Chimica nucleare: e le reazioni che cambiano la natura del nucleo

La chimica nucleare è una branca della chimica che si occupa delle reazioni che cambiano la natura del nucleo. Lo studio della chimica nucleare consente di riconoscere meccanismi e caratteristiche dei decadimenti radioattivi. Le principali applicazioni della chimica nucleare sono in campo medico, nella produzione di energia e protezione dell’ambiente. La chimica nucleare si rivolge, tra l’altro allo studio e di tutte le operazioni implicate nella produzione di combustibili nucleari

Si definiscono  nuclidi gli  elementi di cui si conosce il numero atomico Z , il numero di massa A e quindi anche il numero di protoni ( A-Z).

Gli isotopi sono due nuclidi di uno stesso elemento aventi lo stesso numero atomico, ma diverso numero di massa. Un nucleo è tanto più stabile quanto più elevata è la sua energia nucleare di legame. Per calcolare tale energia si può considerare il difetto di massa del nuclide ovvero la differenza tra la massa ottenuta sommando i nucleoni e la massa nucleare calcolata sperimentalmente. Ad esempio il nucleo dell’elemento elio, costituito da 2 protoni e da 2 neutroni dovrebbe avere massa pari a ( 2 ∙1.00728) + ( 2 ∙ 1.00867) = 4.03190 u mentre ha massa pari a 4.00150 u.

In questo caso il difetto di massa Δm = 0.03040 u

Tenendo presente la relazione di Einstein E = mc² appare evidente che questa massa si è  trasformata in energia nel momento della formazione del nucleo atomico e rappresenta quindi l’energia necessaria per separare i suoi nucleoni. Infatti

ΔE = Δmc² o anche Δm = ΔE/mc²

Decadimento

Il decadimento radioattivo avviene con emissione di radiazioni che vengono così classificate :

• I raggi alfa che sono formati da particelle positive con carica uguale a due unità atomiche e massa pari a quattro unità atomiche. Tali radiazioni si rappresentano con il simbolo ⁴₂ α
• I raggi β^– che sono costituiti da elettroni negativi e si rappresentano con il simbolo ⁰_-1 β^–
• I raggi β⁺ che sono costituiti da elettroni positivi (positroni) e si rappresentano con il simbolo ⁰₊₁ β⁺
• I raggi  gamma che sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche.

La stabilità di un nucleo, correlata alla spontaneità di emettere radiazioni, è dipendente dal rapporto numero di neutroni/ numero di protoni. Se tale rapporto vale circa 1 il nucleo è stabile.

Esempi

Se tale rapporto è diverso da 1 si possono avere diversi tipi di decadimento a seconda dei casi .

–         Il decadimento α di tipo è caratteristico di nuclidi pesanti aventi numero atomico maggiore di 82 e numero di massa maggiore di 200. Con l’emissione di tali particelle , il nuclide si trasforma in un’altra specie chimica : il nucleo perde 2 unità di massa e due unità di carica. L’’elemento che la emette si trova spostato di due posti a sinistra nella tavola periodica. Ad esempio

²³⁸₉₂ U = → ²³⁴₉₀ Th + ⁴₂ He

• Il decadimento radioattivo beta-meno avviene quando il nucleo contiene troppi neutroni rispetto ai protoni e pertanto diventa più stabile se uno dei suoi neutroni decade a protone:

¹₀ n → ¹₁ p + + β^– + v ̅_e( antineutrino)

In tal caso il numero di massa rimane costante ma aumenta di una unità il numero atomico Z : l’elemento ottenuto si trova a destra dell’elemento che lo ha generato. Ad esempio :

¹³⁷₅₅ Cs → ¹³⁷₅₆ Ba + e^– + v ̅_e

• Il decadimento radioattivo beta-più si verifica negli isotopi leggeri di elementi con basso numero atomico con la trasformazione di un protone in neutrone. In tale decadimento il numero di massa rimane costante e il numero atomico diminuisce di una unità e pertanto l’elemento si troverà a sinistra dell’elemento che lo ha generato . Ad esempio :

¹³₇ N → ¹³₆ C + β⁺ + v_e ( neutrino)

• Si può infine osservare la cattura di un elettrone extranucleare . Tale elettrone si unisce a un protone per dare un neutrone. Il nuclide che si ottiene presenta un numero di massa uguale a quello dell’elemento di partenza, ma con numero atomico inferiore di un’unità . Ad esempio:

⁸²₃₇ Rb + 1 e^–  → ⁸²₃₆ Kr

Esercizi

1)       Completare la seguente reazione nucleare :

²³⁸₉₂ U + ¹⁴₇ N → ²⁴⁷₉₉ Es + ….

Strategia : si nota che la somma tra i numeri atomici del primo membro (92+7=99) è uguale al numero atomico dell’elemento che si ottiene dopo la reazione ; pertanto durante la reazione vengono prodotti neutroni , in quanto hanno carica zero e, poiché la differenza dei numeri di massa è uguale a 5  la reazione si completa aggiungendo a destra 5 ¹₀ n.

2)     Completare la seguente reazione nucleare :

¹⁰₅ B + ⁴₂ α → ¹₁ p

Poiché il numero di protoni iniziali è pari a 5 + 2 =7 e viene emesso un protone l’elemento che si ottiene dovrà contenere 7-1 = 6 protoni quindi l’elemento che si ottiene è l’azoto che avrà numero di massa pari a 10 + 4 -1 = 13: ¹³₇ N

3)     Determinare l’energia svolta durante l’esplosione di 1.00 Kg di sostanza se lo 0.30% di materia si trasforma in energia.

0.1  Kg = 1000 g

Δm = 1000 ∙ 0.30/100 = 3.00 g

ΔE = Δm ∙ c² = 3.00 ( 3.00 ∙10¹⁰)² = 2.70 ∙ 10²¹  erg