CARBO
FONDAMENTI DI CHIMICA PER LE TECNOLOGIE, LA SALUTE E L’AMBIENTE
Direttori
Franco V
Università degli Studi di Perugia
Stefano F
Università degli Studi di Perugia
Comitato scientifico
Vincent L
Université Paris XIII Nord – Villetaneuse, France
James Martin F
University of Rochester, NewYork, USA
I volumi accolti nella collana afferiscono ai settori scientifico disciplinari di
Fondamenti chimici delle tecnologie (/) e di Chimica dell’ambiente e dei
beni culturali (/).
CARBO
FONDAMENTI DI CHIMICA PER LE TECNOLOGIE, LA SALUTE E L’AMBIENTE
Una vita senza ricerche non è degna per l’uomo di essere vissuta.
P, Apologia di Socrate
La collana nasce dall’interesse di approfondire l’attività di ricerca scientifica e l’attività didattico–formativa, relativa allo studio dei fondamenti
chimici applicati a diversi ambiti tecnologici, al settore della sicurezza
e della salvaguardia della salute umana, all’ambiente e ai beni culturali.
L’obiettivo è quello di divulgare e promuovere ricerche, studi e conoscenze che riguardano i prodotti chimici naturali e di sintesi, le
possibili applicazioni tecnologiche, l’impatto sulla salute umana, sull’ambiente e sui beni culturali. Il fine ultimo è favorire l’evoluzione
e lo sviluppo economico, sociale e tecnologico delle comunità umane verso ecosistemi caratterizzati da una fruizione più equilibrata e
inclusiva dei beni comuni materiali e immateriali.
Carbo accoglie volumi di rilevanza scientifica internazionale nell’ambito della chimica di base e della chimica applicata. Le opere sono
destinate a soddisfare l’interesse e la curiosità di intellettuali, accademici, ricercatori, studenti universitari e amanti della cultura. Per questi
motivi è possibile trovarvi testi sia di taglio scientifico e specialistico,
che di taglio didattico e divulgativo.
Stefano Falcinelli
Franco Vecchiocattivi
Radiochimica ambientale
Una guida pratica per capire che cos’è e come si misura
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con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
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senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: giugno
Indice
Parte I
Fondamenti di radiochimica
Capitolo I
Nucleo atomico
.. Costituzione del nucleo atomico, – .. Energia di legame nucleare, – .. Particelle elementari, – .. Interazioni elementari, –
.. Esercizi, .
Capitolo II
Radioattività
.. Il decadimento radioattivo, – .. Legge del decadimento radioattivo, – .. Unità di misura per la radioattività, – .. Banda di
stabilità dei nuclidi, – .. Cenni sul decadimento β, – .. Cenni
sul decadimento α, – .. Esercizi, .
Capitolo III
Strumentazione di laboratorio
.. Camere di ionizzazione, – .. Moltiplicatori di particelle, –
.. Scintillatori, – .. Alcune considerazioni statistiche, – .. Statistica del conteggio d’impulsi, – .. Spettrometria di massa, –
.. Esercizi, .
Capitolo IV
Interazioni tra radiazione nucleare e materia
.. Effetti della radiazione α, – .. Effetti delle radiazioni β,
– .. Effetti delle radiazioni γ , – .. Radiazione Cerenkov, –
.. Effetti prodotti da neutroni, – .. Esercizi, .
Indice
Capitolo V
Reazioni nucleari
.. Sezione d’urto di una reazione nucleare, – .. Reazioni di fissione, – .. Reattori a fissione, – .. Reazione di fusione, –
.. Evoluzione delle stelle e nucleosintesi, – .. Esercizi, .
Capitolo VI
Applicazioni radiochimiche
.. Uso di traccianti isotopici, – .. Diluizione isotopica, – .. Analisi per attivazione neutronica, – .. Variazioni delle abbondanze
isotopiche naturali, – .. Datazione archeologica con carbonio ,
– .. Esercizi, .
Capitolo VII
Chimica delle radiazioni
.. Resa di una radiolisi, – .. Dosimetria, – .. Radiolisi in fase
gassosa, – .. Reazioni ione–molecola, – .. Radiolisi di soluzioni
acquose, – .. Radiolisi d’idrocarburi, – .. Radiolisi di solidi, –
.. Esercizi, – .. Alcune costanti fisiche, .
Parte II
Radiazioni ionizzanti e loro determinazione
Capitolo I
Le radiazioni ionizzanti e i loro effetti sull’uomo
.. Generalità e effetti biologici, – .. Unità di misura dosimetriche e
proprietà delle radiazioni ionizzanti, – .. Legislazione in materia di
radioprotezione, – .. Famiglie o serie radioattive naturali: equilibrio
secolare e transitorio, – .. Il Radon e l’ambiente costruito, –
.. Presenza di radionuclidi nell’ambiente, .
Capitolo II
Esposizione a radiazioni ionizzanti in ambienti di lavoro
.. Introduzione, – .. Strumentazione utilizzata, modalità ed errore
di misura, – .. Misure di radioattività indoor presso la “Ser–Vis”
S.r.l., – .. Discussione dei dati e materiali edilizi, – .. Note geologiche, – .. Misure di radioattività su piante e preparati
alimentari, – .. Cenni di Spettroscopia γ e suo utilizzo, – .. Va-
Indice
lutazione dell’esposizione a radiazioni ionizzanti dei lavoratori della
“Ser–Vis” S.r.l., – .. Conclusioni e sviluppi futuri, .
Capitolo III
Esposizione a radiazioni ionizzanti in ambienti civili
.. Introduzione, – .. Strumentazione, – .. Rilevazioni di dose
efficace indoor nei locali della ex facoltà di Ingegneria di Perugia, –
.. Elaborazione dei dati di misura, – .. Analisi dei materiali da
costruzione utilizzati, – .. Note geologiche sul territorio di “Pian di
Massiano”, – .. Conclusioni e possibili sviluppi futuri, .
P I
FONDAMENTI DI RADIOCHIMICA
Capitolo I
Nucleo atomico
.. Costituzione del nucleo atomico
Il nucleo di un atomo risulta composto da neutroni e protoni. I neutroni sono particelle che non hanno carica mentre i protoni hanno una
carica positiva. Il numero dei protoni presenti in un nucleo è chiamato
numero atomico, A. In un atomo neutro A determina anche il numero
degli elettroni dell’atomo e quindi caratterizza l’elemento chimico
stesso. La somma tra il numero dei protoni e quello dei neutroni
presenti in un nucleo ne determina la massa. Infatti la massa di un
protone e quella di un neutrone sono abbastanza simili ed ambedue
sono molto più grandi della massa di un elettrone. La massa di un
protone, mp , è di , amu (amu = unità di massa atomica, definita
come / della massa dell’isotopo del carbonio; amu = , x
− g), quella di un neutrone, mn , è di , amu, mentre quella
di un elettrone, me , , amu. Queste masse si riferiscono alle
particelle considerate a riposo, cioè quando la loro velocità non è così
grande da provocare una sensibile modifica relativistica della loro
massa. Il numero totale dei protoni e dei neutroni in un nucleo è chiamato numero di massa, Z. Quando ci si riferisce a nuclei caratterizzati
dal solo numero atomico, A, si parla di elemento, mentre quando ci
si riferisce a nuclei caratterizzati anche da Z, si parla di nuclide. La
notazione che si usa per indicare un dato nuclide è quella di scrivere il
simbolo chimico dell’elemento riportando in alto a sinistra il valore di
Z. Per esempio scriveremo U, C, Na, ecc. Talvolta per comodità
si riporta anche il numero atomico A in basso a sinistra, sebbene non
sia strettamente necessario, dato che il simbolo dell’elemento già indica da se un ben preciso numero atomico. Per esempio si scriverà
U,
O, C, ecc.
. Fondamenti di radiochimica
Indicheremo con il nome di isotopi quei nuclidi che pur avendo
numero atomico uguale, hanno numero di massa diverso. Per esempio
sono isotopi C, C e C oppure U, U, U e U. Si diranno
invece isobari quei nuclidi che hanno numero di massa eguale, ma
numero atomico diverso. Per esempio sono isobari N e C, oppure
K e Ar.
.. Energia di legame nucleare
Facendo uso di alcune tecniche sofisticate come, per esempio, la spettrometria di massa ad altissima risoluzione, di cui avremo modo di
parlare in seguito, la massa di un dato nuclide può essere determinata sperimentalmente e con una grande accuratezza. La massa di
un nuclide ci può dare informazioni preziose sull’energia di legame
tra le particelle che costituiscono il nucleo atomico. Consideriamo
per esempio il nuclide He. La massa di un suo atomo, determinata
sperimentalmente è di , amu. Se confrontiamo questo valore
con quello dato dalla somma della massa di tutte le particelle che costituiscono quest’atomo, cioè due protoni, due neutroni e due elettroni,
troviamo un valore di . amu, quindi una massa maggiore di
quella dell’atomo del nuclide trovata sperimentalmente. Le particelle
costituenti l’atomo, nel legarsi insieme hanno quindi perso una parte
della loro massa. Parleremo in questo caso di un difetto di massa, ∆m,
che può essere determinato facilmente per tutti i nuclidi. In Figura .
vediamo come il difetto di massa relativo, cioè ∆m/Z, varia per i vari
nuclidi, in funzione del valore di Z.
Per comprendere meglio la natura del difetto di massa dovremo
considerare la legge di equivalenza tra massa ed energia che deriva
dalla teoria della relatività. Questa legge implica che in un qualsiasi sistema gli scambi di energia siano accompagnati anche da variazioni di
massa. Ad esempio un corpo caldo, data la maggiore energia interna,
deve avere una massa maggiore di quella di un corpo freddo, oppure,
se in una trasformazione si ha produzione di energia, l’energia del
sistema e quindi anche la sua massa devono diminuire. La quantità di
energia messa in gioco, ∆E, e l’equivalente quantità di massa, ∆m,
sono tra loro proporzionali secondo la relazione:
. Nucleo atomico
∆E = c ∆m;
dove la costante di proporzionalità, c , è il quadrato della velocità
della luce (c = , x ms− ).
Le quantità di energia messe in gioco nelle reazioni chimiche,
che come sappiamo coinvolgono solo variazioni nella composizione del guscio elettronico degli atomi, non sono sufficientemente
grandi da provocare variazioni di massa facilmente misurabili. Lo
possiamo vedere facilmente considerando, per esempio la reazione di
combustione del metano:
CH + O → CO + H O;
che presenta ∆H = − kJ mol− . La reazione è esotermica e
quindi avviene con diminuzione della massa totale del sistema. La
Figura .. In questa curva è mostrato l’andamento medio del difetto di massa
relativo, cioè diviso per il numero di nucleoni, per i nuclei degli elementi naturali, in
funzione del numero di massa, Z. Il difetto di massa relativo può essere convertito
in energia di legame/nucleone. Nella figura sono riportati direttamente i valori
dell’energia in MeV
. Fondamenti di radiochimica
massa dei reagenti ( mole di CH + moli di O ) è mtot = , g.
La perdita relativa di massa del sistema quando avviene la reazione è
quindi
∆m = ∆H/c = −, x − g mol− ;
∆m/mtot = − − .
Vediamo come la diminuzione di massa relativa subita dal sistema, a seguito della produzione di calore che si accompagna alla reazione chimica, sia una quantità così piccola da essere difficilmente
misurabile.
Il ∆m che viene misurato nella formazione dei vari nuclidi è indice
di una quantità di energia che viene messa in gioco nei nuclei atomici
ed è straordinariamente più grande di quella messa in gioco nei
processi chimici. Questa è in pratica determinata dall’energia messa
in gioco per legare tra loro protoni e neutroni nel nucleo. Nel caso di
He si ha ∆m = , amu da cui si ottiene
∆E = c ∆m = , x − J = MeV.
L’energia di legame tra le particelle costituenti il nucleo (dette anche nucleoni) è quindi circa volte più grande di quelle dei legami
chimici. La curva di Figura . ci indica l’andamento relativo dell’energia di legame tra le particelle, costituenti il nucleo, in funzione di Z. Il
massimo di energia di legame si ha per i nuclidi che hanno numero di
massa intorno a circa . Inoltre si può notare che l’aumento di difetto
di massa relativo è piuttosto alto andando dai nuclei leggeri verso
quelli a massima energia di legame, mentre risulta essere inferiore andando da nuclei pesanti verso quelli intorno al massimo della curva. Si
può anche notare che sono possibili due tipi di trasformazioni nucleari
in grado di produrre energia: quella in cui nuclei leggeri si fondono
per dar luogo a nuclei più pesanti (fusione nucleare) e quella in cui un
nucleo pesante si scinde dando luogo a nuclei intorno al massimo di
energia di legame nucleare (fissione nucleare). Da quanto considerato
sopra, risulta evidente che una reazione di fusione di nuclei leggeri, a
parità di massa, produce più energia della reazione di fissione di un
nucleo pesante.
. Nucleo atomico
Occorre notare che i processi nucleari avvengono spontaneamente
quando comportano una diminuzione dell’energia totale del sistema.
Al contrario delle reazioni chimiche, per le reazioni nucleari il fattore
entropico è trascurabile, poiché l’interscambio di energia tra i nuclei
nelle condizioni usuali è praticamente nullo. Questo significa che
una reazione nucleare avviene spontaneamente ogni volta che si può
verificare una diminuzione di energia e quindi di massa.
.. Particelle elementari
Nei primi decenni del ventesimo secolo veniva usato il termine particelle elementari per elettroni, neutroni, protoni, e fotoni, pensando
che queste particelle fossero i costituenti fondamentali ed indivisibili
della materia. Nel Hideki Yukawa ipotizzò l’esistenza di particelle
con massa intermedia tra i protoni e gli elettroni. Queste particelle
sono state poi effettivamente osservate, ma agli inizi sono risultate
essere di tre tipi, poi di nove, e così via, fino ad arrivare oggi ad un
numero totale di particelle, cosiddette elementari, che, insieme alle
loro antiparticelle, sono centinaia. Si può tentare una classificazione
di queste particelle.
La prima grossa distinzione che possiamo fare tra le numerose
particelle note è quella in base al loro spin. Da questo punto di vista
si distinguono i bosoni, cioè particelle che seguono la statistica di Bose–Einstein (spin intero, , , ,. . . ), dai fermioni, cioè particelle che
seguono la statistica di Fermi–Dirac (spin semi-intero, , , ). Una
ulteriore distinzione si fa in base alla massa delle particelle. Sono chiamate leptoni le particelle con piccola massa, come elettroni, neutrini
e muoni, insieme alle loro antiparticelle. I leptoni sono tutti fermioni.
Barioni sono le particelle più pesanti come protoni e neutroni. Anche
i barioni sono fermioni. Mesoni sono particelle con massa intermedia
e sono tutti bosoni. I barioni e i mesoni sono particelle complesse,
cioè composte da altre particelle, e vengono chiamate adroni.
Già alla fine della prima metà del ventesimo secolo, il numero degli
adroni scoperti era così grande che si faceva fatica ad orientarsi in
mezzo a tante particelle con proprietà e caratteristiche tanto diverse.
Nel Murry Gell–Mann tentò una classificazione degli adroni in
base alle loro proprietà, in maniera analoga a quanto fatto da Men-
. Fondamenti di radiochimica
deleev alla fine del diciannovesimo secolo per gli elementi chimici.
Questo tentativo riuscì abbastanza bene e mostrò che gli adroni sono
raggruppabili in famiglie. Nel Gell-Mann ipotizzò, sulla base di
regolarità e periodicità delle caratteristiche degli adroni, l’esistenza
di una particella non ancora osservata. Questa particella fu poi effettivamente osservata nel , convalidando i criteri di classificazione
di Gell-Mann, anche se al momento non c’era nessuna idea chiara
su come si potessero giustificare tali periodicità. Nel sempre
Gell-Mann propose un’interpretazione della sua classificazione basata
sull’ipotesi che gli adroni siano costituiti da tre particelle e dalle loro corrispondenti tre antiparticelle. A questi costituenti “elementari”
dette il nome di quark. Gli esperimenti di collisioni nucleari ad alte
energie compiuti negli ultimi quarant’anni hanno completamente
confermato l’ipotesi di Gell-Mann.
.. Interazioni elementari
Nella meccanica quantistica le interazioni sono attribuite allo scambio
di particelle chiamate “bosoni gauge”. Si distinguono quattro tipi di interazioni fondamentali tra le particelle: Interazione elettromagnetica,
interazione gravitazionale, interazione nucleare forte ed interazione
nucleare debole.
Yukawa ha determinato che l’interazione elettromagnetica tra particelle cariche è dovuta allo scambio di fotoni e produce repulsione
tra cariche di uguale segno ed attrazione tra cariche di segno diverso
e questa interazione diminuisce con il quadrato della distanza.
L’interazione gravitazionale tra particelle dotate di massa è dovuta
allo scambio rapido di particelle dette “gravitoni”, è solo attrattiva ed
anche questa diminuisce con il quadrato della distanza. I gravitoni non
sono stati ancora osservati direttamente, anche se molti tentativi sono
attualmente in corso.
L’interazione debole è caratteristica della espulsione di elettroni
e neutrini dai neutroni (decadimento beta). È un’interazione che
agisce a distanze molto piccole, dell’ordine di − cm, ed è circa
volte più debole dell’interazione elettromagnetica. Non produce
attrazioni ma è responsabile della trasformazione di certe particelle in
altre, come, per esempio, i pioni in muoni. Nel Steven Weinberg
. Nucleo atomico
riuscì a correlare l’interazione debole con l’elettromagnetica. Questa
teoria contemplava l’esistenza di quattro particelle dell’interazione
“elettro-debole”: il fotone, che è senza massa ed è già noto, e tre
particelle con massa molto grande, le particelle W + e W − per le
particelle cariche e la particella Z° per le neutre. Questa teoria ha
avuto una conferma sperimentale quando, nel , Carlo Rubbia
osservò sperimentalmente le particelle W + e W − e poi, nel ,
quelle Z°.
L’interazione forte è responsabile del legame tra nucleoni nel nucleo ed agisce a distanze dell’ordine di − cm. I barioni e i mesoni
rispondono a questa interazione. L’interazione forte fondamentale si
ha tra i quark che scambiano un bosone gauge chiamato gluone.
.. Esercizi
– Il nucleo di deuterio ha una massa di , x − kg. Calcolare
l’energia di legame tra protone e neutrone nel nucleo di deuterio.
– Le masse dei nuclidi Sn e Sn sono rispettivamente , x
− e , x − kg. Quanta energia è richiesta per il processo
Sn → Sn + n?
– Quanta energia viene prodotta quando un protone e un nucleo
di trizio fondono per formare una particella? (massa nucleare di H :
, x − kg).
– Il nucleo di He non ha spin, mentre quello di He ha spin /.
Quale dei due nuclei è un fermione e quale un bosone?
