Chimica nucleare

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Introduzione

Chimica nucleare Ramo della chimica che studia i fenomeni relativi ai nuclei atomici: in particolare, le reazioni che si manifestano quando i nuclei interagiscono fra loro, con la radiazione elettromagnetica o con le particelle elementari.

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Decadimento dei nuclidi

I nuclei degli atomi sono costituiti da protoni di carica positiva e da neutroni elettricamente neutri. Il numero dei protoni (numero atomico, Z) individua l'elemento chimico, mentre il numero dei neutroni (N) specifica un particolare isotopo dell'elemento stesso. Nella maggior parte dei casi un atomo viene indicato specificando sia il valore di Z sia da quello di N; così le notazioni ®Na e ²Na, dove il pedice rappresenta il numero atomico (Z) e l'apice il numero di massa (A = Z + N), si riferiscono rispettivamente agli isotopi sodio 23 e sodio 24; una notazione equivalente è quella in cui si specifica il solo numero di massa, ²³Na e ²⁴Na, sottintendendo che il numero atomico è quello corrispondente al sodio. Un nucleo caratterizzato da un numero ben definito di neutroni e di protoni viene detto nuclide: sono questi due numeri a governare il verificarsi delle reazioni nucleari.

In natura esistono circa 260 nuclidi stabili, ossia composti da nuclei che si mantengono inalterati col passare del tempo, e circa una ventina di nuclidi radioattivi (ossia instabili). Questi ultimi sono caratterizzati dalla spontanea trasformazione in nuclei di specie atomiche diverse, con conseguente emissione di energia sotto forma di radiazione. I più importanti processi di trasformazione sono i decadimenti alfa (a) e beta (β): nel primo caso vengono emessi nuclei di elio, He²⁺, mentre nel secondo caso la radiazione è costituita da elettroni o positroni di alta energia. I decadimenti a e β spesso comportano la formazione di nuclei eccitati che transiscono in uno stato energetico più stabile emettendo raggi gamma, ossia radiazione elettromagnetica di piccolissima lunghezza d'onda e dunque dotata di altissimo potere penetrante. Ad esempio, il ²⁴Na, per decadimento β, si trasforma nell'elemento di numero atomico successivo, il magnesio, secondo la reazione:

²Na→³Mg+β+raggi g

Per caratterizzare in modo completo il decadimento di un radionuclide, come viene anche chiamato un nuclide instabile, è necessario indicare, oltre al processo in cui è coinvolto, anche il tempo di dimezzamento T_d, ovvero il tempo necessario affinché la metà dei nuclidi inizialmente presenti abbia subito il processo di trasformazione, e l'energia e la natura delle radiazioni emesse, che possono assumere uno dei tre aspetti prima descritti. Un altro parametro utile è la costante di decadimento λ, che indica la probabilità di decadimento del radionuclide nell'unità di tempo. Spesso, in alternativa al tempo di dimezzamento, si definisce la vita media t di una specie, ovvero il tempo dopo il quale una determinata quantità di nuclei radioattivi si è ridotta a circa il 37% del suo valore iniziale.

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Primi esperimenti

Gli avvenimenti che portarono alla scoperta del fenomeno della radioattività naturale risalgono alla fine del XIX secolo: fu il fisico francese Henri Becquerel a scoprire, nel 1896, che i sali di uranio emettevano una radiazione capace di impressionare una lastra fotografica, riparata alla radiazione luminosa da uno schermo opaco. Le ricerche vennero proseguite dai coniugi francesi Marie e Pierre Curie: nel 1898 essi conclusero che l'emissione di radiazione era una proprietà comune all'uranio e alla maggior parte dei suoi composti e introdussero il termine radioattività per indicare il nuovo fenomeno scoperto. I Curie scoprirono altri due elementi naturali radioattivi, il polonio 84 e il radio 88. Durante gli anni Trenta del Novecento Irène e Frédéric Joliot-Curie prepararono i primi nuclidi radioattivi artificiali bombardando il boro 5 e l'alluminio 13 con particelle a e ottenendo due radioisotopi dell'azoto e del fosforo.

Nel 1938 gli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann osservarono per la prima volta una reazione di fissione nucleare: bombardando l'uranio con neutroni, provocarono la scissione di alcuni nuclei atomici in due parti – ciascuna di numero atomico pari circa alla metà di quello originale – detti frammenti della fissione. Al processo si accompagnava la liberazione di un'enorme quantità d'energia: la fissione infatti è oggi il principio di base del funzionamento dei reattori nucleari e di alcuni tipi di bombe atomiche.

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Reazioni nucleari

Le reazioni nucleari consistono nella trasformazione di un nuclide in una specie nucleare diversa e possono essere indotte dal bombardamento con altri nuclidi o con particelle elementari. Ad esempio, bombardando con neutroni un campione di ®Na, alcuni nuclei bersaglio si trasformano (per assorbimento di un neutrone) in nuclidi ²Na radioattivi, che decadono secondo la reazione

®Na+¦n→²Na+raggi g

A causa della forza repulsiva tra cariche dello stesso segno, il bombardamento di un campione con nuclidi richiede la disponibilità di una gran quantità di energia esterna: le particelle incidenti (in genere neutroni o particelle cariche) devono infatti possedere un'accelerazione elevata per vincere la repulsione con i nuclei bersaglio. Queste alte energie possono essere raggiunte con potenti strumenti come il ciclotrone, il generatore di Van de Graaff e altri tipi di acceleratori di particelle.