emissione di con tempo di dimezzamento di 10 anni (presente in natura), fino ad arrivare al nuclide stabile che è il Pb.9 206 famiglie (o Tutti i nuclidi intermedi sono presenti in natura e vanno a formare una delle quattro serie) radioattive, 4n + 2. caratterizzata dalla formula Ci sono altre due famiglie radioattive naturali: U4n+3, 235la famiglia con capostipite• 4nla famiglia con capostipite 232 Th.• -4n+1, L'ultima famiglia, è artificiale e ha come capostipite 237 Np. In queste famiglie ricadono tutti i prodotti di decadimento degli elementi con Z compreso tra 98 e 118. Gli elementi con Z > 92, ovvero con un numero di

Fissione e fusione nucleare

La perdita di massa media (E /A) aumenta quando un nucleo pesante si divide in due più leggeri.

La fissione nucleare dovrebbe essere un processo spontaneo, con grande liberazione di energia, ma non lo è perché c'è un'alta barriera di potenziale da superare prima che il nucleo si spezzi. Solo nuclei molto grandi hanno qualche possibilità di fissione spontanea.

Quindi il modo più facile per provocare la fissione di un nucleo pesante è il bombardamento con neutroni lenti o termici che vengono acquisiti dal nucleo e lo portano, variando il rapporto n/p, ad uno stato eccitato pronto per la scissione.

Nuclidi che possono facilmente dare la reazione di fissione attraverso il bombardamento sono detti fissili.

I nuclidi che si formano per fissione non sono sempre gli stessi.

Stessi perché il nucleo può rompersi in diversi modi. In queste reazioni la diminuzione di massa corrisponde a grande energia; in generale si formano 2,5 neutroni per reazione.

Una reazione, una volta innescata, procede a l'uranio avendo come isotopo principale U238 un isotopo non fissile non darà una reazione a catena ma una sporadica.

Quando si unisce una grande quantità di materiale fissile si ha un'esplosione (bomba effetto che però viene in genere eliminato attraverso il controllo della reazione. La reazione viene limitata con il controllo del volume del materiale fissile e quindi con un'eliminazione costante di neuroni dall'ambiente di reazione, o con l'inserimento in questo ambiente di un materiale, come la grafite, che può assorbire i neutroni.

La fissione nucleare è usata anche per innescare il processo di fusione nucleare dei nuclei di H2 (bomba a idrogeno).

CAPITOLO 3: Il modello

strutturale dell'atomo: l'elettrone

Il principio di indeterminazione di Heisenberg

L'elettrone è una particella dotata di massa e di una carica negativa dunque è normale pensare che quando si trova vicino ad un nucleo, formato da particelle positive, caschi su di esso ma non è così. Non si può nemmeno sfruttare l'analogia con il sistema solare infatti anche in questo caso ci ritroveremmo con l'elettrone che alla fine tenderà a perdere la sua energia cadendo sul nucleo.

Il motivo per cui ciò non accade è spiegato grazie alla meccanica quantistica. Heisenberg introdusse un concetto rivoluzionario che sta alla base della meccanica quantistica: "Il principio di indeterminazione". Secondo questo principio non è possibile determinare contemporaneamente la quantità di moto (h = 6.62・10^-34 J s) e la posizione di un corpo senza un errore minimo di (Costante di Planck h/2π).

Questo errore è

trascurabile per gli oggetti macroscopici ma non lo è per quelli molto piccoli o microscopici come l'elettrone in cui invece è molto significativo. Inoltre aumentando la precisione di uno dei due valori che si vanno a cercare diminuisce la precisione dell'altro. Non è possibile chiedersi dove sia l'elettrone quando si vuole conoscere la sua velocità. Quindi ci si può semplicemente limitare a calcolare, attraverso la conoscenza dell'energia (che non varia), le probabilità che l'elettrone si trovi in una certa regione di spazio in relazione ad una data energia.

Interazione radiazione elettromagnetica-elettrone. La luce visibile è una porzione molto piccola della radiazione elettromagnetica (700nm-400nm) "luce bianca" e la somma di queste radiazioni elettromagnetiche costituisce la (es. Sole). Lo spettro delle varie radiazioni nella regione visibile è detto spettro visibile. Un elettrone non può

Assumere qualsiasi valore di energia all'interno di un dato atomo, ma solo alcuni. Questi stati energetici possono essere raggiunti dall'elettrone solo quando gli viene fornita un'energia: E = hv. Questa energia corrisponde a quella necessaria per far fare all'elettrone il salto energetico; ogni quanto salto energetico viene detto ed è pari ad hv. Dunque quando si parla di quantizzazione dell'energia si allude al fatto che la materia possa assumere solo certi valori di energia permessi. È importante anche sottolineare che la quantizzazione dell'energia vale per qualsiasi particella che si trova in un campo di potenziale e quindi anche per i nucleoni.

Grazie all'equazione si può considerare un quanto di luce come una particella di massa E=mc^2 m = (hv)/(c^2). La luce è vista quindi non come radiazione elettromagnetica ma come formata da particelle, i fotoni, che esistono solo alla velocità della luce in un suo fascio; hanno