Decadimenti nucleari
fissione
fusione
trasmutazione elementi
naturale e artificiale
datazione reperti
Decadimento beta negativo: un neutrone diventa protone emettendo
un elettrone e un antineutrino
protone
neutrone
elettrone
positrone
neutrino
antineutrino
Elemento cambia numero atomico 2 > 3 e mantiene costante la massa 3
Decadimento beta positivo: un protone diventa neutrone emettendo
un positrone e un neutrino
Z numero atomico : protoni
A numero massa : nucleoni
nucleoni :protoni + neutroni
Elemento cambia numero atomico 2 > 1 e mantiene costante la massa 3
Decadimento alfa :esce una particella formata da 2 protoni e 2 neutroni
Elemento cambia numero atomico 7 > 5 e numero massa 11 > 7
Cattura K : un elettrone penetra nel nucleo e trasforma protone in neutrone
Elemento cambia numero atomico 4 > 3 e mantiene costante la massa 6
Un atomo di Uranio (92,235) cattura un neutrone, diventa isotopo instabile
Uranio (92,236) che si divide in due frammenti liberando energia e neutroni
fissione
In un reattore i neutroni , veloci, possono essere rallentati (con moderatori
come acqua pesante, grafite) in modo da favorire la loro cattura da parte
di altri atomi di U (92,235) e mantenere una reazione a catena, moderabile
mediante sostanze( come barre di cadmio) che possono assorbire i neutroni
rallentando o bloccando la reazione
Il calore generato nella reazione può essere utilizzato per la produzione
di vapore in una centrale elettrica: i frammenti radioattivi prodotti nella
fissione si accumulano e assorbono negativamente neutroni: devono
essere allontanati (scorie radioattive) e l barre di uranio sostituite
atomo di Uranio (92,238) cattura un neutrone e diventa isotopo Uranio (92,239)
U (92,239)
Un neutrone decade in protone emettendo un elettrone e un antineutrino
si genera un elemento transuranico: Nettunio (93,239)
Nettunio( 93,239) >> Plutonio (94,239)
Il Nettunio (93,239) è molto instabile e decade subito trasformando un altro
neutrone in protone , emettendo un elettrone e un antineutrino: si genera un
altro elemento transuranico, stabile, Plutonio (94,239) che può essere
separato più facilmente dell’isotopo 235 dall’uranio naturale (235+238) e
utilizzato come l’uranio (92,235) anche per scopi bellici
Nella reazione di fusione nucleare atomi leggeri si uniscono a formare
atomi pesanti con liberazione di energia e particelle varie
Esempio: idrogeno + idrogeno > elio + neutroni
Deuterio (1,2) + Deuterio (1,2) > tritio (1,3) + protio(1,1)
Protio (1,1) + Deuterio(1,2) > elio (2,3)
Tritio (1,3) + Tritio (1,3) > elio (2,4) + 2 neutroni(0,1)
Deuterio (1,2) + Tritio (1,3) > elio (2,4) + neutrone (0,1)
Ogni elemento presenta
un simbolo: es . X , Y
un numero atomico=numero di protoni Z
un numero di massa=numero di nucleoni=protoni + neutroni : A
es. X(Z,A) = Z(92,238) = U (92,238)
Isotopo: elemento con uguale Z e diverso A : es: U (92,235), U(92,238)
Nelle reazioni si deve sempre conservare la carica totale e la massa
X (50,70) + n(0,1) > X (50,71) > Y (48,67) + alfa(2,4)
Elemento + neutrone > isotopo > decadimeto alfa > nuovo elemento
Esempi di reazioni usando particelle neutre (neutroni)
o accelerate (protoni, alfa) come proiettili per colpire nuclei vari
Un neutrone colpisce un nucleo; un altro neutrone decade in protone
emettendo un elettrone e un antineutrino: cambia numero atomico e di massa
n(0,1) + x (11,18) > x(11,19) > y (12,19) + e(-1,0) + an(0,0)
Un protone colpisce un nucleo: esce una particella alfa: cambia Z e A
P(1,1) + x (11,18) > Y(12,19) > Q(10,15) + alfa(2,4)
Una particella alfa colpisce un nucleo; un protone diventa neutrone
emettendo un positrone e un neutrino: cambia numero atomico e massa
alfa(2,4) + X (11,18) > Y(13,22) > Q(12,22) + e(+1,0) + n(0,0)
Molti elementi presentano instabilità che li induce a un decadimento
di vario tipo con trasformazione in elementi più stabili con variazione
di numero atomico e di massa: radioattività naturale e trasmutazione
elementi spontanea
Ogni elemento è caratterizzato da uno specifico tempo di dimezzamento,
tempo impiegato da una qualsiasi quantità di nuclei per trasformarsi nella
metà della quantità originaria, indipendentemente dalla temperatura:
tempi molto variabili (da pochi secondi a milioni di anni)
atomi
100 atomi diventano 50 in 1 anno
50 atomi diventano 25 in 1 anno
100
Tempo dimezzamento 1 anno
50
25
1 anno
2 anni
tempo
Esempio di decadimento di uranio (92,238) in isotopo del piombo (82,206)
mediante successivi decadimenti alfa, beta e trasmutazioni intermedie
(famiglia radioattiva)
Uranio(238),
alfa + torio(234),
beta +protoattinio(234),
beta + uranio(234),
alfa + torio(230),
alfa + radio(226),
alfa + radon(222),
alfa + polonio(218),
alfa + piombo(214),
beta + bismuto(214)
beta + polonio(214),
alfa + piombo(210),
beta + bismuto(210),
beta + polonio(210),
alfa + piombo(206)
Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206)
e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del
piombo derivato
Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0
Decadimento di uranio in piombo con dimezzamento di uranio
e comparsa di piombo :uranio + piombo = costante 6+6=12
Ulteriore decadimento di uranio in piombo con dimezzamento da 6 a 3
di uranio e aumento di piombo da 6 a 9 : somma = 12
Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante
analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti
Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206)
e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del
piombo derivato (ipotesi tempo dimezzamento = 100)
Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0
Situazione normale U 6 e Pb 6 : tempo trascorso 100
Aggiunta di uranio : analisi Uranio 10 + piombo 6 = 16 : sembra che non
sia trascorso tempo 100 perché uranio non dimezzato (10 > 8)
età minore di quella reale: ringiovanimento
Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante
analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti
possibili errori dovuti a variazioni nelle quantità di uranio, piombo
per aggiunta o sottrazione avvenuta per interazione con esterno
Esempio di decadimento da X a Y ( es. U (92,238) >>>> Pb(82,206)
e determinazione età della roccia in funzione dell’uranio residuo e del
piombo derivato (ipotesi tempo dimezzamento = 100)
Roccia contenente uranio (92,238) in assenza di piombo :12 U, Pb 0
Situazione normale U 6 e Pb 6 : tempo trascorso 100
Aggiunta di piombo : analisi Uranio 6 + piombo 10 = 16 : sembra che sia
trascorso tempo > 100 perché uranio più che dimezzato (6 < 8)
età maggiore di quella reale: invecchiamento
Possibile datare la roccia se si conosce tempo di dimezzamento e mediante
analisi quantità di atomi di uranio e piombo presenti
possibili errori dovuti a variazioni nelle quantità di uranio, piombo
per aggiunta o sottrazione avvenuta per interazione con esterno