5 C 2007 Aprile Chimica Nucleare

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  • I ragazzi di via Panisperna
  • Fermi e la pila atomica
  • 5 C 2007 Aprile Chimica Nucleare

    1. 1. La scoperta della radioattività naturale Henri Becquerel , scopritore della radiazione emessa dall’ uranio (1896) e delle sue proprietà di “impressionare” lastre fotografiche. Per la sua scoperta fu insignito del premio Nobel per la Fisica. Marie Curie, studentessa all’epoca della scoperta di Becquerel, decise di occuparsi dello studio dell’ uranio mentre il resto della comunità scientifica era concentrato sulla produzione e applicazioni dei raggi X. Ella realizzò che la radioattività era una proprietà dell’atomo di uranio. Scoprì, anche, il plutonio e divenne una pioniera nell’utilizzazione in medicina dei raggi X. Fu insignita di due premi Nobel per la Fisica e la Chimica. Il termine “ radioattività fu coniato da Marie Curie per descrivere gli effetti dell’uranio, all’epoca misteriosi, e della sua produzione di “raggi invisibili”. Il termine si riferisce alla particolare “attività” del radio, minerale anch’esso studiato dalla Curie.
    2. 2. - 1896 H.Becquerel, possedeva pietre fluorescenti e alla scoperta dei raggi X (allora rivelati con lastre fotografiche) volle provare se questi venivano emessi dalle sue pietre. Espose al sole un solfato doppio di U e K (uranile), e notò che il minerale impressionava una lastra fotografica. In un periodo senza sole mise in un cassetto un pezzo di uranile sopra una chiave ed una lastra fotografica incartata Il sole non tornò, ma H.B. decise di sviluppare comunque la lastra; con grande stupore la trovò impressionata dal minerale con dentro la forma della chiave. Comprese che il minerale da solo emanava una radiazione nuova che nulla aveva a che fare con la luminescenza, era la Radioattività.
    3. 3. <ul><li>Un nucleo atomico è caratterizzato da: </li></ul><ul><li>numero atomico (Z) che indica il numero di protoni </li></ul><ul><li>numero di massa (A ) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico. </li></ul><ul><li>  </li></ul><ul><li>Se indichiamo con N il numero di neutroni , possiamo scrivere: A=N+Z . </li></ul>
    4. 4. <ul><li>ISOBARI </li></ul><ul><li>Nuclidi con eguale numero di massa A </li></ul><ul><li>ISOTOPI </li></ul><ul><li>Nuclidi con eguale numero atomico Z </li></ul><ul><li>ISOTONI </li></ul><ul><li>Nuclidi con eguale numero di neutroni N </li></ul>
    5. 5. Isotopi Stabili TABELLA DEGLI ISOTOPI protoni neutroni
    6. 6. Per nuclei leggeri la configurazione nucleare risulta stabile quando Z = N . Al crescere di Z il numero di neutroni necessari a garantire la stabilità aumenta. Per Z > 20 N deve essere > Z Tale andamento è ben descritto dalla così detta curva di stabilità
    7. 7. Il fenomeno della radioattività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    . .
    8. 8. Radiazioni alfa, beta e gamma <ul><li>Le radiazioni  sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta o dalla pelle </li></ul><ul><li>Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle a, ma sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici </li></ul>sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo
    9. 9. 2 PROTONI 2 NEUTRONI Particella  . . . .
    10. 10. Particella  . 1 ELETTRONE
    11. 11. <ul><li>La radiazione   è un' onda elettromagnetica : </li></ul><ul><li>Ad elevatissima frequenza </li></ul><ul><li>originata da 1 nucleo che sta cedendo parte della sua energia. </li></ul>Raggio 
    12. 12. I decadimenti radioattivi Processi in cui un radionuclide si “ rompe” emettendo particelle A=Z+N Decad.  + Decad.  - numero di neutroni N numero di protoni Z decadimento  + p  n + e + +  A X z  A y z-1 +e + +  decadimento  - n  p + e - +  A X z  A y z+1 +e - +  Decadimento 
    13. 13. Molto frequentemente il nucleo “ figlio ” viene prodotto in un stato eccitato e si diseccita emettendo radiazione gamma ( 60 Co  60 Ni * + e - +  ) Emissione  60 Ni *  60 Ni +  Decadimento  60 Ni * La diseccitazione gamma  60 Ni
    14. 14. Beta meno Beta più Emissione Alfa Fissione <ul><li>nuclidi </li></ul><ul><li>sono tutti gli isotopi conosciuti di ciascun elemento chimico </li></ul><ul><li>Stabili: 279 </li></ul><ul><li>Instabili: ~ 5000 </li></ul>
    15. 15. Decadimento alfa Il primo decadimento radioattivo (da qui il nome alfa) fu scoperto da Rutherford nel 1899. Le particelle α sono nuclei di elio , cioè nuclei particolarmente stabili formati da due protoni e due neutroni (Z=2 ed A=4). Sono soprattutto i nuclei pesanti (A>200) e deficienti in neutroni ad essere interessati da questo processo nucleare. Esempio:
    16. 16. Fissione dell’uranio 238 92 U 238  90 Th 234 + 2 He 4 nella reazione scompare il nucleo di uranio (U) si trasforma in un nucleo di elio (He) e uno di torio (Th) prima …………………………… .. dopo  92 U 238 protoni (92) neutroni (146) 2 He 4 90 Th 234
    17. 17. Decadimento beta <ul><li>Col termine decadimento β intendiamo l’emissione </li></ul><ul><li>spontanea da parte di un nucleo di </li></ul><ul><ul><li>un elettrone ( decadimento β - ) </li></ul></ul><ul><ul><li>un positrone ( decadimento β + ) </li></ul></ul><ul><li>Oppure la cattura di un elettrone atomico ( Cattura Elettronica o E.C .) </li></ul>Si tratta di un processo di interazione debole ed è preponderante tra i nuclei instabili. Se riscriviamo le precedenti in termini di nucleo atomico abbiamo: La trasformazione non comporta alcuna variazione del numero di massa A, e per questo motivo le trasformazioni sono dette trasformazioni isobariche .
    18. 18. decadimento β - : avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di neutroni decadimento β + : avviene per quei nuclei in cui vi è un eccesso di protoni Decadimento beta
    19. 19. L’emissione gamma Un nucleo formatosi in seguito ad un decadimento radioattivo può ritrovarsi nel suo stato fondamentale oppure trovarsi in uno dei suoi stati eccitati . Come avviene per l’atomo, anche il nucleo si porterà nella configurazione più stabile emettendo radiazione elettromagnetica corrispondente al salto energetico dei livelli interessati. A questa radiazione elettromagnetica viene dato il nome di emissione gamma (o raggi γ). Il passaggio dallo stato eccitato allo stato fondamentale può avvenire in una sola transizione dando in questo modo origine ad un fotone γ di energia E γ pari al salto energetico tra il livello eccitato e lo stato fondamentale, o attraverso più transizioni intermedie , dando in questo modo origine a diversi fotoni γ in cascata.
    20. 20. Schermi protettivi
    21. 21. Uranio 238
    22. 22. IL DECADIMENTO RADIOATTIVO Consideriamo un nucleo instabile in un dato istante; questo si trasformerà in un nucleo stabile (dopo una o più trasformazioni) attraverso un dato processo radioattivo. E’ impossibile prevedere quando un dato nucleo si trasformerà; possiamo solamente definire una certa probabilità di trasformazione in un’unità di tempo data . Questa probabilità è la stessa per tutti i nuclei di un dato nuclide e si mantiene costante nel tempo. Nucleo padre Nucleo figlio costante radioattiva λ [s -1 ] ( = probabilità nell’unità di tempo) costante radioattiva l o di decadimento probabilità di circa 1/6 219 Rn probabilità di 1/(2·10 17 ) 238 U probabilità di 1/240 milioni di disintegrarsi in un secondo 60 Co ESEMPI: Un nucleo di:
    23. 23. Legge del decadimento radioattivo Nel Sistema Internazionale l' attività si misura in Bequerel ( Bq ), 1 Bq = 1 disintegrazione/secondo . In passato veniva utilizzato il Curie ( Ci ), equivalente a 37 GBq (numero di disintegrazioni/secondo in 1 g di Radio - 226). attività Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica: N = numero di atomi presenti al tempo t ;  =  costante di decadimento: probabilità che ogni singolo nucleo ha di decadere nell’unità di tempo. Δ N / Δ t = -  N = A La legge del decadimento radioattivo: N 0 = numero di nuclidi presenti all’istante t=0 N(t) = N 0 e -  t
    24. 24. <ul><li>Se il numero di nuclidi all’istante t è </li></ul>N t = N 0 e - λ t Dato che la massa dipende dal numero di atomi possiamo anche scrivere che m t = m 0 e - λ t <ul><li>È il tempo dopo il quale il numero iniziale di nuclei radioattivi è diventato la metà, esso si esprime come: </li></ul><ul><li>T 1/2 = ln2/λ T 1/2 = 0,693/ λ </li></ul>Tempo di dimezzamento
    25. 25. La legge del decadimento radioattivo  1/2 , o tempo di dimezzamento, è anche quello in cui l’ “attività” si dimezza, cioè A(  1/2 ) = 0.5 A 0 Perciò  1/2 = 0.693   è la “vita media”.
    26. 26. parametri <ul><li>N(t) = numero di nuclidi all’istante t </li></ul><ul><li>N 0 = numero di nuclidi all’istante iniziale </li></ul><ul><li>e = numero di Nepero, base dei logaritmi naturali (e = 2.718) </li></ul><ul><li>  costante di decadimento, equivalente a </li></ul><ul><li> 0.693/  1/2 , cioè probabilità di decadimento per unità di tempo, riferita ad un singolo nuclide </li></ul><ul><li> = 1/  vita media del radioisotopo. (Tempo che mediamente trascorre tra l'istante in cui esso viene prodotto e quello in cui decade) </li></ul>
    27. 27. L’origine della radiazione <ul><li>Radiazione cosmica : </li></ul><ul><li>Raggi cosmici primari </li></ul><ul><li>Raggi cosmici secondari </li></ul><ul><li>Radioattività naturale: </li></ul><ul><li>Radionuclidi isolati </li></ul><ul><li>Famiglie radioattive naturali </li></ul><ul><li>Radioattività artificiale. </li></ul>
    28. 28. La fisica delle particelle elementari Un viaggio dentro la materia
    29. 29. Ma i protoni e i neutroni sono fondamentali? il nucleo è fatto di protoni (p), carichi positivamente, e neutroni (n), privi di carica
    30. 30. Dopo molti esperimenti gli scienziati ora credono che i quark e gli elettroni (e qualche altra particelle che tra poco vedremo) siano fondamentali I fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni sono composti di particelle ancora più piccole, chiamate quark Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark non sono fatti di nient’altro: sono FONDAMENTALI
    31. 31. Questa è la catena che ha portato i fisici del secolo scorso alla scoperta dell’infinitamente piccolo: ma le particelle sono molte!
    32. 32. I fisici hanno sviluppato una teoria chiamata Modello Standard che spiega di cosa il mondo è fatto e cosa lo tiene assieme Il Modello Standard spiega tutte le centinaia di particelle e le complesse interazioni che le legano con una semplice ricetta: 6 quark (che formano le particelle più pesanti, tra cui protone e neutrone) 6 leptoni (particelle più leggere, tra cui l’elettrone) Particelle che trasportano le forze ( fotoni, bosoni nucleoni ) + +
    33. 33. Ci sono sei quark , raggruppati in tre coppie: up/down (su/giù), charm/strange (incanto/strano) e top/bottom (cima/fondo) Quark La maggior parte della materia che ci circonda è fatta di protoni e neutroni, che sono composti di quark Il quark più misterioso, il quark top , fu scoperto nel 1995, mentre la sua esistenza era stata teorizzata venti anni prima ! I quark hanno carica elettrica frazionaria
    34. 34. … che sono fatti di tre quark … che sono fatti di un quark e di un antiquark i quark si combinano in modo da formare particelle (chiamate adroni ) con carica elettrica intera Ci sono due tipi di adroni: Barioni (dal greco=pesanti) Mesoni (dal greco=in mezzo)
    35. 35. Leptoni Sono un altra famiglia di particelle di materia, che a differenza dei quark non stanno uniti ma preferiscono vivere da soli… Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri Il leptone carico più famoso e’ l’elettrone. Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau
    36. 36. Gli altri tre leptoni sono i tre tipi di neutrino . Essi non hanno carica elettrica, sono leggerissimi e difficilissimi da “vedere” I neutrini sono stati previsti come spiegazione alla massa mancante nel decadimento del neutrone (E. Fermi)
    37. 37. Per ogni tipo di particella di materia che abbiamo incontrato finora esiste anche una particella di antimateria, chiamata antiparticella Le antiparticelle sono uguali alle corrispondenti particelle di materia, ma hanno carica elettrica opposta Quando una particella e la corrispondente antiparticella si scontrano, si annichiliscono in pura energia!
    38. 38. Finora sono state scoperte circa 200 particelle, che sono composte dai mattoncini che abbiamo visto in precedenza: troppe? Enrico Fermi una volta disse ad un suo studente: “ Giovanotto, se fossi in grado di ricordarmi i nomi di tutte queste particelle sarei stato un botanico!”
    39. 39. Ci sono quattro interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze possono essere attribuite a queste quattro interazioni. Qualunque forza si consideri - l’attrito, il magnetismo, la gravità, le reazioni nucleari e così via – è causata da una di queste quattro interazioni fondamentali: Abbiamo visto quali sono le particelle fondamentali che compongono l’universo: ma come interagiscono tra loro?
    40. 40. Nel mondo delle particelle la forza di gravità ha un ruolo trascurabile Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono? Se due pattinatori sul ghiaccio si scambiano una palla, l’effetto di azione e reazione li farà spostare entrambi dall’equilibrio: Allo stesso modo due particelle interagiscono scambiandosi una particella che trasporta la forza, spostandosi dall’equilibrio…
    41. 41. La forza elettromagnetica fa si che oggetti con la stessa carica si respingano e che oggetti con carica opposta si attraggano Ad esempio la forza che tiene uniti gli atomi e che rende la materia “solida” e impenetrabile è di natura elettromagnetica!
    42. 42. La forza nucleare “forte” tiene assieme i protoni e i neutroni nei nuclei degli atomi, e lega i quark che formano i protoni e i neutroni. Poichè tiene assieme particelle con la stessa carica elettrica, che tendono a respingersi, deve essere una forza, appunto, “forte” Le particelle che mediano la forza “forte” tra i quark sono chiamati “gluoni” , perchè tengono incollati tra loro i quark (in Inglese glue=colla)
    43. 43. La forza nucleare “debole” è responsabile del decadimento di quark e leptoni pesanti in quark e leptoni più leggeri Quando una particella decade scompare, e viene rimpiazzata da due o più particelle diverse. Ad esempio nel decadimento del neutrone: Le tre particelle che mediano la forza “debole”, sono chiamate bosoni W + , W - , Z 0 (scoperti da C. Rubbia nel 1983) neutrone protone
    44. 44. Reazioni nucleari <ul><li>Un nuclide, colpito da particelle con opportuna energia, si trasforma in un nuclide differente </li></ul><ul><li>Nel 1919 Rutherford bombardò 14 N con particelle alfa e ottenendone 17 O e un protone. </li></ul>
    45. 45. Lo strumento della prima trasmutazione nucleare Rutherford (1919) Ancora non si conosceva l’esistenza del neutrone
    46. 46. <ul><li>Nel 1932 Chadwick scoprì il neutrone </li></ul>Vai a: www-outreach.phy.cam.ac.uk beryllim radiation per vedere uscire i protoni
    47. 48. La radioattività artificiale (gennaio 1934) produzione in laboratorio di sostanze radioattive artificiali a scopo di ricerca o per applicazioni mediche <ul><li>Curie e F. Joliot </li></ul><ul><li>Bombardando 27 Al con particelle alfa ottengono 30 P +n </li></ul>
    48. 49. Grazie ad una reazione nucleare sono stati ottenuti il Promezio e il Tecnezio <ul><li>133 Cs + 4 x 2 H = 141 Pr + 50.5 MeV </li></ul>
    49. 50. Il difetto di massa. L’energia di legame nucleare <ul><li>La massa di un nucleo è sempre inferiore alla somma delle masse dei singoli nucleoni </li></ul><ul><li>La massa di un nucleo è data dalla somma della massa di ogni nucleone meno l'energia di legame, ovvero l'energia necessaria a riportare i nucleoni che compongono il nucleo al loro stato libero. </li></ul>
    50. 51. Per le reazioni nucleari l’energia si esprime in elettronvolt <ul><li>• Simbolo eV </li></ul><ul><li>• Corrisponde all’energia acquisita da un </li></ul><ul><li>elettrone che passi tra due punti con differenza di potenziale di 1 volt. </li></ul>
    51. 52. L’energia di legame nucleare È dovuta alle forze nucleari, che tengono legati fra di loro protoni e neutroni dentro il nucleo Quando il nucleo diventa troppo grosso, l’energia di legame diminuisce, perché diventa grande la forza di repulsione elettrica fra i protoni Nei nuclei piccoli, aggiungendo un protone o un neutrone, l’energia di legame aumenta, perché si formano nuovi legami I nuclei più stabili hanno una massa intorno a quella del ferro
    52. 56. I ragazzi di via Panisperna Ettore Majorana Emilio Segrè Edoardo Amaldi Enrico Fermi
    53. 57. Enrico Fermi ed Emilio Segrè entrarono a far parte del progetto Manhattan chiamati dal coordinatore del progetto, Robert Oppenheimer. assieme ad un’ équipe di scienziati famosi in tutto il mondo (Bohr, Weisskopf, Wigner, von Neumann, Frisch, Teller, Chadwick, Fuchs e altri ancora) alla ricerca sperimentale per la costruzione della bomba atomica. Le prime ricerche condotte da Fermi e il suo gruppo, mirarono soprattutto ad assicurare le condizioni necessarie per la produzione di energia dal processo di fissione nucleare.
    54. 59. CHERNOBYL I radioisotopi rilasciati nell’incidente di Chernobyl 29.12 anni 90 Sr 3.3 giorni 132 Te 40.3 anni 140 La 2.28 ore 132 I 12.8 giorni 140 Ba 8.02 giorni 131 I 30.2 anni 137 Cs 1 anno 106 Ru 13 giorni 136 Cs 39.4 giorni 103 Ru 2.06 anni 134 Cs 66 ore 99 Mo T 1/2 Isotopo T 1/2 Isotopo
    55. 62. <ul><li>Conferenza di Potsdam è il nome dato all'ultimo dei vertici interalleati tenutosi dal 17 luglio al 2 agosto 1945. </li></ul><ul><li>Nel corso dell'incontro i leader delle potenze vincitrici della seconda guerra mondiale (Stati Uniti, Inghilterra e Unione Sovietica) discussero e raggiunsero accordi sulla gestione dell'immediato dopoguerra. </li></ul>Attlee, Truman, e Stalin a Potsdam <ul><li>Il 16 luglio si sperimenta la bomba atomica nel deserto del New Messico Truman si trova in Europa, alla Conferenza di Potsdam. Lo raggiunge un messaggio strano: «I bambini sono nati felicemente » . Significa che la bomba ha funzionato. Il Presidente si confida con Churchill, il quale lascerà scritto: «Resta il fatto storico, e sarà giudicato nei tempi venturi, che la scelta dell'uso o del non-uso della bomba atomica per costringere il Giappone alla resa non fu posta nemmeno. Attorno al nostro tavolo l'accordo fu unanime, automatico, né mai sentii soltanto accennare che si sarebbe potuto agire in modo diverso » </li></ul>
    56. 63. Il giorno della bomba <ul><li>Il 6 agosto 1945 alle 8,15 &quot;la bomba&quot; esplode a poco meno di seicento metri d'altezza, polverizzando all'istante ogni cosa su un'area di tre chilometri quadrati e soffiando un alito rovente (dai trecento ai novecentomila gradi) su una superficie assai più vasta. </li></ul><ul><li>Gli abitanti di Hiroshima, dissolti, lasciano la loro ombra sulle pietre vetrificate. </li></ul><ul><li>L'onda d'urto preme con la forza inconcepibile di settemila tonnellate per centimetro quadrato. Dura un attimo, ma tutto spazza e incendia. E' sceso l'inferno sulla terra </li></ul>
    57. 65. Nagasaki 9 Agosto, 1945 <ul><li>Truman &quot;Con questa bomba noi abbiamo ora raggiunto una gigantesca forza di distruzione, che servirà ad aumentare la crescente potenza delle forze armate. Stiamo ora producendo bombe di questo tipo, e produrremo in seguito bombe anche più potenti&quot; </li></ul>
    58. 66. Le Radiazioni Ionizzanti rappresentano una causa molto importante di insorgenza di neoplasie. Possono indurre tumori praticamente in ogni organo in funzione della dose e delle modalità di esposizione. Le radiazioni ionizzanti esistono da sempre in natura. Sostanze radioattive sono naturalmente presenti in alcuni tipi di rocce, alcune sostanze volatili come il Radon sono radioattive, le radiazioni cosmiche vengono efficacemente filtrate dall'atmosfera ma una piccolissima frazione raggiunge comunque gli strati inferiori. Esiste cioè un &quot;fondo&quot; di radioattività naturale a cui non possiamo sottrarci e che sicuramente ha un suo ruolo nel meccanismo della cancerogenesi ma anche in quello dell'evoluzione.
    59. 67. Radiazione di origine naturale <ul><li>Le sorgenti di radiazioni in natura sono diverse. Oltre alla radiazione cosmica e a </li></ul><ul><li>quella terrestre, anche i materiali da costruzione (specialmente cementi pozzolanici, </li></ul><ul><li>tufi, graniti, basalti, porfidi) con cui sono fabbricate le nostre abitazioni contengono </li></ul><ul><li>atomi radioattivi, come pure gli alimenti con cui ci nutriamo. </li></ul><ul><li>Un importante contributo alla radioattività a cui siamo giornalmente esposti viene </li></ul><ul><li>però dato dal Radon, un gas naturale che proviene dal terreno e che si accumula nei </li></ul><ul><li>piani bassi degli edifici. Di qui il Radon sale trascinato dalle correnti d'aria </li></ul><ul><li>contaminando anche i piani superiori dove finisce per essere respirato insieme </li></ul><ul><li>all’aria. La quantità di Radon esalata dal sottosuolo varia moltissimo da una zona </li></ul><ul><li>all’altra e da un edificio all’altro, spesso anche se distanti solo poche decine di </li></ul><ul><li>metri. Tuttavia, da uno studio condotto negli USA, è stato stimato che il contributo </li></ul><ul><li>più rilevante alla radioattività assorbita da un individuo adulto, in un anno, è da </li></ul><ul><li>imputare prevalentemente all’inalazione del gas Radon (40-80% del totale). </li></ul>
    60. 68. In Italia il gas Radon è presente in molte regioni anche se in differenti quantità. Esso è prodotto dai minerali di Uranio-238 presenti nel suolo. In alcune regioni, come ad esempio, la Campania ed il Lazio ad elevata presenza vulcanica esso può essere presente in abbondanze tali da costituire un problema per la salute pubblica da non sottovalutare visto che l’OMS lo classifica come la seconda causa, dopo il fumo, di tumore ai polmoni. Esso può introdursi nelle abitazioni attraverso le fondamenta e può essere inalato con l’aria che si respira. Un altro gas pure presente nel suolo è il Torio-232. Sia l’Uranio che il Torio decadono in numerosi altri radioisotopi prima di trasformarsi in un nuclide stabile come il Piombo. Radiazione di origine naturale
    61. 69. Il problema Radon in Italia

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