ANNO SCOLASTICO: 2004- 2005
DISCIPLINA: CHIMICA
DOCENTE: RITA LIMIROLI
La Radioattivita'
1.Introduzione
Con il termine radioattività s’indica la serie di processi che avvengono quando
atomi di un elemento si trasformano in quelli di un altro in seguito ad una
modificazione del nucleo. Se gli atomi subiscono tale processo di disintegrazione
radioattiva spontaneamente, si ha radioattività naturale, mentre se il processo
avviene dopo che il nucleo è stato colpito da una particella elementare o dal
nucleo di un altro atomo, si ha radioattività artificiale.
I primi esperimenti che misero in luce l'esistenza di sostanze naturalmente
radioattive furono condotte da Bequerel, dai coniugi Curie e da Rutherford. Il
termine radioattività è dovuto al fatto che la maggior parte delle prime ricerche
vennero condotte utilizzando il radio presente nel minerale pecblenda (costituito
essenzialmente da ossido di uranio).
1.1 Elementi radioattivi naturali
Gli elementi radioattivi naturali sono sopratutto quelli che hanno numero atomico
piuttosto elevato (sono radioattivi gli isotopi degli elementi più pesanti con numero
atomico da 83 a 92) anche se una debolissima radioattività è stata rinvenuta in
alcuni isotopi di elementi a medio numero atomico ad esempio 40 K e 138. La.
Perché gli elementi a numero atomico più elevato sono instabili? Per capire ciò
bisogna considerare il tipo di forze esistente tra le particelle del nucleo.Tra i protoni
e i neutroni del nucleo esistono forze attrattive molto intense dette forze nucleari.
Queste forze sono più intense di quelle elettrostatiche repulsive esistenti tra i
protoni. Le forze nucleari agiscono a corto raggio, cioè la loro azione è intensa
solo se la distanza tra i nucleoni è molto piccola. Per questa ragione è
indispensabile nel nucleo la presenza dei neutroni: essi sono come la "colla" che
tiene uniti i protoni, perché suscitano forze nucleari attrattive mentre, non avendo
carica, non aumentano le forze repulsive elettrostatiche. Nei nuclei leggeri con
pochi protoni, il numero dei neutroni è assai prossimo a quello dei protoni; per gli
elementi più pesanti la stabilità del nucleo richiede la presenza di una maggiore
percentuale di neutroni ed il numero dei neutroni è circa 1,6 volte quello dei
protoni.
Poiché le forze nucleari hanno raggio d'azione limitato, nei nuclei più piccoli tutte
le particelle nucleari si trovano sotto il raggio d'azione delle forze nucleari, nei
nuclei più grandi, al contrario, le particelle più lontane sono oltre il raggio d'azione
delle forze nucleari e quindi ciascun protone o neutrone risente solo dell'influenza
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delle particelle più vicine. Le forze elettrostatiche repulsive hanno invece raggio
d'azione sufficientemente grande affinché ciascun protone risenta dell' azione di
tutti gli altri, anche nei nuclei più grandi. Si può quindi pensare che nei nuclei più
grandi le forze repulsive elettrostatiche, per i protoni più esterni arrivino a superare
le forze nucleari attrattive; aumentando il numero atomico si può dunque arrivare
a superare il limite di stabilità del nucleo. E' per questo motivo che gli elementi con
numero atomico maggiore di 83 sono radioattivi.
Nelle reazioni nucleari spontanee i nuclei radioattivi si decompongono
trasformandosi in un altro nucleo più stabile. Queste trasformazioni sono dette
decadimenti radioattivi.
1.2 Natura delle particelle α, β positive o negative e raggi γ.
I decadimenti radioattivi avvengono con emissione di particelle α, β positive o
negative e con l'eventuale emissione di raggi γ.
Le particelle α hanno massa pari a 4 e carica +2 esse sono vale a dire nuclei
di elio. Le particelle α in aria, a pressione atmosferica, percorrono soli pochi
centimetri perché vengono arrestate dagli urti contro le molecole che
costituiscono l'aria stessa, esse vengono arrestate anche da sottili fogli metallici
(spessore < 10-3 cm).
Le particelle β− sono elettroni, mentre le particelle β+ dette anche positroni
sono particelle di carica unitaria con segno positivo e massa pari a quella
dell'elettrone. Le particelle β sono in grado di attraversare spessori metallici
dell'ordine di 10-1 cm.
Le radiazioni γ sono di natura elettromagnetica come la luce. Hanno un
elevato contenuto energetico e sono molto penetranti: sono in grado di
attraversare spessori metallici di alcuni centimetri.
Secondo la natura delle particelle emesse si distingue tra decadimento α , β+ o β-.
Caratteristici di ogni isotopo radioattivo sono il tipo di decadimento e il tempo di
dimezzamento.
2.Tempo di dimezzamento
Il tempo di dimezzamento detto anche periodo di semitrasformazione,
rappresenta il tempo necessario perché il 50% degli atomi considerati decadano.
Il tempo di dimezzamento può essere molto breve (vale a dire dell'ordine di pochi
secondi) o molto lungo (dell'ordine di migliaia di anni).
E' possibile che una sostanza presenti due diversi tipi di decadimento con tempi di
dimezzamento differenti.
3. Famiglie radioattive
Nella massima parte delle sostanze radioattive anche il nucleo ottenuto da un
decadimento è radioattivo e si trasforma in un altro nucleo. In natura esistono tre
famiglie radioattive che hanno origine dal 23892U, 23290Th e 23592U, questa ultima è
detta anche serie dell'attinio.
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e 23592U sono i cosiddetti capostipiti, perché da essi si formano, per
disintegrazione, numerosi altri elementi radioattivi a periodo di semitrasformazione
più breve. Ciascuna famiglia raccoglie tutti gli elementi generati da ciascun
capostipite. I prodotti di tutte e tre le serie sono isotopi del Pb che non sono
radioattivi e quindi stabili.
238 U→ 206Pb
232 Th → 207Pb
235 U → 208Pb.
92
90
92
238
92U,
232
90Th
4. Radioattivita' artificiale
Alcune reazioni nucleari possono essere indotte dall'uomo. Se si bombardano
isotopi naturalmente stabili con particelle o con protoni o con nuclei di deuterio
accelerati tali isotopi diventano radioattivi.
Le energie necessarie per far avvenire le reazioni nucleari sono molto elevate:
sono dell'ordine di milioni di KJ contro valori da alcune centinaia fino a un migliaio
di KJ necessari per far avvenire reazioni chimiche. Nel caso di reazioni indotte dal
bombardamento dei nuclei con particelle cariche quando le particelle incidenti si
avvicinano al nucleo dell'atomo bersaglio sono soggette a forze repulsive di
valore elevato e quindi, affinché una particella possa penetrare nel nucleo, dovrà
disporre di una elevata energia altrimenti sarà respinta. Tali elevati valori di
energia sono conferibili medianti i cosiddetti acceleratori di particelle.
Bombardando 23892U con nuclei di deuterio accelerati è stato creato il primo
elemento artificiale, avente numero atomico 93, che è stato denominato
nettunio. Il nettunio ha aperto la serie degli elementi transuranici (detti attinidi),
non esistenti in natura e instabili poiché radioattivi. Il nettunio è il capostipite della
4a famiglia radioattiva (serie del nettunio) che è formata da elementi artificiali.
Reazioni nucleari sono anche i processi di fissione nucleare in cui nuclei pesanti si
spezzano per dare nuclei più leggeri e i processi di fusone nucleare in cui nuclei
leggeri si uniscono a dare nuclei più pesanti.
4.1 Fissione nucleare
Se il nucleo del 23592U viene bombardato con neutroni a velocità controllata si
forma l'isotopo 23692U che è instabile si spezza in due nuovi nuclei con emissione di
neutroni ed energia. I neutroni emessi a loro volta agiscono su altri nuclei e così via
fino a che tutti gli atomi subiscono una fissione nucleare. Si tratta quindi di una
reazione a catena. Questa reazione è fatta avvenire a velocità controllata nei
reattori nucleari allo scopo di produrre energia.
4.2 Fusione nucleare
La fusione nucleare è una reazione a catena consistente nell’unione di nuclei
leggeri in modo da formare nuclei più pesanti.
Le reazioni di fusione richiedono enormi quantità di energia per vincere la
repulsione elettrostatica dei nuclei. Solo a temperature dell'ordine del centinaio di
milioni di gradi le forze repulsive fra i nuclei sono superate dall'energia cinetica dei
nuclei stessi e i due nuclei possono avvicinarsi fino a fondersi. Per questo motivo
questo tipo di reazione non avviene spontaneamente sulla terra. La fusione
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nucleare avviene invece nel sole e nelle altre stelle dove sono raggiunte le
temperature necessarie ad innescare tali reazioni. Un tipico esempio di fusione
nucleare che si realizza nel sole e nelle altre stelle è la trasformazione di un nucleo
di deuterio e di trizio in un nucleo di elio con liberazione di un neutrone e di una
grande quantità di energia.
2 H + 3 H → 4 He + n + energia
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L'energia liberata nelle reazioni di fusione nucleare è emessa dalle stelle sotto
forma di energia radiante. Il protone è il nucleo più abbondante dell'universo ed è
il costituente principale delle stelle. Da esso attraverso una serie di reazioni di
fusione nucleare si sono originati tutti gli altri nuclei presenti nell'Universo.
5. Bibliografia
Paolo Silvestroni -Fondamenti di Chimica-Editoriale Veschi
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