Un’avventura virtuale alla scoperta degli
I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione I
I nuclei degli atomi sono composti da nucleoni, ovvero da protoni e da neutroni.
Il numero di protoni nel nucleo è detto "numero atomico" (Z),
la somma del numero di protoni e di neutroni è chiamato "numero di massa" (A).
IL NUCLEO:
LA SCOPERTA DEL NUCLEO:
http://www.ips.it/scuola/concorso_99/radon/radiazioni.html#a
http://www.xmission.com/~dparker/nucleus.html
Gli atomi di uno certo elemento hanno lo stesso
numero di protoni, ma possono avere un numero
diverso di neutroni (N); in questo caso vengono
chiamati "isotopi".
In fisica nucleare invece il comportamento di un
nucleo è determinato dal numero totale di nucleoni A.
I diversi numeri di massa definiscono le varie specie
nucleari, chiamate nuclidi; gli isotopi di un elemento
sono perciò nuclidi diversi.
I nuclidi possono essere stabili, instabili (o
radioattivi), naturali, ovvero presenti in natura, o
artificiali, ovvero prodotti in laboratorio.
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Germano Bonomi
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione II
I protoni del nucleo sono dotati di carica positiva
I neutroni invece sono neutri
I protoni tendono ad allontanarsi l'uno dall'altro a causa della repulsione
elettrostatica.
L’esistenza di un nucleo non sarebbe possibile senza l'intensa forza
attrattiva che agisce a breve distanza tra due nucleoni legandoli tra loro
(forza nucleare forte).
LA STRUTTURA DEL NUCLEO:
LA FISICA NUCLEARE:
THE ABC’s OF NUCLEAR SCIENCE:
http://library.thinkquest.org/12632/atomic/structure.html
http://books.nap.edu/books/0309062764/html/index.html
http://www.lbl.gov/abc
Per spiegare i nuclei e le loro proprietà sono
stati proposti vari modelli come, per esempio,
quello "a goccia" oppure quello "a shell".
In base a tali modelli i fisici nucleari spiegano
la stabilità di alcuni nuclei caratterizzati da
"numeri magici" di protoni e neutroni (es.
ferro, piombo, ecc.).
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Germano Bonomi
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
Storia I
La storia del nucleo inizia con l'esperimento di Ernest Rutherford:
egli bombardò un sottilissimo foglio d'oro (0,00006 cm, ovvero
circa 1/1000 di millimetro!!!) con nuclei di elio.
I risultati di quest'esperimento, però, furono sconvolgenti:
le particelle vennero deviate più di quanto si aspettasse, ed alcune
di esse invertirono addirittura il loro moto.
Fu l'evento più incredibile che mi fosse mai capitato nella vita. Altrettanto
incredibile che se vi fosse capitato di sparare un proiettile da 35 cm su un pezzo
di carta velina e questo fosse tornato indietro a colpirvi
SCOPERTA 100 ANNI FA:
DALLA RADIOATTIVITA’ ALLA FISSIONE:
http://www.ccr.jussieu.fr/radioactivite/english/discovery.htm
http://com.area.trieste.it/prospero/curie/saggio_scientifico/testo1.htm
Egli comprese che all'interno dell'atomo c'era
qualcosa di molto pesante, il nucleo.
Ma il percorso che portò alla comprensione del nucleo
era iniziato qualche anno prima con la scoperta della
radioattività nel 1896 da parte di Henri Becquerel.
Egli, per caso, si accorse che una lastra fotografica
poteva essere impressionata da radiazioni emesse
dall'uranio.
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Germano Bonomi
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I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
Storia II
Gli studi sulla radioattività furono portati avanti negli anni
successivi dai coniugi Pierre e Marie Curie che scoprirono altri due
elementi radioattivi: il polonio e il radio (1 milione di volte più
radioattivo dell’uranio).
Nel 1902, a Montreal, Ernest Rutherford e Frederick Soddy,
mostrarono che l'emissione di radiazione da parte di nuclei
radioattivi era accompagnata dalla trasformazione di un elemento in
un altro:
il sogno degli alchimisti della trasmutazione
degli elementi era stato raggiunto.
Dopo di loro altri fisici (tra cui i coniugi Joliot, Otto Hahn e Lise Meitner)
proseguirono lo studio della radioattività e della struttura del nucleo
MARIE CURIE:
LISE MEITNER:
IL FUOCO DEL RADIO:
http://campus.sede.enea.it/netpaper/nebbia3.htm
http://campus.sede.enea.it/netpaper/Nebbia7.htm
http://com.area.trieste.it/prospero/curie/default.htm
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I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
La radioattività I
Oggi conosciamo più di 2500 specie di nuclei differenti.
Di essi solo 280, una piccola frazione, sono stabili e compongono la quasi totalità della
materia che ci circonda.
Un nucleo non stabile subisce un processo di decadimento emettendo radiazioni e, in
alcuni casi, trasformandosi in un altro nucleo.
I principali processi di decadimento radioattivo sono tre (
a,b,g ).
Altri tipi di decadimento sono:
la fissione spontanea in cui il nucleo si spezza in due nuclei figli con massa circa
pari alla metà
il decadimento beta+ (b+) in cui un nucleo emette un positrone ed un neutrino, il
numero atomico diminuisce di 1 ed il numero di massa
rimane inalterato.
LA RADIOATTIVITA’:
LA MEDICINA NUCLEARE:
http://utenti.romascuola.net/smsanguillara/ricerche.htm
http://www.unipd.it/nucmed/TF/TF.index.ita.html
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Germano Bonomi
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I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
La radioattività II
alfa (a): il nucleo emette una particella alfa composta da due protoni
e da due neutroni, riducendo così il suo numero atomico di 2 ed il
numero di massa di 4;
beta- (b-): il nucleo emette una particella beta- (elettrone) ed un
antineutrino, aumentando il
numero atomico di 1 e
lasciando inalterato il
numero di massa;
gamma(g ): il nucleo passa ad una configurazione di
energia inferiore emettendo un raggio
gamma (fotone), lasciando invariati numero
atomico e numero di massa.
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I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
La legge del decadimento I
Il tempo necessario affinché metà di un certo insieme di nuclei radioattivi decada
viene detto tempo di dimezzamento.
In natura si osservano tempi di dimezzamento che variano da
frazioni di secondo a miliardi di anni.
tempo di
vita medio
tvita 
1

 N (tvita )  N 0e 1  0,37 N 0
T1/ 2  0.693 tvita
tempo di
dimezzamento
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ELEMENTI MANCANTI
I NUCLEI
La legge del decadimento II
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I NUCLEI
ELEMENTI MANCANTI
La carta dei nuclidi I
Un metodo molto usato per mostrare graficamente la stabilità
dei nuclei e degli isotopi
è la carta dei nuclidi.
In tale rappresentazione i nuclidi vengono
numero di protoni Z, in ordinata, e
ascissa. Gli isotopi ed i nuclei
disposti in funzione del loro
del loro numero di neutroni N in
stabili si trovano nella sottile striscia
marcata in nero; i nuclei
al di fuori della "valle di stabilità" sono la
stragrande maggioranza
e fanno parte del cosiddetto "mare di
instabilità".
Per numeri atomici bassi, la configurazione più stabile è quella con A=2Z,
mentre per valori di Z maggiori tutti i nuclidi, stabili o instabili,
hanno più neutroni che protoni.
CARTA DEI NUCLIDI INTERATTIVA:
TAVOLA DEGLI ISOTOPI:
http://www.dne.bnl.gov/CoN/index.html
http://isotopes.lbl.gov/isotopes/decay/par_z.htm
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Germano Bonomi
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ELEMENTI MANCANTI
I NUCLEI
La carta dei nuclidi II
Gli isotopi al di sotto della banda di stabilità
tendono ad eliminare l'eccesso di
neutroni mediante decadimento
beta-; quelli che si trovano
al di sopra invece decadono
prevalentemente via
beta+.
DETTAGLIATISSIMA CARTA DEI NUCLIDI: http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita\nuclei\greatch.pdf
Il decadimento alfa permette a tutti gli elementi oltre il bismuto (Z=83) di eliminare i
protoni in sovrappiù che li rendono instabili.
Dal 1966 si ipotizza che esista una isola di stabilità al cui centro dovrebbe trovarsi un
isotopo dell'elemento 114 con 184 neutroni.
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GLI ELEMENTI MANCANTI
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione I
La grande idea di Mendeleev e di Meyer fu quella di presupporre uno schema prestabilito in cui
introdurre gli elementi conosciuti, e non il viceversa.
I loro predecessori invece avevano cercato invano di disporre gli elementi conosciuti in modo da
formare una tabella.
In altre parole entrambi, prima idearono la tabella ed in un secondo momento
inserirono i 63 elementi allora conosciuti.
In questo modo si accorsero che alcune caselle erano vuote.
Essi predissero l'esistenza, e di alcuni di loro anche le proprietà, di questi
elementi mancanti. Mendeleev per esempio predisse l'esistenza di 3 elementi
che lui chiamò eka-boro, eka-alluminio e eka-silicio e che oggi sono conosciuti
con i nomi scandio, gallio e germanio
ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI:
MISSING FROM THE EARTH:
LA FISICA DEGLI ATOMI MANCANTI:
ALCHIMIA MODERNA:
http://www.chim1.unifi.it/dida/tabelle/Crosta.htm
http://www.cs.colorado.edu/~lindsay/creation/isotope_list.html
http://www.energyscience.co.uk/bib/1987a.htm
http://web.columbia.edu/itc/chemistry/chem-c1403/text_chapters/nukes.html
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Germano Bonomi
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
Introduzione II
Con il passare degli anni la tavola periodica venne modificata e
perfezionata, in base alle nuove conoscenze in chimica e fisica,
ospitando via via i nuovi elementi scoperti.
Pur tuttavia una serie di elementi continuò a mancare per
parecchi anni.
Tali elementi sono il tecnezio, il
promezio e gli elementi
transuranici (gli elementi con
numero atomico maggiore di 92).
Tali elementi radioattivi infatti non
esistono in natura, se non in percentuali
infinitesime. La loro scoperta è dovuta al
fatto che sono stati successivamente
prodotti artificialmente in laboratorio
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Germano Bonomi
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GLI ELEMENTI MANCANTI
ELEMENTI MANCANTI
Tecnezio
Numero atomico: 43, Peso atomico: 97.91, Simbolo: Tc
L'elemento con numero atomico 43, la cui esistenza fu predetta in base alla tavola periodica,
fu erroneamente creduto scoperto nel 1925 da W. Noddack, I. Tacke e O. Berg, e fu
chiamato masurio (dal nome della città prussiana Masuren).
In realtà fu scoperto da Carlo Perrier e Emilio Segre in Italia nel 1937. L'elemento era
però stato prodotto presso il laboratorio di Berkeley da E. Lawrence. Egli aveva bombardato
del molibdeno con atomi di deuterio e poi lo aveva spedito in Italia ai due ricercatori.
Il tecnezio fu il primo elemento prodotto artificialmente, infatti il suo nome deriva dal
greco technetos, che significa appunto artificiale. Dopo la sua scoperta lo si cercò in natura.
Finalmente nel 1962 l'isotopo tecnezio 99 fu isolato, in quantità bassissime, ed identificato in
una miniera africana ricca di uranio per merito di B.T. Kenna e P.K. Kuroda. Si trattava di un
prodotto della fissione spontanea dell'uranio 238.
Se esiste sulla terra la concentrazione deve essere infinitesima.
Ad oggi si conoscono molti isotopi del tecnezio con massa atomica da 79
a 147, nessuno dei quali stabili (T<4.2 milioni di anni).
Ha un colore grigio-argento ed il prezzo è di circa 60$ al grammo.
Viene utilizzato per ricerche nel campo medico.
TECHNETIUM WORLD: http://web.mit.edu/chichest/www/home.html
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GLI ELEMENTI MANCANTI
ELEMENTI MANCANTI
Promezio
Numero atomico: 61, Peso atomico: 144.91, Simbolo: Pm
L'elemento con numero atomico 61 fu predetto da Branner nel 1902. Nel 1941 produssero
nuovi nuclidi radioattivi bombardando neodimio e paseodimio con neutroni, atomi di deuterio e
particelle alfa.
Probabilmente alcuni di essi avevano numero atomico 61, ma la difficoltà di separare le terre
rare una dall'altra resero impossibile una verifica sperimentale.
Solo nel 1945 J.A. Marinsky, L.E. Glendenin e C.D. Coryell riuscirono ad isolarlo ed
identificarlo.
Gli fu dato il nome di promezio dal nome di Prometeo, l'eroe
mitologico che rubò il fuoco agli dei per donarlo agli uomini.
Sono stati prodotti molti isotopi con peso atomico da 120 a 205
(T<17.7 anni).
La ricerca di promezio in natura non ha avuto successo; sembra
probabile che il promezio sia completamente inesistente sulla terra.
Nel 1963 si riuscì a produrre 10 grammi di promezio da un reattore
nucleare. Tuttavia si conosce poco delle proprietà di tale elemento.
PROMEZIO: http://www.chim1.unifi.it/dida/elementi/promezio.htm
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
I transuranici I
Gli elementi transuranici sono gli elementi con numero atomico superiore a quello
dell'uranio, ovvero maggiore di 92.
I primi tentativi per sintetizzare tali elementi furono compiuti nel 1934 bombardando l'uranio
con neutroni (scoperti due anni prima da J. Chadwick).
Enrico Fermi pensò in effetti di esserci riuscito, mentre invece aveva generato il processo di
fissione dell'uranio.
Il primo di tali elementi fu scoperto nel 1940 da E. M. McMillan e P.H. Abelson nel 1940 a
Berkeley e fu chiamato nettunio.
Nello stesso anno G. Seaborg (che ha partecipato alla scoperta di ben 11 elementi
transuranici) scoprì il successivo elemento, il plutonio.
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
I transuranici II
Nei quindici anni successivi vennero via via scoperti gli elementi sino al 101.
Gli elementi dal 102 al 106 vennero scoperti tra il 1958 e il 1974 facendo collidere fasci di
alta intensità costituiti da ioni di elementi leggeri con elementi di numero atomico compreso
tra 94 e 98.
UN TRIBUTO A FERMI:
SEABORG HITS:
SCOPERTE DI ELEMENTI:
http://www.parlamento.it/att/ddl/r2605a.htm
http://www-ia1.lbl.gov/seaborg/hits.htm
http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/new-elements-here.html
Agli inizi degli anni '80, un gruppo di ricerca dell'Istituto di Darmstadt, utilizzando una
nuova tecnica che induceva la fusione tra ioni pesanti accelerati e nuclei leggeri, scoprì gli
elementi 107, 108 e 109;
ci vollero due settimane di lavoro per ottenere un singolo atomo dell'elemento 109, ora
chiamato meitnerio.
Tutti gli elementi transuranici, a parte il plutonio ed il nettunio presenti in
piccolissime percentuali, sono elementi artificiali che ai giorni nostri non
esistono sulla terra.
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Germano Bonomi
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
I nuovi elementi I
Con "nuovi elementi" vengono indicati gli elementi sintetizzati in laboratorio che non
hanno ancora un nome, ovvero quelli prodotti artificialmente con numero atomico maggiore
di 109 e scoperti dopo il 1994.
In tale anno venne deciso dalla International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)
il nome degli elementi con numero atomico compreso tra 102 e 109.
GLI ELEMENTI 116 E 118:
http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/elements-116-118.html
Gli elementi 110, 111, e 112 vennero
scoperti nel 1994 e 1996 a Darmstadt
(Germania).
I nuovi elementi, seguendo la regola
proposta dalla IUPAC legano il loro nome al
numero atomico; per esempio l'elemento
110 viene detto ununnilium, dal latino
Un(uno)un(uno)nilium(zero).
Negli ultimi anni (dal 1998 al 2000) a
Dubna e a Berkeley sono stati sintetizzati
tre nuovi elementi con numero atomico
114, 116, e 118.
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
I nuovi elementi II
I nuclidi con numero atomico maggiore di 106 sono particolarmente instabili.
Via via che ci si avvicina al numero "magico" 114 però gli elementi mostrano una maggiore
tendenza alla stabilità.
Dal 1966 si prevede l'esistenza di una isola di stabilità centrata attorno al nuclide con 114
protoni e 184 neutroni.
Tale teoria contraddiceva una altra teoria
per cui la stabilità degli elementi
sintetizzati sarebbe diminuita
sensibilmente al crescere del numero
atomico.
A sostegno dell'esistenza dell'isola di
stabilità i fisici di Dubna hanno
sintetizzato l'elemento 114 con 175
neutroni, e scoperto che vive 1000
volte più a lungo di quello con 174
neutroni.
Ipotizzano di essere ai margini di tale
isola.
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Germano Bonomi
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI MANCANTI
http://fidabs.ing.unibs.it/em
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